EP3887087A1 - Vorrichtung und verfahren zur strahlformung und strahlmodulation bei einer lasermaterialbearbeitung - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur strahlformung und strahlmodulation bei einer lasermaterialbearbeitung

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EP3887087A1
EP3887087A1 EP19809449.2A EP19809449A EP3887087A1 EP 3887087 A1 EP3887087 A1 EP 3887087A1 EP 19809449 A EP19809449 A EP 19809449A EP 3887087 A1 EP3887087 A1 EP 3887087A1
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EP
European Patent Office
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laser beam
laser
optical deflection
optical
deflection element
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Pending
Application number
EP19809449.2A
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English (en)
French (fr)
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Andreas Wetzig
Achim Mahrle
Patrick Herwig
Jan Hauptmann
Ramona Eberhardt
Paul Böttner
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Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Publication date
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    • G02B27/0977—Reflective elements
    • G02B27/0983—Reflective elements being curved

Definitions

  • the present invention relates to a device and a method for beam shaping and beam modulation in laser material processing.
  • Processes for laser material processing ideally require a three-dimensional distribution of a laser power density at an effective point that is adapted to a particular process in order to achieve optimum processing results with regard to quality and process efficiency. In conventional processes with static beam geometries, however, this is usually not the case.
  • the present invention is therefore based on the object to provide a Vorrich device and a method with which the disadvantages mentioned are avoided, i. H. with which laser material processing can be carried out with the greatest possible flexibility.
  • a device for beam shaping and beam movement in a laser material processing has a laser beam source for continuously emitting a laser beam, a beam shaping element, an optical deflection element and a focusing element arranged between the optical deflection element and a workpiece surface to be processed.
  • the optical order is designed to shift a point of incidence of the laser beam on the workpiece surface.
  • the beam shaping element is designed to change a position of a focal plane of the laser beam relative to the workpiece surface by means of a translational movement, and / or is designed to change an intensity distribution or lateral energy distribution within a beam cross section of the laser beam.
  • the beam shaping element and the optical deflection element By using the beam shaping element and the optical deflection element, a three-dimensional adjustment or spatial positioning of the focused laser beam or the lateral energy distribution within the beam cross section with respect to the workpiece to be machined is made possible.
  • the deflection element makes it possible to influence an integral of the beam intensity and a local interaction time.
  • By deflecting the incident laser beam through the optical deflecting element in such a way that the point of impact can be varied a defined two-dimensional sional energy density distribution in the form of any Lissajous figures can be achieved on the workpiece surface.
  • the position of the focal plane in the beam propagation direction can additionally be changed by a simple translational relative movement of the beam shaping element, so that an energy distribution in the form of any three-dimensional Lissajous figure can be defined.
  • An extended translational relative movement of the beam shaping element furthermore makes it possible to adapt the intensity distribution over the beam cross section as desired within the three-dimensional Lissajous figure.
  • the beam shaping element is positioned in a translationally application-related manner, while all other components of the device remain stationary or spatially fixed.
  • the optical deflection element can be designed to be rotatable about two mutually perpendicular axes in order to achieve a simple change in the point of impact of the laser beam on the workpiece surface.
  • At least one of the axes about which the optical deflection element can be rotated is collinear with the laser beam. This results in a simple geometric structure that contributes to a defined adjustability.
  • the optical deflection element typically has one or two elements reflecting the laser beam, preferably mirrors, in order to enable a defined scanning.
  • Each of the elements reflecting the laser beam can be rotatable about one of the two mutually perpendicular axes.
  • each of the elements reflecting the laser beam can also be designed to be translationally movable and / or deformable in at least two spatial directions.
  • the beam shaping element is typically linearly movable or deformable along an axis, this axis being tilted relative to the optical axis of the incident laser beam and the optical axis of the deflected laser beam.
  • the tilt is preferably between 35 ° and 55 °, particularly preferably 45 °.
  • the beam shaping element which as a rule also has an element reflecting the laser beam, such as a mirror, is also tilted by the aforementioned angle with respect to the workpiece surface to be processed.
  • a continuously emitted laser beam is directed from a laser beam source via a beam shaping element, an optical deflection element and an optical focusing element arranged between the optical deflection element and a workpiece surface to be processed.
  • a point of impact of the laser beam on the workpiece surface is shifted ben by the optical deflecting element and a position of a focal plane of the laser beam relative to the workpiece surface is changed by a translational movement of the beam shaping element and / or it is changed by the beam shaping element, for example by a translational Movement changes an intensity distribution within the beam cross-section.
  • the beam shaping element and / or the optical deflection element who typically moves the oscillating by a control unit in a frequency range between 1 Hz and 100 kHz to set desired three-dimensional Lissajous figures.
  • Said control unit can generally be set up for the control or regulation of the described method or the described device.
  • the laser power can be modulated by the control unit in a frequency range between 1 Hz and 10 MHz, so that time-varying intensity densities can be generated.
  • the method described is typically a laser cutting method or a laser welding method.
  • a beam diameter of the laser beam is oscillated at a frequency between 1 Hz and 100 kHz, that is to say it is periodically enlarged and reduced. It can also be provided that a beam waist diameter of the laser beam is oscillated in a range between 0.5-d F and 2-d F of a fixed nominal beam waist diameter.
  • the nominal beam waist diameter can be determined application-specifically and in particular can be between 100 pm and 200 pm.
  • the machining properties can be set as desired by periodically increasing and decreasing the beam diameter.
  • the beam diameter is typically identical to the beam waist diameter with regard to its size on a laser beam cross section of minimal diameter.
  • the described method can be carried out with the described device, i. H. the device described is designed to carry out the method described.
  • Fig. 1 is a schematic perspective view of a device for
  • Fig. 2 is a schematic side view of the device
  • FIG. 3 shows a view corresponding to FIG. 2 of an alternative embodiment of the beam path shown in FIG. 2.
  • FIG. 1 shows a device for beam shaping or beam movement in a schematic perspective view.
  • a laser beam source 1 in the present case a cw laser beam source, that is a laser beam source emitting a continuous, non-pulsed beam, emits a laser beam 2, which can be emitted in the electromagnetic wavelength range of visible radiation, infrared radiation or ultraviolet radiation.
  • the laser beam 2 is deflected by a movable mirror as a beam forming element 3 in the illustrated embodiment by 90 ° by reflection in the direction of an optical deflecting element 4th
  • the optical deflection element 4 can be rotated about two mutually perpendicular axes and, in the exemplary embodiment shown, is also a mirror. In further exemplary embodiments, however, the optical deflection element 4 can also be constructed from two mirrors.
  • the optical deflection element 4 deflects the laser beam 2 in the direction of a workpiece surface 7 to be machined.
  • a focusing element 5 in the exemplary embodiment shown a spherical or aspherical lens, is arranged in a housing 6 through which the laser beam 2 is focused on the workpiece surface 7 to be machined.
  • the laser beam source 1 and the movements of the beam shaping element 3 and the optical deflecting element 4 are controlled by a control / regulating unit 8, which is in electrical or electronic connection with the elements mentioned.
  • the optical deflection element 4 can thus cause the laser beam 2 to move on the workpiece surface 7 in the xy direction, as shown enlarged in the right part of FIG. 1. At least one of the axes around which the movement takes place is parallel or collinear to the incident laser beam 2.
  • a translational movement of the beam-shaping element 3 along the axis indicated by arrows in FIG. 1 can position a focal plane or focal plane relative to the workpiece surface 7 can be changed so that an adjustment along a z-axis, which is also shown in the right part of FIG. 1, is made possible.
  • This axis along which typically a periodic movement of the beam shaping element 3 takes place, is tilted in the exemplary embodiment shown in FIG. 1 by 45 ° in each case with respect to the incident and the reflected laser beam 2, and is therefore parallel to a surface normal of the mirror.
  • the Beamformungsele element 3 is used in the illustrated embodiment, only an adjustment of the z-axis.
  • the control unit 8 can vary a laser power of the laser beam 2. This is usually done oscillating at a frequency between 1 Hz and 10 MHz.
  • the laser beam 2 is emitted by the laser beam source 1 but with a laser power of 5 kW to 20 kW.
  • control unit 8 controls the movement of the laser beam 2 on the workpiece surface 7 in at least one of the axes, ie the x-axis, the y-axis and / or the z-axis, with a frequency between 1 Hz and 100 kHz modulated oscillating.
  • the workpiece is fed parallel to the x-axis.
  • the feed direction can of course also be directed differently.
  • the laser beam 2 formed and focused with the aid of the beam shaping element 3 and the optical deflecting element 4 can be practically independent of one another in all three spatial directions in a frequency range dependent on a particular application with amplitudes between 0.01c / F to 2c / Z (where c / F the diameter of the beam waist (focal plane) of the oscillating beam and c / Z the characteristic dimension (i.e. length, width and / or depth of a processing zone).
  • an effective volume of the laser beam 2 is positioned in an oscillatory manner in terms of time and space in a manner adapted to the machining process, and thus the effective range is adapted to a special machining process, with the possible inclusion of additional parameters for process control, in order to distribute almost any three-dimensional, time-varying power density distribution along a machining contour and in interaction with time-varying boundary conditions of the process zone.
  • the beam power is typically modulated as a function of the current feed of the addressed component of the oscillation movement.
  • This oscillating movement of the effective volume of the laser beam 2 can be technically achieved by a mechanical, electromechanical or adaptive beam shaping element 3 and / or a mechanical, electromechanical, electrostatic or piezo-driven optical deflection element 4.
  • the oscillating movement in the machining direction x and transversely to the machining direction y either with the aid of two galvanometer-driven scanner mirrors or with the aid of a single mirror movable in two directions of rotation
  • the individual mirror can be a MEMS mirror (micro electro-mechanical system).
  • the beam shaping element 3 can be designed as an adaptive mirror, that is, as a further optical deflection element, which can change a surface shape from planar to convex and / or concave pneumatically, electrostatically, electromechanically or piezo-driven, and thus the beam profile and the beam path influenced.
  • polygon wheels for the beam deflection in the case of special preferred directions of a special process.
  • the oscillation movement in the z direction can take place, for example, by means of piezo-driven adaptive deflection mirrors.
  • two-dimensional beam shaping in the x and z direction or in the y and z direction is also permitted by zeroing the oscillation amplitude and / or frequency of the remaining directional component.
  • the x-z oscillation allows the angle of the cutting front to be adjusted and adjusted at any time during the cutting process. This enables optimum absorption ratios to be achieved, which can increase process efficiency.
  • the y-z oscillation allows the cutting gap width to be set in a range of O.Olö ⁇ b ⁇ 0.2 b (sheet thickness b) depending on the sheet thickness and can be changed at any time during the cutting process.
  • Adjust and change the cutting front with the simultaneous possibility of an adjustable or variable cutting gap width. This makes it possible to generate an optimal interaction surface for the oxidation reaction in the case of flame cutting. In the case of fusion cutting, the expulsion of the molten material in interaction with the cutting gas is improved for an optimal geometry of the cutting front. This reduces or prevents burr formation and reduces the roughness of the cut edges.
  • the xz oscillation allows a front angle of a laser reduced steam capillary and adjust at any time during the welding process. In this way, optimal absorption ratios can be achieved, which can increase process efficiency or achieve greater stability of the capillary.
  • the y-z oscillation allows a width of a weld seam to be adapted to technological requirements with regard to a connection width and seam strength and to be changed at any time during the welding process.
  • the oscillation in three spatial directions allows the geometry of the laser-induced vapor capillary to be shaped in a targeted manner and adapted during the process with adapted frequency and amplitude values.
  • the oscillation in three spatial directions allows the geometry of the weld pool to be set in a targeted manner and adapted during the process with adapted frequency and amplitude values. Relevant technological properties of the weld seam and its mechanical characteristics can be improved.
  • the described method or the described device can also be used for additive manufacturing.
  • FIG. 2 shows a schematic side view of the beam path of the device, in which the laser beam 2 first strikes a convex beam-shaping element 3, is reflected from there onto a concavely shaped deflection element 4 and from there passes through the focusing element 5 onto the workpiece surface 7 .
  • Recurring features are provided with identical reference numerals in this figure as well as in the following figure.
  • a relatively small beam width or a relatively small beam diameter d1 is formed, which can also be referred to as the beam waist diameter.
  • the beam width of the focused laser beam 2 can be oscillated in a frequency range from 1 Hz to 100 kHz in a certain size range, for example between a focus diameter of 100 miti to 200 miti.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Strahlformung und Strahlbewegung bei einer Lasermaterialbearbeitung mit einer Laserstrahlquelle (1) zum kontinuierlichen Emittieren eines Laserstrahls (2), einem ersten optischen Umlenkelement (3), einem zweiten optischen Umlenkelement (4) und einem zwischen dem zweiten optischen Umlenkelement (4) und einer zu bearbeitenden Werkstückoberfläche (7) angeordneten optischen Fokussierelement (5). Das zweite optische Umlenkelement (4) ist dazu ausgebildet, einen Auftreffpunkt des Laserstrahls (2) auf der Werkstückoberfläche (7) zu verschieben und das erste optische Umlenkelement (3) ist dazu ausgebildet, eine Lage einer Fokusebene des Laserstrahls (2) relativ zu der Werkstückoberfläche (7) durch eine translatorische Bewegung zu verändern und/oder eine Intensitätsverteilung innerhalb eines Strahlquerschnitts des Laserstrahls zu ändern.

Description

VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR STRAHLFORMUNG UND STRAHLMODULATION BEI EINER LASERMATERIALBEARBEITUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Strahlformung und zur Strahlmodulation bei einer Lasermaterialbearbeitung.
Verfahren zur Lasermaterialbearbeitung verlangen im Idealfall eine einem jeweiligen Prozess angepasste, dreidimensionale Verteilung einer Laserleis tungsdichte an einer Wirkstelle, um optimale Bearbeitungsergebnisse in Hin- blick auf Qualität und Prozesseffizienz zu erzielen. Bei konventionellen Prozes sen mit statischen Strahlgeometrien ist dies jedoch in der Regel nicht erfüllt.
Bisherige Ansätze zum Anpassen einer Leistungsdichteverteilung eines Laser strahls beruhen entweder auf statischen Ansätzen oder in Bezug auf eine Fle- xibilität von Anpassungsmöglichkeiten bislang nur beschränkt nutzbaren dy namischen Methoden. Aus der Druckschrift DE 10 2008 053 397 Al ist beispielsweise ein Verfahren bekannt, bei dem eine Anpassung einer Schnittgeometrie mittels Strahlfor mung durchgeführt wird. Nachteilig an diesen und ähnlichen Verfahren ist jedoch, dass hierdurch nur eine beschränkte Anpassung der Geometrie mög lich ist, die keine große Flexibilität zulässt.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrich tung und ein Verfahren vorzuschlagen, mit denen die genannten Nachteile vermieden werden, d. h. mit denen eine Lasermaterialbearbeitung mit mög lichst großer Flexibilität durchgeführt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung nach An spruch 1 und ein Verfahren nach dem nebengeordneten Anspruch. Vorteilhaf te Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Eine Vorrichtung zur Strahlformung und Strahlbewegung bei einer Lasermate rialbearbeitung weist eine Laserstrahlquelle zum kontinuierlichen Emittieren eines Laserstrahls, ein Strahlformungselement, ein optisches Umlenkelement und ein zwischen dem optischen Umlenkelement und einer zu bearbeitenden Werkstückoberfläche angeordnetes Fokussierelement auf. Das optische Um lenkelement ist dazu ausgebildet, einen Auftreffpunkt des Laserstrahls auf der Werkstückoberfläche zu verschieben. Das Strahlformungselement ist dazu ausgebildet, eine Lage einer Fokusebene des Laserstrahls relativ zu der Werk stückoberfläche durch eine translatorische Bewegung zu verändern, und bzw. oder dazu ausgebildet, eine Intensitätsverteilung bzw. laterale Energievertei lung innerhalb eines Strahlquerschnitts des Laserstrahls zu ändern.
Durch Verwenden des Strahlformungselements und des optischen Umlenk elements wird eine dreidimensionale Einstellung bzw. räumliche Positionie rung des fokussierten Laserstrahls bzw. der lateralen Energieverteilung inner halb des Strahlquerschnitts in Bezug auf das zu bearbeitende Werkstück er möglicht. Das Umlenkelement erlaubt es hierbei, ein Integral der Strahlinten sität und eine lokale Wechselwirkungszeit zu beeinflussen. Indem durch das optische Umlenkelement der auftreffende Laserstrahl derart umgelenkt wird, dass der Auftreffpunkt variiert werden kann, kann eine definierte zweidimen- sionale Energiedichteverteilung in Form beliebiger Lissajous-Figuren auf der Werkstückoberfläche erreicht werden. Durch eine einfache translatorische Relativbewegung des Strahlformungselements kann zusätzlich die Position der Fokusebene in Strahlausbreitungsrichtung verändert werden, so dass eine Energieverteilung in Form einer beliebigen dreidimensionalen Lissajous-Figur definiert werden kann. Eine erweiterte translatorische Relativbewegung des Strahlformungselements ermöglicht es weiterhin, die Intensitätsverteilung über den Strahlquerschnitt innerhalb der beliebigen dreidimensionalen Lissajous-Figur beliebig anzupassen. Typischerweise wird zum Einstellen der Fokusebene bzw. einer Eindringtiefe ausschließlich das Strahlformungsele ment translatorisch anwendungsbezogen positioniert, während alle anderen Komponenten der Vorrichtung ortsfest bzw. raumfest verbleiben. Durch Ver wenden einer "continuous wave", also cw-Laserstrahlquelle, wird eine durch gehende Materialbearbeitung erreicht.
Das optische Umlenkelement kann um zwei aufeinander senkrecht stehende Achsen rotierbar ausgebildet sein, um eine einfache Veränderung des Auf treffpunkts des Laserstrahls auf der Werkstückoberfläche zu erreichen.
Es kann vorgesehen sein, dass mindestens eine der Achsen, um die das opti sche Umlenkelement rotierbar ist, kollinear zu dem Laserstrahl ist. Hierdurch wird ein einfacher geometrischer Aufbau realisiert, der zu einer definierten Verstellbarkeit beiträgt.
Das optische Umlenkelement weist typischerweise ein oder zwei den Laser strahl reflektierende Elemente, vorzugsweise Spiegel, auf, um ein definiertes Abrastern zu ermöglichen. Jedes der den Laserstrahl reflektierenden Elemente kann hierbei um eine der beiden senkrecht aufeinander stehenden Achsen rotierbar sein. Alternativ oder zusätzlich kann jedes der den Laserstrahl reflek tierenden Elemente auch in mindestens zwei Raumrichtungen translatorisch bewegbar und bzw. oder verformbar ausgestaltet sein.
Das Strahlformungselement ist typischerweise linear entlang einer Achse be wegbar bzw. verformbar, wobei diese Achse gegenüber der optischen Achse des einfallenden Laserstrahls und der optischen Achse des umgelenkten La serstrahls verkippt ist. Vorzugsweise beträgt die Verkippung zwischen 35° und 55°, besonders vorzugsweise 45°. Durch diese Anordnung, die auch als "schnelle z-Achse" bezeichnet wird, kann die Lage der Fokusebene schnell und zuverlässig verändert werden. Typischerweise ist das Strahlformungselement, das in der Regel ebenfalls ein den Laserstrahl reflektierendes Element wie einen Spiegel aufweist, auch gegenüber der zu bearbeitenden Werkstückober fläche um den genannten Winkel verkippt.
Bei einem Verfahren zur Strahlformung und Strahlbewegung bei einer Laser materialbearbeitung wird von einer Laserstrahlquelle ein kontinuierlich emit tierter Laserstrahl über ein Strahlformungselement, ein optisches Umlenk element und ein zwischen dem optischen Umlenkelement und einer zu bear beitenden Werkstückoberfläche angeordnetes optisches Fokussierelement auf die Werkstückoberfläche gerichtet. Ein Auftreffpunkt des Laserstrahls auf der Werkstückoberfläche wird durch das optische Umlenkelement verscho ben und eine Lage einer Fokusebene des Laserstrahls relativ zu der Werk stückoberfläche wird durch eine translatorische Bewegung des Strahlfor mungselements verändert und bzw. oder es wird durch das Strahlformungs element, beispielsweise durch eine translatorische Bewegung eine Intensi tätsverteilung innerhalb des Strahlquerschnitts verändert.
Es kann vorgesehen sein, dass der Laserstrahl mit einer Laserleistung bis 20 kW, vorzugsweise bis 10 kW, besonders vorzugsweise bis 5 kW, von der Laserstrahlquelle emittiert wird
Das Strahlformungselement und bzw. oder das optische Umlenkelement wer den typischerweise durch eine Steuer-/Regelungseinheit in einem Frequenz bereich zwischen 1 Hz und 100 kHz oszillierend bewegt, um gewünschte drei dimensionale Lissajous-Figuren einzustellen. Die genannte Steuer- /Regelungseinheit kann generell für die Steuerung bzw. Regelung des be schriebenen Verfahrens bzw. der beschriebenen Vorrichtung eingerichtet sein.
Die Laserleistung kann durch die Steuer-/Regelungseinheit in einem Fre quenzbereich zwischen 1 Hz und 10 MHz moduliert werden, so dass zeitlich veränderliche Intensitätsdichten generierbar sind. Das beschriebene Verfahren ist typischerweise ein Laserschneidverfahren oder ein Laserschweißverfahren.
Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass ein Strahldurchmesser des Laserstrahls mit einer Frequenz zwischen 1 Hz und 100 kHz oszilliert wird, also periodisch vergrößert und verkleinert wird. Es kann auch vorgesehen sein, dass ein Strahltaillendurchmesser des Laserstrahls in einem Bereich zwi schen 0,5-dF und 2-dF eines festgelegten nominellen Strahltaillendurchmessers oszilliert wird. Der nominelle Strahltaillendurchmesser kann hierbei anwen dungsspezifisch festgelegt sein und insbesondere zwischen 100 pm und 200 pm liegen. Durch das periodische Vergrößern und Verkleinern des Strahl durchmessers können die Bearbeitungseigenschaften wie gewünscht einge stellt werden. Der Strahldurchmesser ist dabei typischerweise mit dem Strahl taillendurchmesser hinsichtlich seiner Größe an einem Laserstrahlquerschnitt minimalen Durchmessers identisch.
Das beschriebene Verfahren ist mit der beschriebenen Vorrichtung durch führbar, d. h. die beschriebene Vorrichtung ist zum Durchführen des be schriebenen Verfahrens ausgebildet.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen beschrieben und werden nachfolgend anhand der Figuren 1 bis 3 erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zur
Strahlformung;
Fig. 2 eine schematische seitliche Ansicht der Vorrichtung und
Fig. 3 eine Figur 2 entsprechende Ansicht einer alternativen Ausgestaltung des in Figur 2 gezeigten Strahlengangs.
Figur 1 zeigt in einer schematischen perspektivischen Ansicht eine Vorrichtung zur Strahlformung bzw. Strahlbewegung. Eine Laserstrahlquelle 1, im vorlie genden Fall eine cw-Laserstrahlquelle, also eine einen kontinuierlichen, nicht gepulsten Strahl emittierende Laserstrahlquelle, emittiert einen Laserstrahl 2, der sowohl im elektromagnetischen Wellenlängenbereich der sichtbaren Strahlung, infraroten Strahlung oder ultravioletten Strahlung emittiert werden kann. Der Laserstrahl 2 wird von einem beweglichen Spiegel als Strahlfor mungselement 3 im dargestellten Ausführungsbeispiel um 90° durch Reflexion umgelenkt in Richtung eines optischen Umlenkelements 4.
Das optische Umlenkelement 4 ist um zwei aufeinander senkrecht stehende Achsen drehbar und im dargestellten Ausführungsbeispiel ebenfalls ein Spie gel. In weiteren Ausführungsbeispielen kann das optische Umlenkelement 4 aber auch aus zwei Spiegeln aufgebaut sein. Das optische Umlenkelement 4 lenkt den Laserstrahl 2 in Richtung einer zu bearbeitenden Werkstückoberflä che 7. Zwischen der Werkstückoberfläche 7 und dem optischen Umlenkele ment 4 ist in einem Gehäuse 6 ein Fokussierelement 5, im gezeigten Ausfüh rungsbeispiel eine sphärische oder asphärische Linse, angeordnet, durch die der Laserstrahl 2 auf die zu bearbeitende Werkstückoberfläche 7 fokussiert wird.
Die Laserstrahlquelle 1 sowie die Bewegungen des Strahlformungselements 3 und des optischen Umlenkelements 4 werden durch eine Steuer-/Regelungs- einheit 8 kontrolliert, die hierzu mit den genannten Elementen in elektrischer bzw. elektronischer Verbindung steht. Durch das optische Umlenkelement 4 kann somit eine Bewegung des Laserstrahls 2 auf der Werkstückoberfläche 7 in x-y-Richtung erfolgen, wie vergrößert im rechten Teil von Figur 1 darge stellt. Mindestens eine der Achsen, um die die Bewegung stattfindet, ist hier bei parallel oder kollinear zu dem auftreffenden Laserstrahl 2. Durch eine translatorische Bewegung des Strahlformungselements 3 entlang der in Figur 1 durch Pfeile angedeuteten Achse kann eine Lage einer Fokusebene bzw. Brennpunktebene relativ zur Werkstückoberfläche 7 verändert werden, so dass eine Verstellung entlang einer z-Achse, die ebenfalls im rechten Teil von Figur 1 wiedergegeben ist, ermöglicht wird. Diese Achse, entlang der typi scherweise eine periodische Bewegung des Strahlformungselements 3 erfolgt, ist in dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel um jeweils 45° gegen über dem einfallenden und dem reflektierten Laserstrahl 2 verkippt, ist also parallel zu einer Oberflächennormalen des Spiegels. Das Strahlformungsele ment 3 dient in dem dargestellten Ausführungsbeispiel ausschließlich einer Einstellung der z-Achse. Um das mit der dargestellten Vorrichtung durchgeführte Verfahren, üblicher weise ein Laserstrahlschneidverfahren oder ein Laserstrahlschweißverfahren, flexibler zu gestalten, kann die Steuer-/Regelungseinheit 8 eine Laserleistung des Laserstrahls 2 variieren. Dies erfolgt in der Regel oszillierend mit einer Frequenz zwischen 1 Hz und 10 MHz. Typischerweise wird der Laserstrahl 2 von der Laserstrahlquelle 1 aber mit einer Laserleistung von 5 kW bis 20 kW emittiert. Ebenso kann vorgesehen sein, dass die Steuer-/Regelungseinheit 8 die Bewegung des Laserstrahls 2 auf der Werkstückoberfläche 7 in wenigstens einer der Achsen, also der x-Achse, der y-Achse und bzw. oder der z-Achse, mit einer Frequenz zwischen 1 Hz und 100 kHz oszillierend moduliert. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt ein Vorschub des Werkstücks paral lel zur x-Achse. In weiteren Ausführungsbeispielen kann die Vorschubrichtung natürlich auch anders gerichtet sein.
Somit kann der mit Hilfe des Strahlformungselements 3 und des optischen Umlenkelements 4 geformte und fokussierte Laserstrahl 2 praktisch unabhän gig voneinander in allen drei Raumrichtungen in einem von einer jeweiligen Anwendung abhängigen Frequenzbereich mit Amplituden zwischen 0,01c/F bis 2c/ Z (wobei c/F den Durchmesser der Strahltaille (Fokusebene) des oszillieren den Strahls und c/ Z die charakteristische Abmessung, also Länge, Breite und bzw. oder Tiefe einer Bearbeitungszone bezeichnet) bewegt werden. Hier durch wird ein Wirkvolumen des Laserstrahls 2 zeitlich und räumlich in einer dem Bearbeitungsprozess angepassten Weise oszillatorisch positioniert und somit der Wirkbereich bei einem möglichen Einbezug zusätzlicher Parameter zur Prozesskontrolle an einen speziellen Bearbeitungsprozess angepasst, um nahezu beliebige dreidimensionale, zeitlich veränderliche Leistungsdichtever teilungen entlang einer Bearbeitungskontur und in Wechselwirkung mit zeit lich variierenden Randbedingungen der Prozesszone einzustellen. Prinzipiell ist es auch möglich, eine Oszillationsamplitude einer Komponente in Abhän gigkeit eines aktuellen Vorschubvektors oder einer anderen Komponente durch die Steuer-/Regelungseinheit 8 in Echtzeit zu regeln.
Durch die alternativ oder zusätzlich erfolgende Modulation der Laserleistung können Variationen charakteristischer lokaler Wechselwirkungszeiten infolge zeitlich variierender Oszillationsgeschwindigkeiten ausgeglichen und eine wei- tere Prozessoptimierung erreicht werden. Die Strahlleistung wird hierbei typi scherweise in Abhängigkeit des aktuellen Vorschubs der jeweils adressierten Komponente der Oszillationsbewegung moduliert.
Diese oszillierende Bewegung des Wirkvolumens des Laserstrahls 2 kann technisch durch ein mechanisches, elektromechanisches oder adaptives Strahlformungselement 3 und bzw. oder ein mechanisches, elektromechani sches, elektrostatisches oder piezogetriebenes optisches Umlenkelement 4 erreicht werden. In einem Ausführungsbeispiel wird die oszillierende Bewe gung in Bearbeitungsrichtung x sowie quer zur Bearbeitungsrichtung y entwe der mit Hilfe zweier galvanometergetriebener Scannerspiegel oder mit Hilfe eines in zwei Drehrichtungen beweglichen Einzelspiegels, der
servoangetrieben oder piezoangetrieben ist, realisiert. Der Einzelspiegel kann hierbei ein MEMS-Spiegel sein (micro electro-mechanical System). Insbeson dere das Strahlformungselement 3 kann als adaptiver Spiegel, also als weite res optisches Umlenkelement, ausgestaltet sein, der pneumatisch, elektrosta tisch, elektromechanisch oder piezogetrieben eine Oberflächenform von planar zu konvex und bzw. oder konkav ändern kann und somit das Strahlpro fil und den Strahlengang beeinflusst.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist es möglich, im Falle spezieller Vor zugsrichtungen eines speziellen Prozesses Polygonräder für die Strahlauslen- kung einzusetzen. Die Oszillationsbewegung in z-Richtung kann beispielsweise mittels piezogetriebener adaptiver Umlenkspiegel erfolgen. Zudem ist auch eine jeweils zweidimensionale Strahlformung in x- und z-Richtung bzw. in y- und z-Richtung erlaubt, indem die Oszillationsamplitude und/oder -frequenz der verbleibenden Richtungskomponente genullt wird.
Infolge der Realisierung einer räumlich dreidimensionalen und zeitlich oszilla- torischen Positionierung des effektiven Wirkvolumens des Laserstrahls 2 wird es ermöglicht, die in den mit dem Laserstrahl 2 zu bearbeiteten Werkstücken ablaufenden Prozessmechanismen so zu beeinflussen, dass optimale Bearbei tungsergebnisse erreicht werden, oder dass Änderungen der einem Normal zustand entsprechenden Prozessabläufe infolge von Störprozessen und/oder geänderten Prozessrandbedingungen durch eine dynamische Anpassung der Oszillationsparameter kompensiert werden können. Hierbei ist es möglich, dass diese Anpassung automatisiert durch einen sen sorgesteuerten Regelmechanismus durch die Steuer-/Regeleinheit 8 erfolgt. Diese erweiterten Anpassungs- und Regelmöglichkeiten wirken sich vorteil haft auf die erzielbaren Bearbeitungsergebnisse im Anwendungsfeld der La sermaterialbearbeitung aus.
Beispielsweise werden für das Laserstrahlschneiden (Schmelz- und Brenn schneiden) folgende Vorteile erwartet:
1. Die x-z-Oszillation gestattet den Winkel der Schneidfront einzustellen und während des Schneidprozesses jederzeit anzupassen. Damit kön nen optimale Absorptionsverhältnisse erzielt werden, wodurch die Prozesseffizienz erhöht werden kann.
2. Die y-z-Oszillation gestattet die Schnittspaltbreite in einem blechdi ckenabhängig sinnvollen Bereich O.Olö < b < 0.2 b (Blechdicke b) einzu stellen und während des Schneidprozesses jederzeit zu verändern.
3. Mit Hilfe der y-z-Oszillation lassen sich parallele Schnittkanten einstel len.
4. Die Oszillation in drei Raumrichtungen gestattet den Winkel der
Schneidfront einzustellen und zu verändern bei der gleichzeitigen Möglichkeit einer einstellbaren bzw. veränderlichen Schnittspaltbreite. Dadurch ist es möglich, im Falle des Brennschneidens eine optimale Wechselwirkungsfläche für die Oxidationsreaktion zu generieren. Im Falle des Schmelzschneidens wird für eine optimale Geometrie der Schneidfront der Austrieb des geschmolzenen Werkstoffes in Wech selwirkung mit dem Schneidgas verbessert. Dadurch wird die Gratbil dung reduziert oder vermieden und die Rauheit der Schnittkanten vermindert.
5. Es ergeben sich vielfältige Steuermöglichkeiten für den Einstichprozess (Piercing)
Für das Laserstrahlschweißen werden folgende Vorteile erwartet:
1. Die x-z-Oszillation gestattet im Falle eines Tiefschweißprozesses bei angepassten Oszillationsamplituden einen Frontwinkel einer laserin- duzierten Dampfkapillare einzustellen und während des Schweißpro zesses jederzeit anzupassen. Damit können optimale Absorptionsver hältnisse erzielt werden wodurch die Prozesseffizienz erhöht werden kann, oder eine größere Stabilität der Kapillare erreicht wird.
2. Die y-z-Oszillation gestattet es, eine Breite einer Schweißnaht an tech nologische Forderungen bezüglich einer Anbindebreite und Nahtfes tigkeit anzupassen und während des Schweißprozesses jederzeit zu verändern.
3. Mit Hilfe von y-z-Oszillationen lassen sich im Falle von
Durchschweißungen parallele Schweißnahtflanken einstellen
4. Die Oszillation in drei Raumrichtungen gestattet es bei angepassten Frequenz- und Amplitudenwerten die Geometrie der laserinduzierten Dampfkapillare zielführend zu formen und während des Prozesses an zupassen.
Die Oszillation in drei Raumrichtungen gestattet es bei angepassten Frequenz- und Amplitudenwerten die Geometrie des Schmelzbades zielführend einzu stellen und während des Prozesses anzupassen. Damit können relevante technologische Eigenschaften der Schweißnaht sowie deren mechanische Kennwerte verbessert werden.
In weiteren Ausführungsbeispielen kann das beschriebene Verfahren bzw. die beschriebene Vorrichtung auch für eine additive Fertigung verwendet wer den.
Figur 2 zeigt in einer schematischen seitlichen Ansicht den Strahlengang der Vorrichtung, bei dem der Laserstrahl 2 zunächst auf ein konvexes Strahlfor mungselement 3 auftrifft, von dort reflektiert wird auf ein konkav ausgestalte tes Umlenkelement 4 und von diesem durch das Fokussierelement 5 auf die Werkstückoberfläche 7 gelangt. Wiederkehrende Merkmale sind in dieser Figur wie auch in der folgenden Figur mit identischen Bezugszeichen verse hen. Bei dem in Figur 2 gezeigten Strahlengang wird eine relativ geringe Strahlbreite bzw. ein relativ geringer Strahldurchmesser dl ausgebildet, der auch als Strahltaillendurchmesser bezeichnet werden kann. Die Strahlbreite des fokussierten Laserstrahls 2 kann in einem Frequenzbereich von 1 Hz bis 100 kHz in einem bestimmten Größenbereich oszilliert werden, beispielsweise zwischen einem Fokusdurchmesser von 100 miti bis 200 miti. Dies geschieht durch die Anordnung des Strahlformungselements 3 im Strahlengang und dessen in Figur 1 dargestellter Bewegung. In Figur 3 ist in einer Figur 2 entsprechenden Ansicht ein weiteres Ausfüh rungsbeispiel gezeigt, bei dem der das Strahlformungselement 3 nun konkav ist, während das Umlenkelement 4 konvex ausgestaltet ist. Somit ergibt sich ein breiterer Strahldurchmesser d2, der wie bei dem in Figur 2 wiedergegebe nen Ausführungsbeispiel hinsichtlich seiner Breite variiert werden kann.
Lediglich in den Ausführungsbeispielen offenbarte Merkmale der verschiede nen Ausführungsformen können miteinander kombiniert und einzeln bean sprucht werden.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Strahlformung und Strahlmodulation bei einer Laser materialbearbeitung mit einer Laserstrahlquelle (1) zum kontinuierlichen Emittieren eines La serstrahls (2), einem Strahlformungselement (3), einem optischen Umlenkelement (4) und einem zwischen dem optischen Umlenkelement (4) und einer zu bear beitenden Werkstückoberfläche (7) angeordneten optischen
Fokussierelement (5), wobei das optische Umlenkelement (4) ausgebildet ist, einen Auftreffpunkt des Laserstrahls (2) auf der Werkstückoberfläche (7) zu verschieben und das Strahlformungselement (3) ausgebildet ist, eine Lage einer Fokus ebene des Laserstrahls (2) relativ zu der Werkstückoberfläche (7) durch eine translatorische Bewegung zu verändern und/oder eine In tensitätsverteilung innerhalb eines Strahlquerschnitts des Laserstrahls (2) zu ändern.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das opti sche Umlenkelement (4) um zwei aufeinander senkrecht stehende Achsen rotierbar ausgebildet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindes tens eine der Achsen, um die das optische Umlenkelement (4) rotierbar ist, kollinear zu dem Laserstrahl (2) ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass das optische Umlenkelement (4) zwei den Laser strahl (2) reflektierende Elemente aufweist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass das Strahlformungselement (3) linear entlang einer Achse bewegbar und/oder verformbar ist, die gegenüber der opti schen Achse des einfallenden Laserstrahls (2) und des umgelenkten La serstrahls (2) verkippt ist, vorzugsweise um 35° bis 55°, besonders vor zugsweise um 45°.
6. Verfahren zur Strahlformung und Strahlmodulation bei einer Laserma terialbearbeitung, bei dem von einer Laserstrahlquelle (1) ein kontinuierlich emittierter Laser strahl (2) über ein Strahlformungselement (3), ein optisches Umlenkelement (4) und ein zwischen dem optischen Umlenkelement (4) und einer zu bearbei tenden Werkstückoberfläche (7) angeordnetes optisches
Fokussierelement (5) auf die Werkstückoberfläche (7) gerichtet wird, wobei ein Auftreffpunkt des Laserstrahls (2) auf der Werkstückoberfläche (7) durch das optische Umlenkelement (4) verschoben wird und eine Lage einer Fokusebene des Laserstrahls (2) relativ zu der Werk stückoberfläche (7) durch eine translatorische Bewegung des Strahl formungselements (3) und/oder eine Intensitätsverteilung innerhalb des Strahlquerschnitts verändert wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser strahl (2) mit einer Laserleistung bis 20 kW, vorzugsweise bis 10 kW, besonders vorzugsweise bis 5 kW von der Laserstrahlquelle (1) emit tiert wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlformungselement (3) und/oder das optische Umlenk element (4) durch eine Steuer-/Regelungseinheit (8) in einem Fre quenzbereich zwischen 1 Hz und 100 kHz oszillierend bewegt werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserleistung durch die Steuer-/Regelungseinheit (8) in einem Frequenzbereich zwischen 1 Hz und 10 MHz moduliert wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ein Laserschneidverfahren oder ein Laserschweiß verfahren ist.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeich net, dass ein Strahldurchmesser des Laserstrahls (2) mit einer Frequenz zwischen 1 Hz und 100 kHz oszilliert wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeich net, dass ein Strahltaillendurchmesser des Laserstrahls (2) in einem Be reich zwischen 0,5-dF und 2-dF eines festgelegten nominellen Strahltail lendurchmessers oszilliert wird.
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