WO2019048611A1 - Exchangeable focusing module - Google Patents

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WO2019048611A1
WO2019048611A1 PCT/EP2018/074134 EP2018074134W WO2019048611A1 WO 2019048611 A1 WO2019048611 A1 WO 2019048611A1 EP 2018074134 W EP2018074134 W EP 2018074134W WO 2019048611 A1 WO2019048611 A1 WO 2019048611A1
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module
focusing
machine
laser
optics
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PCT/EP2018/074134
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Udo STÜRMER
Andreas Abt
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Sauer Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a focusing module for a machine for machining workpieces and / or for the production of moldings by site-selective solidification of powder material to coherent areas by means of a laser beam.
  • the invention relates in particular to a focusing module for a machine for the production of shaped articles according to the principle of selective laser melting, selective laser sintering or laser deposition welding.
  • the focusing module according to the invention can also be used for example in a machine for laser welding, laser drilling, laser hardening or laser cutting.
  • the term laser machine tool or simply a machine is used below.
  • moldings such as machine parts, tools, prostheses, trinkets etc. can be made or machined according to geometry description data of the respective moldings, for example by layering from a metallic or ceramic material or from a plastic powder .
  • the material powder is heated by a focused laser beam in a predetermined area, which corresponds to a selected cross-sectional area of the model of the shaped body, so that the material powder is remelted in the irradiated areas to coherently solidified sections.
  • a protective gas can prevent oxidation during the build-up process.
  • After cooling, a layer of material is created, which can be processed mechanically.
  • European patent application EP 2 062 679 A1 discloses a machining head for a laser processing machine which has a stationary part in the form of a laterally open housing which encloses a space for a change module which can be separated as a whole from the stationary part of the machining head without the stationary part having to be dismantled into individual parts.
  • the interchangeable module comprises a focusing optics, which is movable coaxially to the laser beam, and a measuring device for determining the position of the focusing optics.
  • a laser machine tool is usually operated with a laser that provides a laser beam with an output power of several hundred to several thousand watts, which are usually operated in continuous operation ("continuous wave", CW)
  • continuous wave CW
  • the beam diameter of the collimated laser beam can be determined in particular by the focal length of a collimation optical system Aserstrahls, or the waist of a Gaussian laser beam can be adjusted by a suitable choice of Kollimationsoptik without changing the focal length of the focusing optics.
  • essentially two types of machines are known for processing workpieces and / or for producing shaped bodies by locally solidifying powdered material into contiguous areas by means of a laser beam, in particular by selective laser melting or selective laser sintering.
  • the types of machines differ, among other things, in terms of how the material is provided powder.
  • a powder bed is built up in layers.
  • the material powder is provided by means of a powder nozzle at the point of machining.
  • the present invention relates to machines in which the laser beam is provided by means of a laser processing head.
  • the mechanical structure for moving the laser processing head and / or the workpiece for example, as in a known five-axis machining center, wherein instead of a mechanical tool, the laser processing head is provided.
  • Machine tools have also been available on the market for some years now, which permit both laser machining and machining, for example with a milling tool.
  • the laser processing head may be attached to the tool take-up spindle.
  • the laser processing head may comprise a plurality of optical components for manipulating the laser beam, such as for collimating, focusing, positioning, monitoring, switching and / or modulating the laser beam and the power of the laser beam, respectively. It has proven to be advantageous to combine as many components as possible in a preassembled as an exchangeable component optical module, which can be releasably secured by suitable means on the machine, in particular on a control axis of the machine. As a result, the maintenance of a laser machine tool can be simplified and accelerated, so that the machine can be used more efficiently, since an idle time of the machine can be shortened.
  • the focusing module is usually attached to the laser processing head or the optical module. Summary
  • the present invention has for its object to provide a focusing module that can be replaced quickly and easily automatically.
  • the object is achieved by a focusing module with a substantially cylindrical carrier housing, in which a focusing optics is arranged.
  • the focusing module has fastening means for releasably securing the focusing module to a laser processing head of the machine.
  • the focusing module with the focusing optics can be changed automatically during a machining process, so that the diameter of the laser beam at the operating point and correspondingly the intensity of the laser beam at the operating point during the machining process are automatically adjustable.
  • the operating point of the laser beam generally corresponds to the focal point of the laser beam focused by the focusing optics.
  • the focusing optics may comprise at least one focusing lens.
  • the focusing optics may also include a plurality of lenses. In a focusing lens with a combination of multiple lenses aberrations, for example due to spherical aberration and / or astigmatism, can be compensated.
  • the laser processing head has a detachably mountable optical module in or on which optical components for collimating and focusing the laser beam can be arranged or fastened.
  • the focusing module can be fastened to the optical module.
  • a collimating optics arranged in the optics module serves for collimating a laser beam divergently coupled into the optics module.
  • the laser beam can be coupled into the optical module by means of an optical fiber.
  • the optical module can accordingly have means for connecting an optical fiber, in particular a fiber coupler. Since an optical fiber can transport laser light over many meters, it is possible to place the laser in a protected location away from the process chamber. The distance between the collimating optics and the end of the optical fiber is approximately equal to the focal length of the collimating optics.
  • the collimated laser beam can be focused by the focusing module attached to the optics module with a focusing optics to a focal point. The laser beam thus leaves the optics module as a focused beam.
  • optical components of laser machine tools can be subject to increased wear due to the relatively high laser powers.
  • the material powder can contribute to the contamination of optical components. Dirt particles deposited on an optical component can, especially at high laser powers, lead to a high heat effect on the optical component and thus to its damage. Therefore, it is desirable if optical components are quickly and easily damaged or contaminated W can be easily exchanged.
  • this is achieved by the fact that the entire optical module can be detachably fastened as a preassembled subassembly to a positioning axis and is therefore easily replaceable.
  • interchangeable optical components allow a quick change without removing the entire optical module.
  • the collimation optics changer allows a fast automatic change of the collimating optics, without the need to replace the entire collimation changer or the optics module.
  • the optical components arranged in or on the optical module can each be detachably fastened in or on the housing of the optical module.
  • an automatic change of the optical components can be brought back into an operable state by exchanging individual optical components.
  • the collimator changer can be detachably arranged as an exchangeable module in the housing of the optical module and thus exchanged during maintenance of the optical module.
  • the focusing module can preferably be connected via at least two clamping bolts with a laser processing head of the machine, in particular with an optical module.
  • the optical module or the laser processing head can each have corresponding receptacles for the clamping bolts.
  • the recordings can be designed in particular as electromagnetically, hydraulically or pneumatically actuated or tensioned by a spring clamping mechanisms.
  • an automatic change of the focusing optics can take place. This can then be replaced fully automatically similar to a tool of a machining center during the manufacturing or machining process.
  • the beam diameter of the laser beam in the focus can be set within a wide range, depending on the requirements.
  • the clamping bolts allow a fast and secure fastening of the focusing module to the optical module. Furthermore, the clamping bolts ensure that the focusing module can be attached to the optical module with a high positional accuracy.
  • the focusing module preferably comprises a substantially cylindrical carrier housing with a circular cross-section, for example made of a metal or a metal alloy W 201 is manufactured.
  • the carrier housing the focusing optics is arranged.
  • the focusing optics can be releasably secured in the carrier housing of the focusing module, so that replacement of the focusing optics is possible.
  • the carrier housing may have an internal thread. By means of suitable rings with an external thread, the focusing optics and / or at least one protective glass can be secured in the carrier housing.
  • the focal length of the focusing optics may be, for example, a few hundred millimeters, in particular 100 mm, 200 mm or 300 mm or any focal length between 100 mm and 500 mm.
  • the focusing optics can be a conventional converging lens or a combination of several lenses.
  • the focusing module preferably has means for measuring the temperature of the focusing optics. It is further preferred that the focusing module has means for cooling the focusing optics.
  • the focusing optics is preferably positioned as a function of their focal length in the axial direction in the carrier housing. In this way it can be achieved that the distance of the focal point from the laser processing head is always the same regardless of the focusing optics used. This has the advantage that the laser processing head can always be guided at the same distance from the workpiece to be machined. Thus, the machine control does not have to perform pitch correction after changing the focusing optical focal length.
  • the focusing module may have at least one protective glass for protecting the focusing optics from contamination.
  • the protective glass can also protect the focusing optics from mechanical influences.
  • the protective glass is preferably detachably fastened in the carrier housing of the focusing module. If dirty, the protective glass can be replaced.
  • a protective glass is arranged on both sides of the focusing optics in the axial direction in the carrier housing of the focusing module, so that the focusing optics are protected from contamination and mechanical action from both sides.
  • the focusing module may comprise means for measuring the temperature of the at least one protective glass and / or the focusing optics.
  • contamination of a protective glass or the focusing optics can be detected, for example, by a rise in temperature.
  • at least one thermocouple can be used as means for measuring the temperature.
  • the focusing module can have at least one interface.
  • the interface can preferably be connected to a corresponding interface on the laser processing head, or on the optical module.
  • the interfaces are preferably designed to automatically engage in mounting the focusing module connect with each other.
  • a simple electrical contact or a plug contact can be used as an interface.
  • the beam path through the optical module is preferably sealed gas-tight, so that a sealing gas atmosphere can be maintained.
  • a sealing gas atmosphere can be maintained.
  • inert gases such as nitrogen or argon can be used as the sealing gas.
  • the sealing gas is free of particles that can pollute the optical components.
  • the entire housing of the optical module is sealed gas-tight.
  • the optical module preferably has corresponding gas supply lines and / or means for connecting feeders.
  • the housing can also be constructed in such a way that it is possible to build up a slight overpressure in the housing by supplying the barrier gas so that it is possible to prevent particles of dust or material from getting inside the optics module.
  • Figure 1 a machine tool with an optical module for manufacturing or editing
  • Shaped body or workpiece by means of laser radiation.
  • FIG. 2 shows a perspective sectional view of an embodiment of a
  • FIG. 3 shows a further perspective sectional view of that shown in FIG.
  • Embodiment of the optical module Embodiment of the optical module.
  • FIG. 4 shows a perspective view of an embodiment of a machine tool for producing or processing a shaped body or workpiece by means of laser radiation.
  • Figure 5 a perspective view of a tool changer for a machine tool for producing or processing a shaped body or workpiece by means of Laserstrah ment.
  • Figure 6 (A) is a partially cutaway perspective view and (B) is a perspective view
  • Figure 7 is an illustration of the principle of action of laser deposition welding.
  • Figure 8 (A) is a perspective view of a replaceable according to the invention
  • Focusing module, (B) and (C) are each sectional views of the interchangeable Fakussiermoduls with different focal lengths of the focusing optics.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a machine 1 for processing a workpiece 30 and / or for producing a shaped body 30 by locally selective solidification of material powder to coherent areas by means of laser radiation.
  • the machine 1 has a machine frame 21 on which on the one hand a workpiece table 20 and on the other hand an optical module 2 are attached indirectly via adjusting axles 18, 19 on the one hand.
  • the adjusting axles 18, 19 may each have a plurality of translatory (X, Y, Z) or rotary ( ⁇ , ⁇ , ⁇ ) axes, which are adjustable in accordance with a machine control.
  • the design can be, for example, such that the optical module 2 is fastened to the machine frame 21 via one, two or three translatory adjusting axes 18 (X and / or Y and / or Z), while the workpiece table 20 is mounted via one, two or three rotary adjusting axes 19 is attached to the machine frame 21.
  • a laser machine tool 1 generally has a closed cabin (not shown) in which, for example, a protective gas atmosphere can be built up, and which shields the working space from contamination.
  • a workpiece 30 can be releasably secured for editing.
  • a shaped body 30 can be built up in layers on the workpiece table 20 by site-selective solidification of material powder.
  • the machine 1 may, for example, be a five-axis laser machine tool for producing shaped bodies by means of site-selective solidification of material powder to coherent areas by means of laser radiation.
  • the optical module 2 is in this case releasably attached to the adjusting axles 18, so that it can be quickly and easily replaced if necessary, for example, for maintenance.
  • the optical module 2 is fastened to the machine frame 21 via three translatory adjusting axes 18 (X, Y and Z) and the workpiece table 20 is arranged on the machine frame via two axes of rotation.
  • An exemplary representation of a five-axis laser machine tool 1 for the production of shaped bodies by means of laser beam radiation which selectively fixes material powder to coherent areas is shown in perspective in FIG. 4.
  • the illustrated embodiment essentially corresponds to the machine 1 shown schematically in FIG. 1.
  • the workpiece table 20 and the optical module 2 are arranged in a process chamber 22 which can be closed substantially by a process chamber door 23.
  • An outside of the process chamber 22 arranged display 24 serves as an interface between the user and machine control.
  • the machine tool 1 comprises a tool changer 25, which can be moved laterally into the process chamber 22 by means of adjusting axles 25a, 25b.
  • a detailed view of the tool changer 25 is shown in FIG.
  • the tool changer 25 shown in FIG. 5 has three storage positions for powder nozzles 15 with different axial lengths.
  • the tool changer 25 further has a storage surface for at least two focusing modules 13 with focusing optics 14 of different focal lengths.
  • the focusing modules 13 and the powder nozzles 15 can be moved into the process chamber 22, so that they can be attached to the optical module 2.
  • the tool changer 25 can be moved by means of the adjusting axes 25a, 25b into a tool chamber which can be separated from the process chamber 22 by means of a displaceable dividing wall.
  • the focusing modules 13 and the powder nozzles 15 are present Contamination, for example, by Werkst off powder or protected by welding fume when processing of the workpiece in the process chamber 22 is performed.
  • an optical module 2 is shown, which is detachably mounted on a control axis 18.
  • the adjusting axis 18 is, for example, a translational axis which can be moved in the Z direction and which can be arranged on two further translation axes which can be moved in the X and Y directions, so that the optical module 2 can be moved in all three spatial directions.
  • the optical module 2 is in particular mounted on the adjusting axis 18 in such a way that the laser beam exits the optical module 2 vertically downwards (parallel to the direction of gravity or in the Z direction).
  • the optical module 2 has a housing 8, in which a plurality of optical components is arranged.
  • the housing 8 serves on the one hand as a mechanical platform for arranging the optical components and for protecting the optical components against mechanical influences.
  • a sealing gas atmosphere can be established. For example, overpressure can prevent particles and dirt from entering the housing.
  • a fiber coupler 10 is arranged, via which a laser beam from an optical fiber can be coupled.
  • an optical fiber By using an optical fiber, laser light from a laser beam source can be reliably guided to the optical module 2.
  • the flexible optical fiber allows the optics module 2, and thus the laser beam to move without having to move the laser beam source itself. Further, an optical fiber can provide a laser beam with a particularly uniform beam profile.
  • a high-power solid-state laser can be used. These include, for example, doped YAG lasers.
  • a Ytterbium-doped YAG disc laser with a wavelength of 1030 nm can serve as a laser beam source.
  • a fiber-guided diode laser with a wavelength of 1020 nm may be used as the beam source.
  • Diode lasers can provide laser beams with a power of several watts up to several thousand watts. Thus, sufficient laser power can be provided for various machining and manufacturing processes.
  • the collimating optical changer 3 is arranged in the housing 8 of the optical module 2.
  • a collimating optics 4 with a first focal length of, for example, 80 mm is arranged in such a collimating optical changer 3, that from the Fiber emerging laser beam is collimated to a diameter of about 36 mm.
  • the ollimationsoptikwechsler 3 may have further collimating optics 4 with focal lengths of, for example, 50 mm, 60 mm and / or 100 mm or more. This can be used to provide collimated laser beams with diameters between approx. 10 mm and 100 mm.
  • collimating optics 4 for example, suitable types of converging lenses may be used.
  • a collimating optic 4 may consist of a single lens or comprise a plurality of lenses. Material, coating and other lens properties can be selected depending on the laser wavelength and laser power used.
  • the collimated laser beam is directed by two arranged in the optical module 2 deflecting mirrors 6, 7 on a focusing optics 14, which focuses the laser beam.
  • the position or the orientation of the two deflecting mirrors 6, 7 is preferably adjustable independently of each other, so that an adjustment of the beam path of the laser beam can be made automatically or manually.
  • the correct adjustment of the laser beam can be monitored by the camera 9, for example.
  • the deflecting mirrors 6, 7 can be controlled by the machine control.
  • the deflecting mirrors 6, 7 can each be arranged on adjustable holders, which can each be controlled by means of control signals via the machine control.
  • the optics module 2 may have suitable interfaces for releasably connecting signal lines for the machine control.
  • the focal length of the focusing optics 14 may for example be between 50 mm and 500 mm. Preferably, the focal length of the focusing optics 14 is 200 mm or 300 mm.
  • the focusing optics 14 is arranged in an automatically exchangeable focusing module 13, which can be fastened to the optics module 2 via a fastening mechanism 11, 16. Thus, by changing the focus module 13 and the focal length of the focusing optics 14 can be changed fully automatically.
  • Table 1 Seven exemplary combinations of focal lengths of the collimating optics 4 and the focusing optics 14 are shown in Table 1 below. Table 1 lists by way of example also resulting values of the diameter of the collimated laser beam and the focused laser beam for a fiber core diameter of 600 ⁇ on.
  • smaller structures can be produced with a smaller beam diameter at the focal point of the laser beam.
  • a smaller beam diameter at the focal point can be achieved with the same focal length of the focusing optics by a larger beam diameter of the collimated laser beam in front of the focusing optics.
  • a larger beam diameter of the collimated laser beam has the advantage that the optical elements in the optical module 2 are exposed to a lower laser intensity are. Thus, the optical elements are less likely to be damaged because, for example, they are less heated.
  • Table 1 Seven exemplary combinations of collimating optics focal length
  • FIGS. 8A to C An exemplary embodiment of the focusing module 13 is shown in FIGS. 8A to C.
  • 8A shows a perspective view of a focusing module 13 with a substantially cylindrical carrier housing, which is preferably made of a metal with the smallest possible thermal expansion coefficient.
  • Fig. 8B shows a focusing module 13 having a focusing optics 14 having a focal length of 200 mm
  • Fig. 8C a focusing module 13 having a focusing optics 14 having a focal length of 300 mm.
  • the focusing optics 14 of the different focal lengths are arranged in the different focusing modules 13 so that the resulting focal point of the laser is always in the same location.
  • the fastening means 16 are arranged at an upper edge of the focusing module 13 .
  • the fastening means 16 also serve to ensure the highest possible positioning accuracy of less than 1 mm. This is particularly important for the precise beam guidance of the laser beam through the powder nozzle and to the correct Arbeltsdazzling. If deviations nevertheless occur, this can be detected by the camera 9 and corrected by the deflecting mirrors 6, 7.
  • the focusing module 13 has at least one protective glass 14a for protecting the focusing optical system 14 from dirt or damage.
  • the temperature of the at least one protective glass 14a can each be monitored by a sensor 13a.
  • a sensor 13a for example, a temperature-dependent resistor (NTC resistor) or a thermocouple can be used.
  • the thermocouple may in particular be a wire made of a platinum alloy.
  • the temperature of other optical components in the optical module 2, in particular the collimating optics 4, the protective glasses of the collimating optics 4, the deflection mirror 6, 7 and / or the focusing optics 14 can be monitored.
  • An analog measuring signal generated by the temperature sensor 14a is forwarded via interfaces 13b to the focusing module 13 on signal lines in the optical module 2. From there, the measurement signal is output to a machine control and converted into a temperature value, so that the temperature of an optical component of the optical module 2 can be output in degrees Celsius.
  • the measured temperature values can be displayed on the display 24, for example.
  • a threshold value of the temperature can be stored for each optical component. If the measured temperature of an optical component exceeds the stored threshold, then a warning signal can be generated.
  • the warning signal can be output as a warning to a user, for example. The warning can be visualized, for example, on the display 24 or by means of a warning light. Additionally or alternatively, a shutdown of the laser can be made to avoid damage to the optical component.
  • the interfaces 13b may also serve to signal the machine controller to successfully attach a focus module 13. Accordingly, the machine control can detect that the focusing module 13 has been successfully released and stored when a signal transmitted via the interfaces 13b is interrupted.
  • An exchangeable powder nozzle 15 can be fastened under the focusing module 13 which can be attached to the optical module 2.
  • An exemplary embodiment of the powder nozzle 15 is shown in FIGS. 6A and 6B.
  • the powder nozzle 15, like the focusing module 13, has fastening means 16 which can be fastened to the optical module 2 by means of appropriate receptacles 12.
  • a fastening means 16 for example, a plurality of clamping bolts may be arranged on the powder nozzle 15. Such clamping bolts are similarly used for mounting tools in conventional machine tools.
  • the receptacles 12 on the optical module 2 can clamp these clamping bolts for fastening the powder nozzle 15 via a hydraulic, pneumatic, electromagnetic or tensioned by a spring mechanism so that the powder nozzle 15 is releasably secured to the optical module 2, wherein within a predetermined tolerance always the same position Pulverdüse 15 can be achieved.
  • the powder nozzle 15 shown in FIGS. 2 and 6 has at the upper end facing the optical module 2 a flange 15a on which the fastening means 16, for example two clamping bolts, are arranged. On the flange 15 a, a substantially cylindrical central portion of the powder nozzle 15 is arranged. At the lower end of the central portion, a substantially conical powder nozzle tip 15b is arranged.
  • the central portion of the powder nozzle 15 can serve together with the flange 15a advantageously as a carrier with supplies for coolant and Werkst off powder to which the powder nozzle tip 15 b can be releasably attached.
  • a change of the powder nozzle tip 15b can be made possible.
  • the connections 15f for the coolant can be designed, for example, as quick-release couplings, which automatically connect with corresponding lines on the optical module 2 when the powder nozzle 15 on the optical module 2 is fastened.
  • the inlets 15g for the material powder may be formed as simple openings, which have a sealing ring. When attaching the powder nozzle 15 on the optical module 2, the inlets are pressed with the sealing rings to corresponding outlets on the optical module such that a gas-tight connection is formed.
  • the inlets 15g for material powder are respectively in flow communication with channels 15d for the material powder passing through the powder nozzle 15 to the tip 15b of the powder nozzle 15.
  • an annular gap 15c is formed whose gap width can taper in the flow direction in order to achieve a nozzle effect.
  • the transition between material powder channels 15d and annular gap 15c is shaped such that a circumferentially uniform distribution of the material powder is produced.
  • a plurality of holes may be provided in a transition from the material powder channels 15d to the annular gap 15c. The holes can cause a uniform distribution of the material powder P in the annular gap 15c.
  • the flow of material powder P may be in the form of a cone coaxial with the focal point of the laser beam, as indicated by the illustration of FIG.
  • the powder nozzle tip 15b may be detachably attached to the powder nozzle 15 so that it may be exchanged by heat, for example, when damaged or deformed.
  • the powder nozzle tip 15b can also be made of a different, more heat-resistant and / or harder material than the rest of the powder nozzle 15.
  • Different sized powder nozzle tips 15b may be used for different laser beam diameters, for example.
  • differently dimensioned annular gaps 15c with different opening widths can be formed in exchangeable powder nozzle tips 15b. Accordingly, different powder nozzles 15 with different dimensioned powder nozzle tips 15 b are kept in the machine 1, so that if necessary, the entire powder nozzle 15 can be replaced.
  • the diameter of the lower opening of the powder nozzle tip 15b facing the workpiece may be, for example, 1 mm, 2 mm, 3 mm, 4 mm or 5 to 8 mm.
  • the replacement of the powder nozzle tips 15b is preferably carried out manually, while the change of the entire powder nozzle 15 as described below can be carried out fully automatically.
  • the powder nozzle 15 has at least two couplings 15f for coolant, which are preferably designed as quick couplings.
  • a coupling 15f serves as a connection for the flow of the coolant from the optical module 2, the other coupling 15f serves as a connection for the return of the coolant to the optical module 2.
  • the connections 15f for coolant are in fluid communication with coolant channels 15e in the powder nozzle 15, which in the partial cut view of Fig. 6A are illustrated.
  • the coolant channels 15e may, for example, be arranged annularly, helically or helically around the laser beam opening in order to ensure uniform cooling of the powder nozzle 15.
  • a substantially cylindrical recess for the focusing module 13 is formed inside the flange 15a.
  • the focusing module 13 and the powder nozzle 15 are attached to the optical module 2, the lower end of the focusing module 13 is located within the recess in the powder nozzle 15.
  • the focusing module 13 and the powder nozzle 15 are arranged coaxially with one another and with the laser beam on the optical module 2.
  • the powder nozzle 15 has a very complex shape due to the plurality of channels for coolant 15e and channels for material powder 15d, and with their axial opening tapering in the axial direction to the laser focal point.
  • a complex shape can be produced, for example, by a laser deposition welding method in a machine 1 according to the invention.
  • the substantially cylindrical central portion of the powder nozzle 15 can be constructed with the thinnest possible wall thickness.
  • the wall may be reinforced by fins 151.
  • the transition between flange 15a and middle portion of the powder nozzle 15 can be fabricated to save material, for example by using a honeycomb structure 15w as shown in Fig. 6B, which provides high mechanical strength with low material consumption.
  • the flange 15a and the middle portion of the powder nozzle 15 may be made of aluminum or steel, for example.
  • the diameter of the flange 15a may be about 150 mm to 170 mm, preferably 160 mm.
  • the entire length of the powder nozzle 15th may be about 125 mm to 145 mm, preferably 135 mm.
  • focusing optics 14 with shorter focal lengths and correspondingly shorter powder nozzles can be used with less than 125 mm, for example, 100 mm to 90 mm in length. If focusing optics 14 with longer focal lengths are used, correspondingly longer powder nozzles with more than 145 mm, for example 150 mm to 200 mm or even 300 mm in length, can also be used.
  • the diameter of the central portion of the powder nozzle may be about 60 mm to 70 mm, preferably 65 to 67 mm.
  • the powder nozzle 15 can also be made more compact in order to reduce the risk of collisions with the workpiece 30.
  • the replacement of the powder nozzle 15 can be carried out, for example, as described below.
  • the partition between the process chamber 22 and the laterally disposed tool chamber is pushed.
  • the adjusting axles 18 move the optical module 2 to the position at which the tool changer 25 with the plurality of powder nozzles 15 is located.
  • a storage position of the tool changer 25 must be free.
  • the fastening means 16 of the powder nozzle 15 are released, so that the powder nozzle 15 is released from the optical module 2 and can be stored at a free storage position of the tool changer 25.
  • the optical module 2 is moved to another position of the tool changer 25, at which a further powder nozzle 15, which has a larger or smaller dimension in the axial direction, is located.
  • the optical module 2 is then moved by means of the adjusting axes 18, so that the fastening means 16 of the further powder nozzle 15 engage in the receptacles 12 on the optical module 2.
  • the powder nozzle 15 can be attached to the optical module 2 and removed from the tool changer 25.
  • the automatic change of the powder nozzle 15 can take place in particular when the focal length of the laser beam is changed by a change of the focusing optics 14. Since the powder nozzle 15 is to guide the material powder to the location of the focal point of the laser beam, the axial length of the powder nozzle 15 must be selected according to the focal length of the laser beam. As listed in Table 1, the focal length of the focusing optics 14 may be, for example, 200 mm or 300 mm. Accordingly, in the tool changer 25 of the machine 1 corresponding powder nozzles 15 can be kept, the material powder to an example 200 mm or 300 mm away from the focusing optics 14 focus.
  • a material powder at the operating point of the machine 1, ie in the immediate vicinity of the focal point of the laser beam, can be provided.
  • the powder nozzle 15 on a channel or more channels over which the material is passed ulver.
  • the powder nozzle 15 or the optical module 2 each have suitable interfaces.
  • the powder nozzle 15 has a cooling channel or a plurality of cooling channels, in which a fluid coolant, in particular water, for circulating the powder nozzle 15 can circulate.
  • the optical module 2 has corresponding lines for supplying and discharging the coolant as well as interfaces for connecting the lines to the cooling channels of the powder nozzle 15.
  • the powder nozzle 15 can conduct a protective gas to the operating point of the machine 1, so that unwanted reactions can be largely suppressed when the material powder melts in the focal point of the laser beam.
  • the protective gas serves in particular to displace oxygen from the air.
  • inert gases such as argon can be used as protective gas.
  • the optical module 2 corresponding lines.
  • the protective gas can also be supplied together with the material powder as a carrier gas.
  • the inert gas serves on the one hand to prevent a reaction with atmospheric oxygen and on the other hand to convey the material powder.
  • the cooling lines of the optical module 2 with the cooling channels of the powder nozzle 15 are automatically connected or disconnected via the corresponding interfaces. Accordingly, the lines for material powder in the optical module 2 with the material powder channels in the powder nozzle 15 are automatically connected or separated via the corresponding interfaces.
  • the corresponding interfaces for the lines and channels can be designed to be releasable and, for example, each be controlled via a hydraulic or pneumatic.
  • An automatic change of the focusing module 13 can be done in a similar manner as the automatic change of the powder nozzle 15. In this case, the upper part of the tool changer 25 is moved by means of the control axis 25a with the focusing modules 13 in the process chamber 22.
  • a powder nozzle 15 attached to the optical module 2 must first be released. This is done as described above by the powder nozzle 15 is deposited at a free storage position of the tool changer 25.
  • the adjusting axes 18 then move the optical module 2 to a position at which the tool changer 25 is located with the plurality of focusing modules 13.
  • the focusing module 13 fastened to the optical module 2 can be released by opening the receptacles 11 on the optical module 2, so that the focusing module 13 detached from the optical module 2 and can be stored at a free storage position of the tool changer 25.
  • another focusing module 13 can be attached to the optical module 2.
  • the optical module 2 is moved such that the fastening means 16 of the focusing module 13 engage in the receptacles 11 on the optical module 2.
  • the receptacles 11 on the optical module 2 can now clamp the fastening means 16, for example via a hydraulic, pneumatic or tensioned by a spring mechanism to attach the focusing module 13 to the optical module 2.
  • the tool changer 25 can be moved back into the detachable tool chamber and the processing of the workpiece can be started or continued.
  • the required travel paths of the adjusting axles 18, 25a, 25b can be stored in a memory of the machine control, so that the changing of the focusing module 13 or the powder nozzle 15 can be carried out fully automatically.
  • the change of the focusing module 13 or the powder nozzle 15 can thus also be integrated into a machining process.
  • a suitable diameter of the laser beam is selected at the focal point. The smaller the diameter of the laser beam at the focal point, the smaller the structures can be made.
  • the diameter of the laser beam determines the focal length of the focusing optics 14 and of the collimation optics 3, as shown in Table 1.
  • a suitable combination of collimating optics 4 and focusing optics 14 can be selected for each machining operation.
  • a suitable powder nozzle 15 is again selected and attached to the optics module 2.
  • the opening of the powder nozzle tip 15b must be large enough so that the laser beam L can pass unhindered.
  • the opening of the powder nozzle tip 15b should be small enough to cause a favorable and uniform flow of the material powder P through the annular gap 15c to the focal point of the laser beam L.
  • a suitable collimating optical system 4 is adjusted on the collimating optical changer 3 and a suitable focusing module 13 and a corresponding powder nozzle 15 are fastened to the optical module 2 in accordance with the selected structure size.
  • the first deflecting mirror 6 has means for cooling and monitoring the temperature of the mirror 6.
  • the second deflecting mirror 7 is a dichroic mirror, which also has means for cooling and monitoring the temperature of the mirror 7.
  • the dichroic mirror 7 is reflective.
  • the dichroic mirror may be permeable.
  • Behind the dichroic mirror 7, a camera 9 may be arranged to monitor the manufacturing process. The camera 9 is viewed along the laser beam through the dichroic mirror and through the focusing optics 14 to the focal point of the laser beam arranged. Thus, with the camera 9, the operating point on the workpiece or the molded article to be manufactured can be monitored.
  • the optical module 2 has interfaces for receiving control signals from a machine controller.
  • the control signals can, for example, cause the collimating optical changer 3 to perform a collimation optical change.
  • the measured temperatures of the collimating optics 4, the deflection mirrors 6, 7 or the other optical components can be transmitted to the machine control via the interfaces.
  • FIG. 7 shows the tip 30 of a powder nozzle 15 in the vicinity of a workpiece W to be machined.
  • a focused laser beam L is coaxial with the powder nozzle 15 and is focused on an operating point on the workpiece W.
  • the material powder P is passed coaxially to the laser beam L through the powder nozzle 15 to the focal point of the laser beam L on the workpiece W.
  • a protective or carrier gas G also flows through the powder nozzle 15 and thereby transports the material powder P.
  • the inert gas G such as argon, also serves to prevent unwanted reactions of the heated material powder P or the workpiece W with atmospheric oxygen.
  • thermocouple 13a thermocouple 13 b Interface of the thermocouple

Abstract

The present invention relates to a focusing module (13) for a machine (1) for machining workpieces and/or for producing shaped articles by location-selective solidification of material powder to form contiguous regions by means of a laser beam. The focusing module (13) comprises a substantially cylindrical carrier housing and focusing optics (14). According to the invention the focusing module (13) comprises fastening means (16) for releasably fastening the focusing module (13) to a laser machining head (2) of the machine (1).

Description

Austauschbares Fokussiermodul  Replaceable focusing module
Beschreibung  description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fokussiermodul für eine Maschine zum Bearbeiten von Werkstücken und/oder zum Herstellen von Formkörpern durch ortsselektives Verfestigen von Werkstoff pulver zu zusammenhängenden Bereichen mittels eines Laserstrahls. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf ein Fokussiermodul für eine Maschine zum Herstellen von Formkörpern nach dem Prinzip des selektiven Laserschmelzens, des selektiven Lasersinterns oder des Laserauftragsschweißens. Darüber hinaus kann das erfindungsgemäße Fokussiermodul beispielsweise auch in einer Maschine zum Laserschweißen, Laserbohren, Laserhärten oder Laserschneiden verwendet werden. Zusammenfassend für die verschiedenen Arten von Maschinen zum Bearbeiten/Fertigen/Herstellen eines Werkstücks beziehungsweise eines Formkörpers mit einem Laserstrahl wird im Folgenden der Begriff Laser-Werkzeugmaschine oder auch einfach Maschine verwendet. The present invention relates to a focusing module for a machine for machining workpieces and / or for the production of moldings by site-selective solidification of powder material to coherent areas by means of a laser beam. The invention relates in particular to a focusing module for a machine for the production of shaped articles according to the principle of selective laser melting, selective laser sintering or laser deposition welding. In addition, the focusing module according to the invention can also be used for example in a machine for laser welding, laser drilling, laser hardening or laser cutting. In summary, for the various types of machines for processing / manufacturing / producing a workpiece or a shaped body with a laser beam, the term laser machine tool or simply a machine is used below.
Hintergrund Mit dem Verfahren des selektiven Laserschmelzens, Lasersinterns oder Laserauftragsschweißens können Formkörper, wie etwa Maschinenteile, Werkzeuge, Prothesen, Schmuckstücke usw. gemäß Geometriebeschreibungsdaten der entsprechenden Formkörper, beispielsweise durch schichtweises Aufbauen aus einem metallischen oder keramischen Werkstoff pulver beziehungsweise aus einem Kunststoffpulver hergestellt beziehungsweise bearbeitet werden. Beim Herstellungsprozess wird das Werkstoff pulver durch einen fokussierten Laserstrahl in einem vorgegebenen Bereich, der einem ausgewählten Querschnittsbereich des Modells des Formkörpers entspricht, erhitzt, so dass das Werkstoffpulver in den bestrahlten Bereichen zu zusammenhängend verfestigten Abschnitten umgeschmolzen wird. Ein Schutzgas kann dabei eine Oxidation während des Aufbauprozesses verhindern. Nach dem Erkalten entsteht eine Werkstoffschicht, die mechanisch bearbeitet werden kann. Background With the method of selective laser melting, laser sintering or laser cladding, moldings such as machine parts, tools, prostheses, trinkets etc. can be made or machined according to geometry description data of the respective moldings, for example by layering from a metallic or ceramic material or from a plastic powder , In the manufacturing process, the material powder is heated by a focused laser beam in a predetermined area, which corresponds to a selected cross-sectional area of the model of the shaped body, so that the material powder is remelted in the irradiated areas to coherently solidified sections. A protective gas can prevent oxidation during the build-up process. After cooling, a layer of material is created, which can be processed mechanically.
Zum Stand der Technik betreffend das Gebiet des selektiven Laserschmelzens wird zum Beispiel auf die DE 10 2015 222 689 AI verwiesen. Ferner ist eine Laser-Werkzeugmaschine der eingangs genannten Art zum Beispiel aus der EP 2 052 845 A2 bekannt. Eine Werkzeugmaschine zum Auftragsschweißen wird beispielsweise in der Offenlegungsschrift DE 10 2013 224 649 AI beschrieben. In der deutschen Offenlegungsschrift DE 196 30 147 AI wird ein Anschlusskopf zum Bearbeiten eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls beschrieben, der einen automatischen Fokussierlinsen-Wechselmechanismus aufweist, der als Revolver ausgebildet ist. Der Artikel "Laser-Einheit macht Auftragsschweißen auf Bearbeitungszentrum möglich" von Nowotny et al. in "MM Das Industriemagazin", 17/2009, Seite 42 ff., beschreibt eine Laserbearbeitungsoptik, die über einen Steilkegel in die Frässpindel einer CNC-Maschine eingesetzt wird. In den Laser-Brennpunkt wird Schweißgut (Werkstoffpulver) durch eine Pulverdüse zugeführt. In der gleichen Maschine kann das Werkstück gefräst werden. The prior art relating to the field of selective laser melting, for example, reference is made to DE 10 2015 222 689 AI. Furthermore, a laser machine tool of the type mentioned in the introduction is known for example from EP 2 052 845 A2. A machine tool for build-up welding is described, for example, in the published patent application DE 10 2013 224 649 A1. In the German patent application DE 196 30 147 AI a connection head for machining a workpiece by means of a laser beam is described, which has an automatic focusing lens change mechanism, which is designed as a revolver. The article "Laser unit makes build-up welding on machining center possible" by Nowotny et al. in "MM Das Industriemagazin", 17/2009, page 42 ff., describes a laser processing optics, which is used via a steep taper in the milling spindle of a CNC machine. In the laser focal point weld metal (material powder) is fed through a powder nozzle. The workpiece can be milled in the same machine.
In der Patentanmeldung US 2017/0136578 AI wird eine gattungsgemäße Maschine zum schichtweisen Aufbau eines dreidimensionalen Formkörpers durch Schmelzen eines Werkstoffpulvers beschrieben. Das Werkstoffpulver wird mittels einer an einem Laserbearbeitungskopf befestigten Pulverdüse an einen Arbeitspunkt geleitet, wo es von einem Laserstrahl, der durch die Pulverdüse geführt wird, geschmolzen wird. Die Maschine weist eine Pulverdüsenwechseleinheit auf, welche die am Laserbearbeitungskopf befestigte Pulverdüse austauscht. In the patent application US 2017/0136578 AI a generic machine for the layered construction of a three-dimensional molded body is described by melting a material powder. The material powder is conducted by means of a powder nozzle attached to a laser processing head to an operating point, where it is melted by a laser beam, which is passed through the powder nozzle. The machine has a powder nozzle changing unit which exchanges the powder nozzle attached to the laser processing head.
Aus der europäischen Patentanmeldung EP 2 062 679 AI ist ein Bearbeitungskopf für eine Laserbearbeitungsmaschine bekannt, der einen stationären Teil in Form eines seitlich offenen Gehäuses aufweist, welches einen Raum für ein Wechsel-Modul umschließt, das als Ganzes vom stationären Teil des Bearbeitungskopfes getrennt werden kann, ohne dass der stationäre Teil in Einzelteile zerlegt werden muss. Das Wechselmodul umfasst eine Fokussierungsoptik, die koaxial zum Laserstrahl bewegbar ist, und eine Messeinrichtung zum Bestimmen der Position der Fokussierungsoptik. European patent application EP 2 062 679 A1 discloses a machining head for a laser processing machine which has a stationary part in the form of a laterally open housing which encloses a space for a change module which can be separated as a whole from the stationary part of the machining head without the stationary part having to be dismantled into individual parts. The interchangeable module comprises a focusing optics, which is movable coaxially to the laser beam, and a measuring device for determining the position of the focusing optics.
Eine Laser-Werkzeugmaschine wird üblicherweise mit einem Laser betrieben, der einen Laserstrahl mit einer Ausgangsleistung von mehreren hundert bis zu mehreren tausend Watt bereitstellt, die meist im Dauerbetrieb („Continuous Wave", CW) betrieben werden. Entscheidend für den Bearbeitungsprozess kann insbesondere der Energieübertrag vom Laserstrahl auf das Werkstoffpulver sein. Dieser wird einerseits durch das Absorptionsvermögen des Werkstoff pulvers und andererseits von der Intensität des Laserstrahls beeinflusst. Neben der absoluten Laserleistung bestimmt also der Strahldurchmesser den Schmelzprozess. Der Strahldurchmesser des Laserstrahls wird üblicherweise durch die Brennweite einer Fokussieroptik sowie durch den Strahldurchmesser des kollimierten Laserstrahls vor der Fokussieroptik bestimmt. Der Strahldurchmesser des kollimierten Laserstrahls kann insbesondere durch die Brennweite einer ollimationsoptik festgelegt werden. Somit kann der Strahldurchmesser des fokussierten Laserstrahls, beziehungsweise die Taille eines gaußschen Laserstrahls, durch geeignete Wahl der Kollimationsoptik angepasst werden, ohne die Brennweite der Fokussieroptik zu verändern. Gemäß dem Stand der Technik sind im Wesentlichen zwei Typen von Maschinen zum Bearbeiten von Werkstücken und/oder zum Herstellen von Formkörpern durch ortsselektives Verfestigen von Werkstoff pulver zu zusammenhängenden Bereichen mittels eines Laserstrahls, insbesondere durch selektives Laserschmelzen beziehungsweise selektives Lasersintern, bekannt. Die Maschinentypen unterscheiden sich unter Anderem hinsichtlich der Art und Weise, wie das Werkstoff pulver bereitgestellt wird. Bei einem ersten Maschinentyp wird ein Pulverbett schichtweise aufgebaut. Bei einem zweiten Maschinentyp wird das Werkstoffpulver mittels einer Pulverdüse am Ort der Bearbeitung bereitgestellt. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere Maschinen, bei denen der Laserstrahl mittels eines Laserbearbeitungskopfes bereitgestellt wird. A laser machine tool is usually operated with a laser that provides a laser beam with an output power of several hundred to several thousand watts, which are usually operated in continuous operation ("continuous wave", CW) This is influenced on the one hand by the absorption capacity of the material powder and on the other hand by the intensity of the laser beam The beam diameter of the collimated laser beam can be determined in particular by the focal length of a collimation optical system Aserstrahls, or the waist of a Gaussian laser beam can be adjusted by a suitable choice of Kollimationsoptik without changing the focal length of the focusing optics. According to the state of the art, essentially two types of machines are known for processing workpieces and / or for producing shaped bodies by locally solidifying powdered material into contiguous areas by means of a laser beam, in particular by selective laser melting or selective laser sintering. The types of machines differ, among other things, in terms of how the material is provided powder. In a first type of machine, a powder bed is built up in layers. In a second type of machine, the material powder is provided by means of a powder nozzle at the point of machining. In particular, the present invention relates to machines in which the laser beam is provided by means of a laser processing head.
Der mechanische Aufbau zum Bewegen des Laserbearbeitungskopfes und/oder des Werkstücks kann beispielsweise wie bei einem bekannten Fünf-Achsen-Bearbeitungszentrum erfolgen, wobei statt einem mechanischen Werkzeug der Laserbearbeitungskopf vorgesehen ist. Seit einigen Jahren sind auf dem Markt auch Werkzeugmaschinen verfügbar, die sowohl eine Laserbearbeitung als auch eine spanende Bearbeitung, zum Beispiel mit einem Fräswerkzeug, erlauben. Bei solchen Hybrid-Bearbeitungszentren kann der Laserbearbeitungskopf zum Beispiel an der Aufnahme der Werkzugspindel befestigt werden. The mechanical structure for moving the laser processing head and / or the workpiece, for example, as in a known five-axis machining center, wherein instead of a mechanical tool, the laser processing head is provided. Machine tools have also been available on the market for some years now, which permit both laser machining and machining, for example with a milling tool. In such hybrid machining centers, for example, the laser processing head may be attached to the tool take-up spindle.
Der Laserbearbeitungskopf kann eine Vielzahl optischer Komponenten zum Manipulieren des Laserstrahls umfassen, wie zum Beispiel zum Kollimieren, Fokussieren, Positionieren, Überwachen, Schalten und/oder Modulieren des Laserstrahls beziehungsweise der Leistung des Laserstrahls. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, möglichst viele Komponenten in einem als austauschbares Bauteil vormontierten Optikmodul zusammenzufassen, das über geeignete Mittel lösbar an der Maschine, insbesondere an einer Stellachse der Maschine, befestigt werden kann. Hierdurch kann die Wartung einer Laser-Werkzeugmaschine vereinfacht und beschleunigt werden, so dass die Maschine effizienter genutzt werden kann, da eine Leerlaufzeit der Maschine verkürzt werden kann. Das Fokussiermodul ist in der Regel am Laserbearbeitungskopf beziehungsweise am Optikmodul befestigt. Zusammenfassung The laser processing head may comprise a plurality of optical components for manipulating the laser beam, such as for collimating, focusing, positioning, monitoring, switching and / or modulating the laser beam and the power of the laser beam, respectively. It has proven to be advantageous to combine as many components as possible in a preassembled as an exchangeable component optical module, which can be releasably secured by suitable means on the machine, in particular on a control axis of the machine. As a result, the maintenance of a laser machine tool can be simplified and accelerated, so that the machine can be used more efficiently, since an idle time of the machine can be shortened. The focusing module is usually attached to the laser processing head or the optical module. Summary
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Fokussiermodul bereitzustellen, das schnell und auf einfache Weise automatisch ausgetauscht werden kann. Gelöst wird die Aufgabe durch ein Fokussiermodul mit einem im Wesentlichen zylindrischen Trägergehäuse, in dem eine Fokussieroptik angeordnet ist. Erfindungsgemäß weist das Fokussiermodul Befestigungsmittel zum lösbaren Befestigen des Fokussiermoduls an einem Laserbearbeitungskopf der Maschine auf. Insbesondere kann das Fokussiermodul mit der Fokussieroptik während eines Bearbeitungsprozesses automatisch gewechselt werden, so dass der Durchmesser des Laserstrahls am Arbeitspunkt und entsprechend die Intensität des Laserstrahls am Arbeitspunkt während des Bearbeitungsprozesses automatisch einstellbar sind. Dadurch, dass das Fokussiermodul Befestigungsmittel zum lösbaren Befestigen aufweist, kann ein Wechsel der Fokussieroptik in den Bearbeitungsprozess integriert werden, ohne dass ein manuell durchzuführender Schritt notwendig ist. Der Arbeitspunkt des Laserstrahls entspricht in der Regel dem Brennpunkt des von der Fokussieroptik fokussierten Laserstrahls. Die Fokussieroptik kann mindestens eine Fokussierlinse umfassen. Die Fokussieroptik kann auch eine Vielzahl von Linsen umfassen. Bei einer Fokussieroptik mit einer Kombination mehrerer Linsen können Abbildungsfehler, beispielsweise aufgrund von sphärischer Aberration und/oder Astigmatismus, ausgeglichen werden. Der Laserbearbeitungskopf weist insbesondere ein lösbar befestigbares Optikmodul auf, in oder an dem optische Komponenten zum Kollimieren und Fokussieren des Laserstrahls angeordnet oder befestigbar sind. Insbesondere kann das Fokussiermodul am Optikmodul befestig werden. Eine im Optikmodul angeordnete Kollimationoptik dient zum Kollimieren eines divergent in das Optikmodul eingekoppelten Laserstrahls. Beispielsweise kann der Laserstrahl mittels einer optischen Faser in das Optikmodul eingekoppelt werden. The present invention has for its object to provide a focusing module that can be replaced quickly and easily automatically. The object is achieved by a focusing module with a substantially cylindrical carrier housing, in which a focusing optics is arranged. According to the invention, the focusing module has fastening means for releasably securing the focusing module to a laser processing head of the machine. In particular, the focusing module with the focusing optics can be changed automatically during a machining process, so that the diameter of the laser beam at the operating point and correspondingly the intensity of the laser beam at the operating point during the machining process are automatically adjustable. By virtue of the fact that the focusing module has fastening means for detachable fastening, a change of the focusing optics can be integrated into the machining process without the need for a step to be performed manually. The operating point of the laser beam generally corresponds to the focal point of the laser beam focused by the focusing optics. The focusing optics may comprise at least one focusing lens. The focusing optics may also include a plurality of lenses. In a focusing lens with a combination of multiple lenses aberrations, for example due to spherical aberration and / or astigmatism, can be compensated. In particular, the laser processing head has a detachably mountable optical module in or on which optical components for collimating and focusing the laser beam can be arranged or fastened. In particular, the focusing module can be fastened to the optical module. A collimating optics arranged in the optics module serves for collimating a laser beam divergently coupled into the optics module. For example, the laser beam can be coupled into the optical module by means of an optical fiber.
Das Optikmodul kann demnach Mittel zum Anschließen einer optischen Faser, insbesondere einen Faserkoppler, aufweisen. Da eine optische Faser Laserlicht über viele Meter transportieren kann, ist es möglich, den Laser an einem geschützten von der Prozesskammer entfernten Ort zu platzieren. Der Abstand zwischen Kollimationsoptik und Ende der optischen Faser entspricht ungefähr der Brennweite der Kollimationsoptik. Der kollimierte Laserstrahl kann durch das am Optikmodul befestigte Fokussiermodul mit einer Fokussieroptik auf einen Brennpunkt fokussiert werden. Der Laserstrahl verlässt das Optikmodul somit als fokussierter Strahl. Optikkomponenten von Laser-Werkzeugmaschinen können zum einen durch die relativ hohen Laserleistungen einem erhöhten Verschleiß unterliegen. Andererseits kann es insbesondere bei einer Hybridmaschine, die sowohl Laserbearbeitung als auch spanende Fertigungsverfahren durchführen kann, zu einer Verschmutzung von Optikkomponenten, zum Beispiel durch Kühlmittel, Staub, Späne und sonstige Partikel kommen. Ferner kann das Werkstoffpulver zu einer Verschmutzung von Optikkomponenten beitragen. Auf einer Optikkomponente abgelagerte Schmutzpartikel können insbesondere bei hohen Laserleistungen zu einer hohen Wärmeeinwirkung auf die Optikkomponente und somit zu deren Beschädigung führen. Daher ist es wünschenswert, wenn Optikkomponenten bei Beschädigung oder Verschmutzung schnell und W einfach ausgetauscht werden können. Dies wird einerseits dadurch erreicht, dass das gesamte Optikmodul als vormontierte Baugruppe lösbar an einer Stellachse befestigt werden kann und somit leicht austauschbar ist. Andererseits ermöglichen austauschbare Optikkomponenten einen schnellen Wechsel ohne Ausbau des gesamten Optikmoduls. So ermöglicht beispielsweise der Kollimationsoptikwechsler einen schnellen automatischen Wechsel der Kollimationsoptik, ohne dass ein Austausch des gesamten Kollimationswechslers beziehungsweise des Optikmoduis nötig ist. The optical module can accordingly have means for connecting an optical fiber, in particular a fiber coupler. Since an optical fiber can transport laser light over many meters, it is possible to place the laser in a protected location away from the process chamber. The distance between the collimating optics and the end of the optical fiber is approximately equal to the focal length of the collimating optics. The collimated laser beam can be focused by the focusing module attached to the optics module with a focusing optics to a focal point. The laser beam thus leaves the optics module as a focused beam. On the one hand, optical components of laser machine tools can be subject to increased wear due to the relatively high laser powers. On the other hand, especially in a hybrid machine, which can perform both laser machining and machining manufacturing processes, contamination of optical components, for example by coolants, dust, chips and other particles, may occur. Furthermore, the material powder can contribute to the contamination of optical components. Dirt particles deposited on an optical component can, especially at high laser powers, lead to a high heat effect on the optical component and thus to its damage. Therefore, it is desirable if optical components are quickly and easily damaged or contaminated W can be easily exchanged. On the one hand, this is achieved by the fact that the entire optical module can be detachably fastened as a preassembled subassembly to a positioning axis and is therefore easily replaceable. On the other hand, interchangeable optical components allow a quick change without removing the entire optical module. Thus, for example, the collimation optics changer allows a fast automatic change of the collimating optics, without the need to replace the entire collimation changer or the optics module.
Die im oder am Optikmodul angeordneten Optikkomponenten können jeweils lösbar im oder am Gehäuse des Optikmoduls befestigt sein. Somit kann einerseits während des Betriebs der Maschine ein automatischer Wechsel der Optikkomponenten stattfinden. Andererseits kann ein zu wartendes Optikmodul durch ein Austauschen einzelner Optikkomponenten wieder in einen betriebsfähigen Zustand gebracht werden. Beispielsweise kann der Kollimationswechsler als austauschbares Modul lösbar im Gehäuse des Optikmoduls angeordnet sein und somit bei einer Wartung des Optikmoduls ausgetauscht werden. The optical components arranged in or on the optical module can each be detachably fastened in or on the housing of the optical module. Thus, on the one hand take place during operation of the machine, an automatic change of the optical components. On the other hand, an optical module to be serviced can be brought back into an operable state by exchanging individual optical components. For example, the collimator changer can be detachably arranged as an exchangeable module in the housing of the optical module and thus exchanged during maintenance of the optical module.
Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen, welche einzeln oder in Kombination miteinander eingesetzt werden können, sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Das Fokussiermodul kann vorzugsweise über mindestens zwei Spannbolzen mit einem Laserbearbeitungskopf der Maschine, insbesondere mit einem Optikmodul verbunden werden. Das Optikmodul beziehungsweise der Laserbearbeitungskopf können jeweils entsprechende Aufnahmen für die Spannbolzen aufweisen. Die Aufnahmen können insbesondere als elektromagnetisch, hydraulisch oder pneumatisch betätigbare oder über eine Feder gespannte Spannmechanismen ausgeführt sein. Advantageous embodiments and developments, which can be used individually or in combination with each other, are the subject of the dependent claims. The focusing module can preferably be connected via at least two clamping bolts with a laser processing head of the machine, in particular with an optical module. The optical module or the laser processing head can each have corresponding receptacles for the clamping bolts. The recordings can be designed in particular as electromagnetically, hydraulically or pneumatically actuated or tensioned by a spring clamping mechanisms.
Durch das Vorsehen von Mitteln zum Befestigen eines automatisch austauschbaren Fokussiermoduls kann ein automatischer Wechsel der Fokussieroptik erfolgen. Diese kann dann ähnlich wie ein Werkzeug eines Bearbeitungszentrums während des Fertigungs- beziehungsweise Bearbeitungsprozesses vollautomatisch ausgetauscht werden. Durch das automatisierte Wechseln von Fokussieroptik und Kollimationsoptik kann der Strahldurchmesser des Laserstrahls im Fokus je nach Anforderung innerhalb eines großen Bereichs eingestellt werden. Die Spannbolzen erlauben ein schnelles und sicheres Befestigen des Fokussiermoduls am Optikmodul. Ferner sorgen die Spannbolzen dafür, dass das Fokussiermodul mit einer hohen Positionsgenauigkeit am Optikmodul befestigt werden kann. By providing means for attaching an automatically exchangeable focusing module, an automatic change of the focusing optics can take place. This can then be replaced fully automatically similar to a tool of a machining center during the manufacturing or machining process. By automatically changing the focusing optics and the collimation optics, the beam diameter of the laser beam in the focus can be set within a wide range, depending on the requirements. The clamping bolts allow a fast and secure fastening of the focusing module to the optical module. Furthermore, the clamping bolts ensure that the focusing module can be attached to the optical module with a high positional accuracy.
Das Fokussiermodul umfasst vorzugsweise ein im Wesentlichen zylindrisches Trägergehäuse mit kreisförmigen Querschnitt, das beispielsweise aus einem Metall oder einer Metalllegierung W 201 gefertigt ist. Im Trägergehäuse ist die Fokussieroptik angeordnet. Vorzugsweise kann die Fokussieroptik lösbar im Trägergehäuse des Fokussiermoduls befestigt werden, so dass ein Austauschen der Fokussieroptik möglich ist. Beispielsweise kann das Trägergehäuse ein Innengewinde aufweisen. Mittels passenden Ringen mit einem Außengewinde können die Fokussieroptik und/oder mindestens ein Schutzglas im Trägergehäuse befestigt werden. The focusing module preferably comprises a substantially cylindrical carrier housing with a circular cross-section, for example made of a metal or a metal alloy W 201 is manufactured. In the carrier housing the focusing optics is arranged. Preferably, the focusing optics can be releasably secured in the carrier housing of the focusing module, so that replacement of the focusing optics is possible. For example, the carrier housing may have an internal thread. By means of suitable rings with an external thread, the focusing optics and / or at least one protective glass can be secured in the carrier housing.
Die Brennweite der Fokussieroptik kann beispielsweise einige hundert Millimeter betragen, insbesondere 100 mm, 200 mm oder 300 mm beziehungsweise eine beliebige Brennweite zwischen 100 mm und 500 mm. Bei der Fokussieroptik kann es sich um eine gebräuchliche Sammellinse oder um eine Kombination aus mehreren Linsen handeln. Das Fokussiermodul weist vorzugsweise Mittel zum Messen der Temperatur der Fokussieroptik auf. Weiter ist bevorzugt, dass das Fokussiermodul Mittel zum Kühlen der Fokussieroptik aufweist. The focal length of the focusing optics may be, for example, a few hundred millimeters, in particular 100 mm, 200 mm or 300 mm or any focal length between 100 mm and 500 mm. The focusing optics can be a conventional converging lens or a combination of several lenses. The focusing module preferably has means for measuring the temperature of the focusing optics. It is further preferred that the focusing module has means for cooling the focusing optics.
Die Fokussieroptik ist vorzugsweise in Abhängigkeit ihrer Brennweite in axialer Richtung im Trägergehäuse positioniert. Hierdurch kann erreicht werden, dass der Abstand des Brennpunkts vom Laserbearbeitungskopf unabhängig von der verwendeten Fokussieroptik immer gleich ist. Dies hat den Vorteil, dass der Laserbearbeitungskopf immer mit demselben Abstand vom zu bearbeitenden Werkstück geführt werden kann. Somit muss die Maschinensteuerung keine Abstandskorrektur nach einem Wechseln der Fokussieroptikbrennweite durchführen. The focusing optics is preferably positioned as a function of their focal length in the axial direction in the carrier housing. In this way it can be achieved that the distance of the focal point from the laser processing head is always the same regardless of the focusing optics used. This has the advantage that the laser processing head can always be guided at the same distance from the workpiece to be machined. Thus, the machine control does not have to perform pitch correction after changing the focusing optical focal length.
Das Fokussiermodul kann mindestens ein Schutzglas zum Schützen der Fokussieroptik vor Verschmutzung aufweisen. Das Schutzglas kann die Fokussieroptik auch vor mechanischen Einwirkungen schützen. Das Schutzglas ist vorzugsweise lösbar im Trägergehäuse des Fokussiermoduls befestigt. Bei Verschmutzung kann das Schutzglas ausgetauscht werden. Vorzugsweise ist auf beiden Seiten der Fokussieroptik in axialer Richtung im Trägergehäuse des Fokussiermoduls ein Schutzglas angeordnet, so dass die Fokussieroptik von beiden Seiten vor Verschmutzung und mechanischer Einwirkung geschützt ist. The focusing module may have at least one protective glass for protecting the focusing optics from contamination. The protective glass can also protect the focusing optics from mechanical influences. The protective glass is preferably detachably fastened in the carrier housing of the focusing module. If dirty, the protective glass can be replaced. Preferably, a protective glass is arranged on both sides of the focusing optics in the axial direction in the carrier housing of the focusing module, so that the focusing optics are protected from contamination and mechanical action from both sides.
Das Fokussiermodul kann Mittel zum Messen der Temperatur des mindestens einen Schutzglases und/oder der Fokussieroptik aufweisen. Somit kann eine Verschmutzung eines Schutzglases oder der Fokussieroptik zum Beispiel durch einen Temperaturanstieg festgestellt werden. Als Mittel zum Messen der Temperatur kann beispielsweise mindestens ein Thermoelement verwendet werden. Zum Übertragen eines Temperatur-Messsignals vom Fokussiermodul zur Maschine kann das Fokussiermodul mindestens eine Schnittstelle aufweisen. The focusing module may comprise means for measuring the temperature of the at least one protective glass and / or the focusing optics. Thus, contamination of a protective glass or the focusing optics can be detected, for example, by a rise in temperature. As means for measuring the temperature, for example, at least one thermocouple can be used. To transmit a temperature measurement signal from the focusing module to the machine, the focusing module can have at least one interface.
Die Schnittstelle kann vorzugsweise mit einer entsprechenden Schnittstelle am Laserbearbeitungskopf, beziehungsweise am Optikmodul verbunden werden. Die Schnittstellen sind vorzugsweise so gestaltet, dass sie sich automatisch beim Befestigen des Fokussiermoduls miteinander verbinden. Als Schnittstelle kann beispielsweise ein einfacher elektrischer Kontakt oder ein Steckkontakt verwendet werden. The interface can preferably be connected to a corresponding interface on the laser processing head, or on the optical module. The interfaces are preferably designed to automatically engage in mounting the focusing module connect with each other. As an interface, for example, a simple electrical contact or a plug contact can be used.
Der Strahlengang durch das Optikmodul ist vorzugsweise gasdicht verschlossen, so dass eine Sperrgasatmosphäre aufrechterhalten werden kann. Als Sperrgas können insbesondere inerte Gase wie zum Beispiel Stickstoff oder Argon verwendet werden. Wichtig ist vor allem, dass das Sperrgas frei von Partikeln ist, welche die Optikkomponenten verschmutzen können. Vorzugsweise ist das gesamte Gehäuse des Optikmoduls gasdicht verschlossen. Zum Aufbauen der Sperrgasatmosphäre im Gehäuse des Optikmoduls weist das Optikmodul vorzugsweise entsprechende Gaszuleitungen und/oder Mittel zum Anschließen von Zuführungen auf. Anstatt das Gehäuse gasdicht zu verschließen kann das Gehäuse auch derart aufgebaut sein, dass es möglich ist einen leichten Überdruck im Gehäuse durch Zuleiten des Sperrgases aufzubauen, so dass verhindert werden kann, dass Staub- oder Werkstoffpulverpartikel ins Innere des Optikmoduls gelangen. The beam path through the optical module is preferably sealed gas-tight, so that a sealing gas atmosphere can be maintained. In particular, inert gases such as nitrogen or argon can be used as the sealing gas. It is important, above all, that the sealing gas is free of particles that can pollute the optical components. Preferably, the entire housing of the optical module is sealed gas-tight. To build up the sealing gas atmosphere in the housing of the optical module, the optical module preferably has corresponding gas supply lines and / or means for connecting feeders. Instead of sealing the housing in a gas-tight manner, the housing can also be constructed in such a way that it is possible to build up a slight overpressure in the housing by supplying the barrier gas so that it is possible to prevent particles of dust or material from getting inside the optics module.
Kurzbeschreibung der Figuren Brief description of the figures
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels, auf welches die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist, näher beschrieben. Further advantageous embodiments will be described in more detail below with reference to an embodiment shown in the drawings, to which the invention is not limited.
Es zeigen schematisch: They show schematically:
Figur 1: eine Werkzeugmaschine mit einem Optikmodul zum Herstellen bzw. Bearbeiten Figure 1: a machine tool with an optical module for manufacturing or editing
Formkörpers bzw. Werkstücks mittels Laserstrahlung.  Shaped body or workpiece by means of laser radiation.
Figur 2: eine perspektivische Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels eines FIG. 2 shows a perspective sectional view of an embodiment of a
Optikmoduls.  Optical module.
Figur 3: eine weitere perspektivische Schnittansicht des in Fig. 2 gezeigten FIG. 3 shows a further perspective sectional view of that shown in FIG
Ausführungsbeispiels des Optikmoduls.  Embodiment of the optical module.
Figur 4: eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer Werkzeugmaschine zum Herstellen bzw. Bearbeiten eines Formkörpers bzw. Werkstücks mittels Laserstrahlung. Figur 5: eine perspektivische Ansicht eines Werkzeugwechslers für eine Werkzeugmaschine zum Herstellen bzw. Bearbeiten eines Formkörpers bzw. Werkstücks mittels Laserstrah lung. 4 shows a perspective view of an embodiment of a machine tool for producing or processing a shaped body or workpiece by means of laser radiation. Figure 5: a perspective view of a tool changer for a machine tool for producing or processing a shaped body or workpiece by means of Laserstrah ment.
Figur 6: (A) eine teilgeschnittene perspektivische Ansicht und (B) eine perspektivische Figure 6: (A) is a partially cutaway perspective view and (B) is a perspective view
Ansicht einer austauschbaren Pulverdüse.  View of a replaceable powder nozzle.
Figur 7 eine Illustration des Wirkungsprinzips des Laserauftragsschweißens. Figure 7 is an illustration of the principle of action of laser deposition welding.
Figur 8 (A) eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen austauschbaren Figure 8 (A) is a perspective view of a replaceable according to the invention
Fokussiermoduls, (B) und (C) jeweils Schnittansichten des austauschbaren Fakussiermoduls mit unterschiedlichen Brennweiten der Fokussieroptik.  Focusing module, (B) and (C) are each sectional views of the interchangeable Fakussiermoduls with different focal lengths of the focusing optics.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels Detailed description of the invention with reference to an embodiment
Bei der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten. Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Maschine 1 zum Bearbeiten eines Werkstücks 30 und/oder zum Herstellen eines Formkörpers 30 durch ortsselektives Verfestigen von Werkstoffpulver zu zusammenhängenden Bereichen mittels Laserstrahlung. Die Maschine 1 weist einen Maschinenrahmen 21 auf, an dem mittelbar über dazwischenliegende Stellachsen 18, 19 einerseits ein Werkstücktisch 20 und andererseits ein Optikmodul 2 angebracht sind. Die Stellachsen 18, 19 können jeweils mehrere translatorische (X, Y, Z) oder rotatorische (φ, λ, θ) Achsen aufweisen, die nach Maßgabe einer Maschinensteuerung einstellbar sind. Die Auslegung kann beispielsweise so sein, dass das Optikmodul 2 über ein, zwei oder drei translatorische Stellachsen 18 (X und/oder Y und/oder Z) am Maschinenrahmen 21 befestigt ist, während der Werkstücktisch 20 über eine, zwei oder drei rotatorische Stellachsen 19 am Maschinenrahmen 21 befestigt ist. Eine solche Laser-Werkzeugmaschine 1 weist in der Regel eine (nicht dargestellte) abgeschlossene Kabine auf, in der beispielsweise eine Schutzgasatmosphäre aufgebaut werden kann, und die den Arbeitsraum vor Verschmutzung abschirmt. In the following description of a preferred embodiment of the present invention, like reference characters designate like or similar components. 1 shows a schematic representation of a machine 1 for processing a workpiece 30 and / or for producing a shaped body 30 by locally selective solidification of material powder to coherent areas by means of laser radiation. The machine 1 has a machine frame 21 on which on the one hand a workpiece table 20 and on the other hand an optical module 2 are attached indirectly via adjusting axles 18, 19 on the one hand. The adjusting axles 18, 19 may each have a plurality of translatory (X, Y, Z) or rotary (φ, λ, θ) axes, which are adjustable in accordance with a machine control. The design can be, for example, such that the optical module 2 is fastened to the machine frame 21 via one, two or three translatory adjusting axes 18 (X and / or Y and / or Z), while the workpiece table 20 is mounted via one, two or three rotary adjusting axes 19 is attached to the machine frame 21. Such a laser machine tool 1 generally has a closed cabin (not shown) in which, for example, a protective gas atmosphere can be built up, and which shields the working space from contamination.
Auf dem Werkstücktisch 20 kann ein Werkstück 30 zum Bearbeiten lösbar befestigt werden. Alternativ kann auf dem Werkstücktisch 20 ein Formkörper 30 durch ortsselektives Verfestigen von Werkstoffpulver schichtweise aufgebaut werden. Bei der Maschine 1 kann es sich beispielsweise um eine Fünf-Achsen-Laser-Werkzeugmaschine zum Herstellen von Formkörpern durch ortsselektives Verfestigen von Werkstoffpulver zu zusammenhängenden Bereichen mittels Laserstrahlung handeln. Das Optikmodul 2 ist hierbei lösbar an den Stellachsen 18 befestigt, so dass es bei Bedarf, zum Beispiel zur Wartung, schnell und einfach ausgetauscht werden kann. Bei einer solchen Fünf-Achsen-Laser-Werkzeugmaschine ist das Optikmodul 2 über drei translatorische Stellachsen 18 (X, Y und Z) am Maschinenrahmen 21 befestigt und der Werkstücktisch 20 ist über zwei Drehachsen am Maschinenrahmen angeordnet. Eine beispielhafte Darstellung einer Fünf-Achsen-Laser-Werkzeugmaschine 1 zum Herstellen von Formkörpern durch ortsselektives Verfestigen von Werkstoffpulver zu zusammenhängenden Bereichen mittels Laserstrahlung ist perspektivisch in Fig. 4 gezeigt. Das dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen der in Fig. 1 schematisch dargestellten Maschine 1. Der Werkstücktisch 20 und das Optikmodul 2 sind in einer im Wesentlichen durch eine Prozessraumtür 23 verschließbaren Prozesskammer 22 angeordnet. Ein außerhalb der Prozesskammer 22 angeordnetes Display 24 dient als Schnittstelle zwischen Benutzer und Maschinensteuerung. Auf diesem Display 24 können beispielsweise Messwerte und/oder Warnmeldungen und/oder Steuerungsapplikationen dargestellt werden. Die Werkzeugmaschine 1 umfasst einen Werkzeugwechsler 25, der mittels Stellachsen 25a, 25b seitlich in die Prozesskammer 22 hineingefahren werden kann. Eine Detailansicht des Werkzeugwechslers 25 ist in Fig. 5 dargestellt. Auf dem Werkzeugwechsler 25 kann eine Vielzahl von Fokussiermodulen 13 und eine Vielzahl von Pulverdüsen 15 angeordnet werden. Der in Fig. 5 dargestellte Werkzeugwechsler 25 weist drei Ablagepositionen für Pulverdüsen 15 mit unterschiedlicher axialer Länge auf. On the workpiece table 20, a workpiece 30 can be releasably secured for editing. Alternatively, a shaped body 30 can be built up in layers on the workpiece table 20 by site-selective solidification of material powder. The machine 1 may, for example, be a five-axis laser machine tool for producing shaped bodies by means of site-selective solidification of material powder to coherent areas by means of laser radiation. The optical module 2 is in this case releasably attached to the adjusting axles 18, so that it can be quickly and easily replaced if necessary, for example, for maintenance. In such a five-axis laser machine tool, the optical module 2 is fastened to the machine frame 21 via three translatory adjusting axes 18 (X, Y and Z) and the workpiece table 20 is arranged on the machine frame via two axes of rotation. An exemplary representation of a five-axis laser machine tool 1 for the production of shaped bodies by means of laser beam radiation which selectively fixes material powder to coherent areas is shown in perspective in FIG. 4. The illustrated embodiment essentially corresponds to the machine 1 shown schematically in FIG. 1. The workpiece table 20 and the optical module 2 are arranged in a process chamber 22 which can be closed substantially by a process chamber door 23. An outside of the process chamber 22 arranged display 24 serves as an interface between the user and machine control. For example, measured values and / or warning messages and / or control applications can be displayed on this display 24. The machine tool 1 comprises a tool changer 25, which can be moved laterally into the process chamber 22 by means of adjusting axles 25a, 25b. A detailed view of the tool changer 25 is shown in FIG. On the tool changer 25, a plurality of focusing modules 13 and a plurality of powder nozzles 15 can be arranged. The tool changer 25 shown in FIG. 5 has three storage positions for powder nozzles 15 with different axial lengths.
Der Werkzeugwechsler 25 weist ferner eine Ablagefläche für mindestens zwei Fokussiermodule 13 mit Fokussieroptiken 14 unterschiedlicher Brennweite auf. Mittels zweier Stellachsen 25a, 25b können die Fokussiermodule 13 beziehungsweise die Pulverdüsen 15 in die Prozesskammer 22 bewegt werden, so dass sie am Optikmodul 2 befestigt werden können. The tool changer 25 further has a storage surface for at least two focusing modules 13 with focusing optics 14 of different focal lengths. By means of two adjusting axes 25a, 25b, the focusing modules 13 and the powder nozzles 15 can be moved into the process chamber 22, so that they can be attached to the optical module 2.
Ein Verfahren zum Wechseln der Pulverdüsen 15 beziehungsweise der Fokussiermodule 13 wird weiter unten beschrieben. Der Werkzeugwechsler 25 kann mittels der Stellachsen 25a, 25b in eine mittels einer verschiebbaren Trennwand von der Prozesskammer 22 trennbare Werkzeugkammer verfahren werden. In der Werkzeugkammer sind die Fokussiermodule 13 und die Pulverdüsen 15 vor Verschmutzung beispielsweise durch Werkst off pulver oder durch Schweißrauch geschützt, wenn eine Bearbeitung des Werkstücks in der Prozesskammer 22 durchgeführt wird. A method for changing the powder nozzles 15 or the focusing modules 13 will be described below. The tool changer 25 can be moved by means of the adjusting axes 25a, 25b into a tool chamber which can be separated from the process chamber 22 by means of a displaceable dividing wall. In the tool chamber, the focusing modules 13 and the powder nozzles 15 are present Contamination, for example, by Werkst off powder or protected by welding fume when processing of the workpiece in the process chamber 22 is performed.
In Fig. 2 ist ein Optikmodul 2 dargestellt, das auf einer Stellachse 18 lösbar montiert ist. Die Stellachse 18 ist beispielsweise eine in Z-Richtung verfahrbare Translationsachse, die auf zwei weiteren in X- und Y-Richtung verfahrbaren Translationsachsen angeordnet sein kann, so dass das Optikmodul 2 in allen drei Raumrichtungen verfahrbar ist. Das Optikmodul 2 ist insbesondere so an der Stellachse 18 montiert, dass der Laserstrahl senkrecht nach unten (parallel zur Richtung der Gravitation beziehungsweise in Z-Richtung) aus dem Optikmodul 2 austritt. Durch Verfahren der Stellachsen 18 kann somit ein Fokus des fokussierten Laserstrahls in drei Dimensionen im Raum verfahren werden, um ein Werkstück zu bearbeiten beziehungsweise um einen Formkörper schichtweise aufzubauen. Somit kann ein Formkörper wie bei einem 3D-Drucker durch Verschmelzen von Werkstoffpulver schichtweise aufgebaut werden. Das Optikmodul 2 weist ein Gehäuse 8 auf, in dem eine Vielzahl von Optikkomponenten angeordnet ist. Das Gehäuse 8 dient einerseits als mechanische Plattform zum Anordnen der Optikkomponenten sowie zum Schützen der Optikkomponenten vor mechanischen Einflüssen. Im Gehäuse 8 kann eine Sperrgasatmosphäre aufgebaut werden. Durch einen Überdruck kann zum Beispiel das Eindringen von Partikeln und Dreck in das Gehäuse verhindert werden. 2, an optical module 2 is shown, which is detachably mounted on a control axis 18. The adjusting axis 18 is, for example, a translational axis which can be moved in the Z direction and which can be arranged on two further translation axes which can be moved in the X and Y directions, so that the optical module 2 can be moved in all three spatial directions. The optical module 2 is in particular mounted on the adjusting axis 18 in such a way that the laser beam exits the optical module 2 vertically downwards (parallel to the direction of gravity or in the Z direction). By moving the adjusting axes 18, a focus of the focused laser beam can thus be moved in space in three dimensions, in order to machine a workpiece or to build up a shaped body in layers. Thus, a molded article as in a 3D printer by merging material powder can be built up in layers. The optical module 2 has a housing 8, in which a plurality of optical components is arranged. The housing 8 serves on the one hand as a mechanical platform for arranging the optical components and for protecting the optical components against mechanical influences. In the housing 8, a sealing gas atmosphere can be established. For example, overpressure can prevent particles and dirt from entering the housing.
An einem oberen Bereich des Gehäuses 8 ist ein Faserkoppler 10 angeordnet, über den ein Laserstrahl aus einer optischen Faser eingekoppelt werden kann. Durch Verwenden einer optischen Faser kann Laserlicht von einer Laserstrahlquelle zuverlässig zum Optikmodul 2 geleitet werden. Die flexible optische Faser ermöglicht es das Optikmodul 2, und somit den Laserstrahl zu bewegen, ohne die Laserstrahlquelle selbst bewegen zu müssen. Ferner kann eine optische Faser einen Laserstrahl mit einem besonders gleichmäßigen Strahlprofil liefern. At an upper portion of the housing 8, a fiber coupler 10 is arranged, via which a laser beam from an optical fiber can be coupled. By using an optical fiber, laser light from a laser beam source can be reliably guided to the optical module 2. The flexible optical fiber allows the optics module 2, and thus the laser beam to move without having to move the laser beam source itself. Further, an optical fiber can provide a laser beam with a particularly uniform beam profile.
Als Laserstrahlquelle kann beispielsweise ein Hochleistungs-Festkörperlaser verwendet werden. Hierzu gehören beispielsweise dotierte YAG-Laser. Insbesondere kann ein mit Ytterbium dotierter YAG-Scheibenlaser mit einer Wellenlänge von 1030 nm als Laserstrahlquelle dienen. Alternativ hierzu kann ein fasergeführter Diodenlaser mit einer Wellenlänge von 1020 nm als Strahlquelle verwendet werden. Diodenlaser können Laserstrahlen mit einer Leistung von einigen Watt bis zu mehreren Tausend Watt bereitstellen. Somit kann ausreichend Laserleistung für verschiedene Bearbeitungs- und Fertigungsprozesse bereitgestellt werden. As a laser beam source, for example, a high-power solid-state laser can be used. These include, for example, doped YAG lasers. In particular, a Ytterbium-doped YAG disc laser with a wavelength of 1030 nm can serve as a laser beam source. Alternatively, a fiber-guided diode laser with a wavelength of 1020 nm may be used as the beam source. Diode lasers can provide laser beams with a power of several watts up to several thousand watts. Thus, sufficient laser power can be provided for various machining and manufacturing processes.
Direkt unterhalb des Faserkopplers 10 ist der Kollimationsoptikwechsler 3 im Gehäuse 8 des Optikmoduls 2 angeordnet. Eine Kollimationsoptik 4 mit einer ersten Brennweite von beispielsweise 80 mm ist derart im Kollimationsoptikwechsler 3 angeordnet, dass der aus der Faser austretende Laserstrahl auf einen Durchmesser von circa 36 mm kollimiert wird. Der ollimationsoptikwechsler 3 kann weitere Kollimationsoptiken 4 mit Brennweiten von beispielsweise 50 mm, 60 mm und/oder 100 mm oder mehr aufweisen. Hiermit können kollimierte Laserstrahlen mit Durchmessern zwischen ca. 10 mm und 100 mm bereitgestellt werden. Als Kollimationsoptiken 4 können zum Beispiel geeignete Arten von Sammellinsen verwendet werden. Eine Kollimationsoptik 4 kann aus einer einzelnen Linse bestehen oder eine Vielzahl von Linsen umfassen. Material, Beschichtung und weitere Linseneigenschaften können in Abhängigkeit der verwendeten Laserwellenlänge und Laserleistung gewählt werden. Der kollimierte Laserstrahl wird von zwei im Optikmodul 2 angeordneten Umlenkspiegeln 6, 7 auf eine Fokussieroptik 14 gerichtet, die den Laserstrahl fokussiert. Die Position beziehungsweise die Orientierung der beiden Umlenkspiegel 6, 7 ist vorzugsweise unabhängig voneinander einstellbar, so dass eine Justierung des Strahlengangs des Laserstrahls automatisch oder manuell vorgenommen werden kann. Die korrekte Justierung des Laserstrahls kann beispielsweise von der Kamera 9 überwacht werden. Insbesondere können die Umlenkspiegel 6, 7 gesteuert durch die Maschinensteuerung einstellbar sein. Hierzu können die Umlenkspiegel 6, 7 jeweils auf verstellbaren Haltern angeordnet sein, die jeweils mittels Steuersignalen über die Maschinensteuerung gesteuert werden können. Das Optikmodul 2 kann geeignete Schnittstellen aufweisen, um Signalleitungen für die Maschinensteuerung lösbar anzuschließen. Directly below the fiber coupler 10, the collimating optical changer 3 is arranged in the housing 8 of the optical module 2. A collimating optics 4 with a first focal length of, for example, 80 mm is arranged in such a collimating optical changer 3, that from the Fiber emerging laser beam is collimated to a diameter of about 36 mm. The ollimationsoptikwechsler 3 may have further collimating optics 4 with focal lengths of, for example, 50 mm, 60 mm and / or 100 mm or more. This can be used to provide collimated laser beams with diameters between approx. 10 mm and 100 mm. As collimating optics 4, for example, suitable types of converging lenses may be used. A collimating optic 4 may consist of a single lens or comprise a plurality of lenses. Material, coating and other lens properties can be selected depending on the laser wavelength and laser power used. The collimated laser beam is directed by two arranged in the optical module 2 deflecting mirrors 6, 7 on a focusing optics 14, which focuses the laser beam. The position or the orientation of the two deflecting mirrors 6, 7 is preferably adjustable independently of each other, so that an adjustment of the beam path of the laser beam can be made automatically or manually. The correct adjustment of the laser beam can be monitored by the camera 9, for example. In particular, the deflecting mirrors 6, 7 can be controlled by the machine control. For this purpose, the deflecting mirrors 6, 7 can each be arranged on adjustable holders, which can each be controlled by means of control signals via the machine control. The optics module 2 may have suitable interfaces for releasably connecting signal lines for the machine control.
Die Brennweite der Fokussieroptik 14 kann beispielsweise zwischen 50 mm und 500 mm betragen. Vorzugsweise beträgt die Brennweite der Fokussieroptik 14 200 mm oder 300 mm. Die Fokussieroptik 14 ist in einem automatisch wechselbaren Fokussiermodul 13 angeordnet, das über einen Befestigungsmechanismus 11, 16 am Optikmodul 2 befestigt werden kann. Somit kann durch Wechseln des Fokussiermoduls 13 auch die Brennweite der Fokussieroptik 14 vollautomatisch geändert werden. The focal length of the focusing optics 14 may for example be between 50 mm and 500 mm. Preferably, the focal length of the focusing optics 14 is 200 mm or 300 mm. The focusing optics 14 is arranged in an automatically exchangeable focusing module 13, which can be fastened to the optics module 2 via a fastening mechanism 11, 16. Thus, by changing the focus module 13 and the focal length of the focusing optics 14 can be changed fully automatically.
Sieben beispielhafte Kombinationen von Brennweiten der Kollimationsoptik 4 und der Fokussieroptik 14 sind untenstehend in Tabelle 1 dargestellt. Tabelle 1 listet beispielhaft auch resultierende Werte der Durchmesser des kollimierten Laserstrahls und des fokussierten Laserstrahls für einen Faserkerndurchmesser von 600 μιτι auf. Seven exemplary combinations of focal lengths of the collimating optics 4 and the focusing optics 14 are shown in Table 1 below. Table 1 lists by way of example also resulting values of the diameter of the collimated laser beam and the focused laser beam for a fiber core diameter of 600 μιτι on.
Je kleiner der Strahldurchmesser, desto höher ist die Laserintensität. Insbesondere können mit einem kleineren Strahldurchmesser am Brennpunkt des Laserstrahls kleinere Strukturen hergestellt werden. Ein kleinerer Strahldurchmesser im Brennpunkt kann bei gleicher Brennweite der Fokussieroptik durch einen größeren Strahldurchmesser des kollimierten Laserstrahls vor der Fokussieroptik erreicht werden. Ein größerer Strahldurchmesser des kollimierten Laserstrahls hat den Vorteil, dass die Optikelemente im Optikmodul 2 einer geringeren Laserintensität ausgesetzt sind. Somit werden die Optikelemente mit geringerer Wahrscheinlichkeit beschädigt, da sie zum Beispiel weniger erwärmt werden. The smaller the beam diameter, the higher the laser intensity. In particular, smaller structures can be produced with a smaller beam diameter at the focal point of the laser beam. A smaller beam diameter at the focal point can be achieved with the same focal length of the focusing optics by a larger beam diameter of the collimated laser beam in front of the focusing optics. A larger beam diameter of the collimated laser beam has the advantage that the optical elements in the optical module 2 are exposed to a lower laser intensity are. Thus, the optical elements are less likely to be damaged because, for example, they are less heated.
Tabelle 1: Sieben beispielhafte Kombinationen aus Kollimationsoptikbrennweite und Table 1: Seven exemplary combinations of collimating optics focal length and
Fokussieroptikbrennweite:  Fokussieroptikbrennweite:
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Eine beispielhafte Ausgestaltung des Fokussiermoduls 13 ist in Fig. 8A bis C dargestellt. Fig. 8A zeigt eine perspektivische Ansicht eines Fokussiermoduls 13 mit einem im Wesentlichen zylindrischen Trägergehäuse, das vorzugsweise aus einem Metall mit möglichst kleinem Wärmeausdehnungskoeffizient gefertigt ist. Entsprechend den Beispielen der Tabelle 1 zeigt Fig. 8B ein Fokussiermodul 13 mit einer Fokussieroptik 14, die eine Brennweite von 200 mm aufweist, und Fig. 8C ein Fokussiermodul 13 mit einer Fokussieroptik 14, die eine Brennweite von 300 mm aufweist. Die Fokussieroptiken 14 der unterschiedlichen Brennweiten sind so in den verschiedenen Fokussiermodulen 13 angeordnet, dass sich der resultierende Brennpunkt des Lasers stets am selben Ort befindet. An exemplary embodiment of the focusing module 13 is shown in FIGS. 8A to C. 8A shows a perspective view of a focusing module 13 with a substantially cylindrical carrier housing, which is preferably made of a metal with the smallest possible thermal expansion coefficient. According to the examples of Table 1, Fig. 8B shows a focusing module 13 having a focusing optics 14 having a focal length of 200 mm, and Fig. 8C a focusing module 13 having a focusing optics 14 having a focal length of 300 mm. The focusing optics 14 of the different focal lengths are arranged in the different focusing modules 13 so that the resulting focal point of the laser is always in the same location.
An einem oberen Rand des Fokussiermoduls 13 sind Befestigungsmittel, zum Beispiel zwei Spannbolzen 16 angeordnet. Die Befestigungsmittel 16 dienen auch dazu, eine möglichst hohe Positioniergenauigkeit von weniger als 1 mm sicherzustellen. Dies ist insbesondere auch für die genaue Strahlführung des Laserstrahls durch die Pulverdüse sowie an den korrekten Arbeltspunkt wichtig. Sollten dennoch Abweichungen auftreten, kann dies von der Kamera 9 detektiert und durch die Umlenkspiegel 6, 7 korrigiert werden. Das Fokussiermodul 13 weist mindestens ein Schutzglas 14a zum Schützen der Fokussieroptik 14 vor Verschmutzung oder Beschädigung auf. Vorzugsweise ist wie in den Schnittzeichnungen der Fig. 8B und C dargestellt auf beiden Seiten der Fokussieroptik 14 jeweils ein Schutzglas 14a im Fokussiermodul 13 angeordnet, um die Fokussieroptik 14 von beiden Seiten vor Verschmutzung oder mechanischer Einwirkung zu schützen. At an upper edge of the focusing module 13 fastening means, for example two clamping bolts 16 are arranged. The fastening means 16 also serve to ensure the highest possible positioning accuracy of less than 1 mm. This is particularly important for the precise beam guidance of the laser beam through the powder nozzle and to the correct Arbeltspunkt. If deviations nevertheless occur, this can be detected by the camera 9 and corrected by the deflecting mirrors 6, 7. The focusing module 13 has at least one protective glass 14a for protecting the focusing optical system 14 from dirt or damage. Preferably, as shown in the sectional drawings of Fig. 8B and C on both sides of the focusing optics 14 each have a protective glass 14a arranged in the focusing module 13 to protect the focusing optics 14 from both sides from contamination or mechanical action.
Die Temperatur des mindestens einen Schutzglases 14a kann jeweils durch einen Messfühler 13a überwacht werden. In Fig. 8B und C wird nur die Temperatur des oberen Schutzglas 14a, das zuerst vom Laserstrahl getroffen wird, durch einen Messfühler 13a überwacht dargestellt. Als Messfühler kann beispielsweise ein temperaturabhängiger Widerstand (NTC-Widerstand) beziehungsweise ein Thermoelement verwendet werden. Das Thermoelement kann insbesondere ein Draht aus einer Platinlegierung sein. In ähnlicher Weise kann auch die Temperatur anderer optischer Komponenten im Optikmodul 2, insbesondere der Kollimationsoptiken 4, der Schutzgläser der Kollimationsoptiken 4, der Umlenkspiegel 6, 7 und/oder der Fokussieroptik 14 überwacht werden. The temperature of the at least one protective glass 14a can each be monitored by a sensor 13a. In Figs. 8B and C, only the temperature of the upper protective glass 14a becomes first from the laser beam is monitored by a sensor 13a. As a sensor, for example, a temperature-dependent resistor (NTC resistor) or a thermocouple can be used. The thermocouple may in particular be a wire made of a platinum alloy. Similarly, the temperature of other optical components in the optical module 2, in particular the collimating optics 4, the protective glasses of the collimating optics 4, the deflection mirror 6, 7 and / or the focusing optics 14 can be monitored.
Ein vom Temperatur-Messfühler 14a erzeugtes analoges Messsignal wird über Schnittstellen 13b am Fokussiermodul 13 an Signalleitungen im Optikmodul 2 weitergeleitet. Von dort wird das Messsignal an eine Maschinensteuerung ausgegeben und in einen Temperaturwert umgerechnet, so dass die Temperatur einer optischen Komponente des Optikmoduls 2 in Grad Celsius ausgegeben werden kann. Die gemessenen Temperaturwerte können beispielsweise auf dem Display 24 angezeigt werden. In der Maschinensteuerung kann für jede Optikkomponente ein Schwellenwert der Temperatur hinterlegt sein. Übersteigt die gemessene Temperatur einer optischen Komponente den hinterlegten Schwellenwert, so kann ein Warnsignal erzeugt werden. Das Warnsignal kann beispielsweise als Warnung an einen Benutzer ausgegeben werden. Die Warnung kann zum Beispiel auf dem Display 24 oder mittels einer Warnleuchte optisch dargestellt werden. Zusätzlich oder alternativ kann eine Abschaltung des Lasers veranlasst werden, um eine Beschädigung der optischen Komponente zu vermeiden. An analog measuring signal generated by the temperature sensor 14a is forwarded via interfaces 13b to the focusing module 13 on signal lines in the optical module 2. From there, the measurement signal is output to a machine control and converted into a temperature value, so that the temperature of an optical component of the optical module 2 can be output in degrees Celsius. The measured temperature values can be displayed on the display 24, for example. In the machine control, a threshold value of the temperature can be stored for each optical component. If the measured temperature of an optical component exceeds the stored threshold, then a warning signal can be generated. The warning signal can be output as a warning to a user, for example. The warning can be visualized, for example, on the display 24 or by means of a warning light. Additionally or alternatively, a shutdown of the laser can be made to avoid damage to the optical component.
Die Schnittstellen 13b können auch dazu dienen, der Maschinensteuerung ein erfolgreiches Befestigen eines Fokussiermoduls 13 zu signalisieren. Entsprechend kann die Maschinensteuerung detektieren, dass das Fokussiermodul 13 erfolgreich gelöst und abgelegt wurde, wenn ein über die Schnittstellen 13b übertragenes Signal unterbrochen wird. The interfaces 13b may also serve to signal the machine controller to successfully attach a focus module 13. Accordingly, the machine control can detect that the focusing module 13 has been successfully released and stored when a signal transmitted via the interfaces 13b is interrupted.
Unter das am Optikmodul 2 befestigbare Fokussiermodul 13 kann eine austauschbare Pulverdüse 15 befestigt werden. Eine beispielhafte Ausgestaltung der Pulverdüse 15 ist in Fig. 6A und 6B dargestellt. Die Pulverdüse 15 weist wie das Fokussiermodul 13 Befestigungsmittel 16 auf, die mittels entsprechender Aufnahmen 12 am Optikmodul 2 befestigt werden können. Als Befestigungsmittel 16 können beispielsweise mehrere Spannbolzen an der Pulverdüse 15 angeordnet sein. Solche Spannbolzen werden in ähnlicher Art und Weise auch zum Befestigen von Werkzeugen in herkömmlichen Werkzeugmaschinen verwendet. Die Aufnahmen 12 am Optikmodul 2 können diese Spannbolzen zum Befestigen der Pulverdüse 15 über einen hydraulischen, pneumatischen, elektromagnetischen oder über eine Feder gespannten Mechanismus einspannen, so dass die Pulverdüse 15 lösbar am Optikmodul 2 befestigt wird, wobei innerhalb einer festgelegten Toleranz immer dieselbe Position der Pulverdüse 15 erreicht werden kann. Die in Fig. 2 und Fig. 6 dargestellte Pulverdüse 15 weist am oberen dem Optikmodul 2 zugewandtem Ende einen Flansch 15a auf, an dem die Befestigungsmittel 16, beispielsweise zwei Spannbolzen, angeordnet sind. Am Flansch 15a ist ein im Wesentlichen zylindrischer mittlerer Abschnitt der Pulverdüse 15 angeordnet. Am unteren Ende des mittleren Abschnitts ist eine im Wesentlichen kegelförmige Pulverdüsenspitze 15b angeordnet. Der mittlere Abschnitt der Pulverdüse 15 kann zusammen mit dem Flansch 15a in vorteilhafter Weise als Träger mit Zuführungen für Kühlmittel und Werkst off pulver dienen, an dem die Pulverdüsenspitze 15b lösbar befestigt werden kann. Somit kann ein Wechsel der Pulverdüsenspitze 15b ermöglicht werden. Am Flansch 15a der Pulverdüse 15 sind Anschlüsse 15f, 15g beziehungsweise Schnittstellen zum Zuführen eines Kühlmittels beziehungsweise eines Werkstoffpulvers angeordnet. Die Anschlüsse 15f für das Kühlmittel können beispielsweise als Schnellkupplungen ausgeführt sein, die sich beim Befestigen der Pulverdüse 15 am Optikmodul 2 automatisch mit entsprechenden Leitungen am Optikmodul 2 verbinden. Die Einlasse 15g für das Werkstoffpulver können als einfache Öffnungen ausgebildet sein, die einen Dichtungsring aufweisen. Beim Befestigen der Pulverdüse 15 am Optikmodul 2 werden die Einlasse mit den Dichtungsringen derart an entsprechende Auslässe am Optikmodul gepresst, dass eine gasdichte Verbindung entsteht. An exchangeable powder nozzle 15 can be fastened under the focusing module 13 which can be attached to the optical module 2. An exemplary embodiment of the powder nozzle 15 is shown in FIGS. 6A and 6B. The powder nozzle 15, like the focusing module 13, has fastening means 16 which can be fastened to the optical module 2 by means of appropriate receptacles 12. As a fastening means 16, for example, a plurality of clamping bolts may be arranged on the powder nozzle 15. Such clamping bolts are similarly used for mounting tools in conventional machine tools. The receptacles 12 on the optical module 2 can clamp these clamping bolts for fastening the powder nozzle 15 via a hydraulic, pneumatic, electromagnetic or tensioned by a spring mechanism so that the powder nozzle 15 is releasably secured to the optical module 2, wherein within a predetermined tolerance always the same position Pulverdüse 15 can be achieved. The powder nozzle 15 shown in FIGS. 2 and 6 has at the upper end facing the optical module 2 a flange 15a on which the fastening means 16, for example two clamping bolts, are arranged. On the flange 15 a, a substantially cylindrical central portion of the powder nozzle 15 is arranged. At the lower end of the central portion, a substantially conical powder nozzle tip 15b is arranged. The central portion of the powder nozzle 15 can serve together with the flange 15a advantageously as a carrier with supplies for coolant and Werkst off powder to which the powder nozzle tip 15 b can be releasably attached. Thus, a change of the powder nozzle tip 15b can be made possible. At the flange 15a of the powder nozzle 15 are connections 15f, 15g or interfaces for supplying a coolant or a material powder arranged. The connections 15f for the coolant can be designed, for example, as quick-release couplings, which automatically connect with corresponding lines on the optical module 2 when the powder nozzle 15 on the optical module 2 is fastened. The inlets 15g for the material powder may be formed as simple openings, which have a sealing ring. When attaching the powder nozzle 15 on the optical module 2, the inlets are pressed with the sealing rings to corresponding outlets on the optical module such that a gas-tight connection is formed.
Die Einlässe 15g für Werkstoffpulver stehen jeweils mit Kanälen 15d für das Werkstoffpulver, die durch die Pulverdüse 15 zur Spitze 15b der Pulverdüse 15 verlaufen in Strömungsverbindung. In der Spitze 15b der Pulverdüse 15 ist ein Ringspalt 15c ausgebildet, dessen Spaltweite sich in Strömungsrichtung verjüngen kann, um eine Düsenwirkung zu erzielen. Der Übergang zwischen Werkstoffpulverkanälen 15d und Ringspalt 15c ist derart geformt, dass eine umfänglich gleichmäßige Verteilung des Werkstoffpulvers hergestellt wird. Es kann beispielsweise eine Vielzahl von Löchern in einem Übergang von den Werkstoffpulverkanälen 15d zum Ringspalt 15c vorgesehen sein. Die Löcher können eine gleichmäßige Verteilung des Werkstoff pulvers P im Ringspalt 15c bewirken. Der Strom des Werkstoffpulvers P kann die Form eines koaxial zum Brennpunkt des Laserstrahls ausgerichteten Kegels aufweisen, wie durch die Illustration der Fig. 7 angedeutet. The inlets 15g for material powder are respectively in flow communication with channels 15d for the material powder passing through the powder nozzle 15 to the tip 15b of the powder nozzle 15. In the tip 15b of the powder nozzle 15, an annular gap 15c is formed whose gap width can taper in the flow direction in order to achieve a nozzle effect. The transition between material powder channels 15d and annular gap 15c is shaped such that a circumferentially uniform distribution of the material powder is produced. For example, a plurality of holes may be provided in a transition from the material powder channels 15d to the annular gap 15c. The holes can cause a uniform distribution of the material powder P in the annular gap 15c. The flow of material powder P may be in the form of a cone coaxial with the focal point of the laser beam, as indicated by the illustration of FIG.
Die Pulverdüsenspitze 15b kann lösbar an der Pulverdüse 15 befestigt sein, so dass sie zum Beispiel bei Beschädigung oder Verformung durch Hitze ausgetauscht werden kann. Bei einem mehrteiligen Aufbau der Pulverdüse 15 kann die Pulverdüsenspitze 15b zudem aus einem anderen, hitzebeständigeren und/oder härteren Material als der Rest der Pulverdüse 15 gefertigt sein. Verschieden dimensionierte Pulverdüsenspitzen 15b können zum Beispiel für verschiedene Laserstrahldurchmesser verwendet werden. Ferner können unterschiedlich dimensionierte Ringspalte 15c mit verschiedenen Öffnungsweiten in austauschbaren Pulverdüsenspitzen 15b ausgebildet sein. Entsprechend können auch verschiede Pulverdüsen 15 mit unterschiedlich dimensionierten Pulverdüsenspitzen 15b in der Maschine 1 vorgehalten werden, so dass bei Bedarf die gesamte Pulverdüse 15 ausgetauscht werden kann. Der Durchmesser der unteren dem Werkstück zugewandten Öffnung der Pulverdüsenspitze 15b kann beispielsweise 1 mm, 2 mm, 3 mm, 4 mm oder 5 bis 8 mm betragen. Der Austausch der Pulverdüsenspitzen 15b erfolgt vorzugsweise manuell, während der Wechsel der gesamten Pulverdüse 15 wie weiter unten beschrieben vollautomatisch erfolgen kann. The powder nozzle tip 15b may be detachably attached to the powder nozzle 15 so that it may be exchanged by heat, for example, when damaged or deformed. In a multi-part structure of the powder nozzle 15, the powder nozzle tip 15b can also be made of a different, more heat-resistant and / or harder material than the rest of the powder nozzle 15. Different sized powder nozzle tips 15b may be used for different laser beam diameters, for example. Furthermore, differently dimensioned annular gaps 15c with different opening widths can be formed in exchangeable powder nozzle tips 15b. Accordingly, different powder nozzles 15 with different dimensioned powder nozzle tips 15 b are kept in the machine 1, so that if necessary, the entire powder nozzle 15 can be replaced. The diameter of the lower opening of the powder nozzle tip 15b facing the workpiece may be, for example, 1 mm, 2 mm, 3 mm, 4 mm or 5 to 8 mm. The replacement of the powder nozzle tips 15b is preferably carried out manually, while the change of the entire powder nozzle 15 as described below can be carried out fully automatically.
Die Pulverdüse 15 weist mindestens zwei Kupplungen 15f für Kühlmittel auf, die vorzugsweise als Schnellkupplungen ausgeführt sind. Eine Kupplung 15f dient als Anschluss für den Vorlauf des Kühlmittels vom Optikmodul 2, die andere Kupplung 15f dient als Anschluss für den Rücklauf des Kühlmittels zum Optikmodul 2. Die Anschlüsse 15f für Kühlmittel stehen in Strömungsverbindung mit Kühlmittelkanälen 15e in der Pulverdüse 15, die in der teilgeschnittenen Ansicht der Fig. 6A illustriert sind. Die Kühlmittelkanäle 15e können beispielsweise ringförmig, spiralförmig oder schraubenförmig um die Laserstrahlöffnung angeordnet sein, um eine gleichmäßige Kühlung der Pulverdüse 15 zu gewährleisten. The powder nozzle 15 has at least two couplings 15f for coolant, which are preferably designed as quick couplings. A coupling 15f serves as a connection for the flow of the coolant from the optical module 2, the other coupling 15f serves as a connection for the return of the coolant to the optical module 2. The connections 15f for coolant are in fluid communication with coolant channels 15e in the powder nozzle 15, which in the partial cut view of Fig. 6A are illustrated. The coolant channels 15e may, for example, be arranged annularly, helically or helically around the laser beam opening in order to ensure uniform cooling of the powder nozzle 15.
Im Inneren des Flansches 15a ist eine im Wesentlichen zylindrische Aussparung für das Fokussiermodul 13 ausgeformt. Wenn das Fokussiermodul 13 und die Pulverdüse 15 am Optikmodul 2 befestigt sind, befindet sich das untere Ende des Fokussiermoduls 13 innerhalb der Aussparung in der Pulverdüse 15. Dabei sind das Fokussiermodul 13 und die Pulverdüse 15 koaxial zueinander und zum Laserstrahl am Optikmodul 2 angeordnet. Inside the flange 15a, a substantially cylindrical recess for the focusing module 13 is formed. When the focusing module 13 and the powder nozzle 15 are attached to the optical module 2, the lower end of the focusing module 13 is located within the recess in the powder nozzle 15. The focusing module 13 and the powder nozzle 15 are arranged coaxially with one another and with the laser beam on the optical module 2.
Die Pulverdüse 15 weist aufgrund der Vielzahl von Kanälen für Kühlmittel 15e und Kanälen für Werkstoffpulver 15d, sowie mit ihrer sich in axialer Richtung zum Laserbrennpunkt verjüngenden axialen Öffnung eine sehr komplexe Form auf. Solch eine komplexe Form kann beispielsweise durch ein Laserauftragsschweißverfahren in einer erfindungsgemäßen Maschine 1 hergestellt werden. Um den Herstellungsprozess der Pulverdüse 15 durch Laserauftragsschweißen in möglichst wenig Zeit und unter möglichst hoher Einsparung von Material durchführen zu können, kann beispielsweise der im Wesentlichen zylindrische mittige Abschnitt der Pulverdüse 15 mit möglichst dünner Wandstärke aufgebaut werden. Um die mechanische Festigkeit der Pulverdüse 15 zu erhöhen, kann die Wand durch Lamellen 151 verstärkt sein. In ähnlicher Weise kann der Übergang zwischen Flansch 15a und mittlerem Abschnitt der Pulverdüse 15 materialsparend gefertigt werden, indem zum Beispiel eine wie in Fig. 6B dargestellte Wabenstruktur 15w verwendet wird, die bei niedrigem Materialverbrauch eine hohe mechanische Festigkeit bietet. The powder nozzle 15 has a very complex shape due to the plurality of channels for coolant 15e and channels for material powder 15d, and with their axial opening tapering in the axial direction to the laser focal point. Such a complex shape can be produced, for example, by a laser deposition welding method in a machine 1 according to the invention. In order to carry out the manufacturing process of the powder nozzle 15 by laser deposition welding in as little time and with the highest possible savings of material, for example, the substantially cylindrical central portion of the powder nozzle 15 can be constructed with the thinnest possible wall thickness. In order to increase the mechanical strength of the powder nozzle 15, the wall may be reinforced by fins 151. Similarly, the transition between flange 15a and middle portion of the powder nozzle 15 can be fabricated to save material, for example by using a honeycomb structure 15w as shown in Fig. 6B, which provides high mechanical strength with low material consumption.
Der Flansch 15a und der mittlere Abschnitt der Pulverdüse 15 können beispielsweise aus Aluminium oder aus Stahl gefertigt sein. Der Durchmesser des Flansches 15a kann ungefähr 150 mm bis 170 mm, vorzugsweise 160 mm betragen. Die gesamte Länge der Pulverdüse 15 kann ungefähr 125 mm bis 145 mm, vorzugsweise 135 mm betragen. Bei Verwendung von Fokussieroptiken 14 mit kürzeren Brennweiten können auch entsprechend kürzere Pulverdüsen mit weniger als 125 mm, beispielsweise 100 mm bis 90 mm Länge verwendet werden. Werden Fokussieroptiken 14 mit höheren Brennweiten verwendet, können auch entsprechend längere Pulverdüsen mit mehr als 145 mm, beispielsweise 150 mm bis 200 mm oder sogar 300 mm Länge verwendet werden. Der Durchmesser des mittleren Abschnitts der Pulverdüse kann ungefähr 60 mm bis 70 mm, vorzugsweise 65 bis 67 mm betragen. Vorzugsweise kann die Pulverdüse 15 auch noch kompakter gestaltet sein, um die Gefahr von Kollisionen mit dem Werkstück 30 zu verringern. The flange 15a and the middle portion of the powder nozzle 15 may be made of aluminum or steel, for example. The diameter of the flange 15a may be about 150 mm to 170 mm, preferably 160 mm. The entire length of the powder nozzle 15th may be about 125 mm to 145 mm, preferably 135 mm. When using focusing optics 14 with shorter focal lengths and correspondingly shorter powder nozzles can be used with less than 125 mm, for example, 100 mm to 90 mm in length. If focusing optics 14 with longer focal lengths are used, correspondingly longer powder nozzles with more than 145 mm, for example 150 mm to 200 mm or even 300 mm in length, can also be used. The diameter of the central portion of the powder nozzle may be about 60 mm to 70 mm, preferably 65 to 67 mm. Preferably, the powder nozzle 15 can also be made more compact in order to reduce the risk of collisions with the workpiece 30.
Das Austauschen der Pulverdüse 15 kann beispielsweise wie im Folgenden beschrieben erfolgen. Die Trennwand zwischen der Prozesskammer 22 und der seitlich davon angeordneten Werkzeugkammer wird aufgeschoben. Mittels der Stellachse 25b wird der untere Teil des Werkzeugwechslers 25 mit den Pulverdüsen 15 in die Prozesskammer 22 gefahren. Die Stellachsen 18 bewegen das Optikmodul 2 an die Position, an der sich Werkzeugwechsler 25 mit der Vielzahl von Pulverdüsen 15 befindet. Zum Ablegen einer am Optikmodul 2 befestigten Pulverdüse 15 muss anders als in Fig. 4 und Fig. 5 dargestellt eine Ablageposition des Werkzeugwechslers 25 frei sein. Durch Öffnen der Aufnahmen 12 am Optikmodul 2 werden die Befestigungsmittel 16 der Pulverdüse 15 freigegeben, so dass die Pulverdüse 15 vom Optikmodul 2 gelöst wird und an einer freien Ablageposition des Werkzeugwechslers 25 abgelegt werden kann. The replacement of the powder nozzle 15 can be carried out, for example, as described below. The partition between the process chamber 22 and the laterally disposed tool chamber is pushed. By means of the adjusting axis 25b, the lower part of the tool changer 25 is moved with the powder nozzles 15 in the process chamber 22. The adjusting axles 18 move the optical module 2 to the position at which the tool changer 25 with the plurality of powder nozzles 15 is located. For depositing a powder nozzle 15 attached to the optical module 2, unlike in FIGS. 4 and 5, a storage position of the tool changer 25 must be free. By opening the receptacles 12 on the optical module 2, the fastening means 16 of the powder nozzle 15 are released, so that the powder nozzle 15 is released from the optical module 2 and can be stored at a free storage position of the tool changer 25.
Anschließend wird das Optikmodul 2 zu einer anderen Position des Werkzeugwechslers 25 verfahren, an der sich eine weitere Pulverdüse 15, die eine in axialer Richtung größere oder kleinere Abmessung aufweist, befindet. Das Optikmodul 2 wird dann mittels der Stellachsen 18 bewegt, so dass die Befestigungsmittel 16 der weiteren Pulverdüse 15 in die Aufnahmen 12 am Optikmodul 2 eingreifen. Durch Schließen der Aufnahmen 12 kann die Pulverdüse 15 am Optikmodul 2 befestigt und vom Werkzeugwechsler 25 herausgenommen werden. Subsequently, the optical module 2 is moved to another position of the tool changer 25, at which a further powder nozzle 15, which has a larger or smaller dimension in the axial direction, is located. The optical module 2 is then moved by means of the adjusting axes 18, so that the fastening means 16 of the further powder nozzle 15 engage in the receptacles 12 on the optical module 2. By closing the receptacles 12, the powder nozzle 15 can be attached to the optical module 2 and removed from the tool changer 25.
Das automatische Wechseln der Pulverdüse 15 kann insbesondere dann erfolgen, wenn durch einen Wechsel der Fokussieroptik 14 die Brennweite des Laserstrahls verändert wird. Da die Pulverdüse 15 das Werkstoff pulver an den Ort des Brennpunkts des Laserstrahls leiten soll, muss die axiale Länge der Pulverdüse 15 entsprechend der Brennweite des Laserstrahls gewählt werden. Wie in Tabelle 1 aufgelistet kann die Brennweite der Fokussieroptik 14 beispielsweise 200 mm oder 300 mm betragen. Entsprechend können im Werkzeugwechsler 25 der Maschine 1 entsprechende Pulverdüsen 15 vorgehalten werden, die Werkstoff pulver an einen beispielsweise 200 mm oder 300 mm von der Fokussieroptik 14 entfernten Brennpunkt leiten. Über die Pulverdüse 15 kann ein Werkstoffpulver am Arbeitspunkt der Maschine 1, also in unmittelbarer Nähe des Brennpunkts des Laserstrahls, bereitgestellt werden. Hierzu weist die Pulverdüse 15 einen Kanal oder mehrere Kanäle auf, über die das Werkstoff ulver geleitet wird. Beim Befestigen der Pulverdüse 15 am Optikmodul 2 wird eine Verbindung der Kanäle für das Werkstoffpulver mit entsprechenden Leitungen im Optikmodul 2 hergestellt. Zum Verbinden der Kanäle und der Leitungen weisen die Pulverdüse 15 beziehungsweise das Optikmodul 2 jeweils geeignete Schnittstellen auf. Ferner weist die Pulverdüse 15 einen Kühlkanal oder mehrere Kühlkanäle auf, in denen ein fluides Kühlmittel, insbesondere Wasser, zum Kühlen der Pulverdüse 15 zirkulieren kann. Das Optikmodul 2 weist entsprechende Leitungen zum Zuführen und zum Abführen des Kühlmittels sowie Schnittstellen zum Verbinden der Leitungen mit den Kühlkanälen der Pulverdüse 15 auf. The automatic change of the powder nozzle 15 can take place in particular when the focal length of the laser beam is changed by a change of the focusing optics 14. Since the powder nozzle 15 is to guide the material powder to the location of the focal point of the laser beam, the axial length of the powder nozzle 15 must be selected according to the focal length of the laser beam. As listed in Table 1, the focal length of the focusing optics 14 may be, for example, 200 mm or 300 mm. Accordingly, in the tool changer 25 of the machine 1 corresponding powder nozzles 15 can be kept, the material powder to an example 200 mm or 300 mm away from the focusing optics 14 focus. Via the powder nozzle 15, a material powder at the operating point of the machine 1, ie in the immediate vicinity of the focal point of the laser beam, can be provided. For this purpose, the powder nozzle 15 on a channel or more channels over which the material is passed ulver. When attaching the powder nozzle 15 to the optical module 2, a connection of the channels for the material powder with corresponding lines in the optical module 2 is produced. For connecting the channels and the lines, the powder nozzle 15 or the optical module 2 each have suitable interfaces. Furthermore, the powder nozzle 15 has a cooling channel or a plurality of cooling channels, in which a fluid coolant, in particular water, for circulating the powder nozzle 15 can circulate. The optical module 2 has corresponding lines for supplying and discharging the coolant as well as interfaces for connecting the lines to the cooling channels of the powder nozzle 15.
Ferner kann die Pulverdüse 15 ein Schutzgas an den Arbeitspunkt der Maschine 1 leiten, so dass beim Schmelzen des Werkstoffpulvers im Brennpunkt des Laserstrahls unerwünschte Reaktionen weitestgehend unterdrückt werden können. Das Schutzgas dient insbesondere dazu, Sauerstoff aus der Luft zu verdrängen. Als Schutzgas können insbesondere inerte Gase wie beispielsweise Argon verwendet werden. Zum Zuführen des Schutzgases weist das Optikmodul 2 entsprechende Leitungen auf. Das Schutzgas kann auch zusammen mit dem Werkstoff pulver als Trägergas zugeführt werden. Somit dient das Schutzgas einerseits zum Verhindern einer Reaktion mit Luftsauerstoff und andererseits zum Fördern des Werkstoffpulvers. Furthermore, the powder nozzle 15 can conduct a protective gas to the operating point of the machine 1, so that unwanted reactions can be largely suppressed when the material powder melts in the focal point of the laser beam. The protective gas serves in particular to displace oxygen from the air. In particular, inert gases such as argon can be used as protective gas. For supplying the protective gas, the optical module 2 corresponding lines. The protective gas can also be supplied together with the material powder as a carrier gas. Thus, the inert gas serves on the one hand to prevent a reaction with atmospheric oxygen and on the other hand to convey the material powder.
Beim automatischen Austauschen der Pulverdüse 15 werden die Kühlleitungen des Optikmoduls 2 mit den Kühlkanälen der Pulverdüse 15 automatisch über die entsprechenden Schnittstellen verbunden beziehungsweise getrennt. Entsprechend werden auch die Leitungen für Werkstoffpulver im Optikmodul 2 mit den Werkstoffpulverkanälen in der Pulverdüse 15 automatisch über die entsprechenden Schnittstellen verbunden beziehungsweise getrennt. Die entsprechenden Schnittstellen für die Leitungen und Kanäle können hierzu lösbar ausführt sein und zum Beispiel jeweils über eine Hydraulik oder Pneumatik angesteuert werden. Ein automatischer Wechsel des Fokussiermoduls 13 kann in ähnlicher Weise erfolgen wie der automatische Wechsel der Pulverdüse 15. Hierbei wird mittels der Stellachse 25a auch der obere Teil des Werkzeugwechslers 25 mit den Fokussiermodulen 13 in die Prozesskammer 22 gefahren. Zum Wechseln des Fokussiermoduls 13 muss jedoch zunächst eine am Optikmodul 2 befestigte Pulverdüse 15 gelöst werden. Dies erfolgt wie oben beschrieben, indem die Pulverdüse 15 an einer freien Ablageposition des Werkzeugwechslers 25 abgelegt wird. Die Stellachsen 18 bewegen dann das Optikmodul 2 an eine Position, an der sich der Werkzeugwechsler 25 mit der Vielzahl von Fokussiermodulen 13 befindet. Das am Optikmodul 2 befestigte Fokussiermodul 13 kann durch Öffnen der Aufnahmen 11 am Optikmodul 2 freigegeben werden, so dass das Fokussiermodul 13 vom Optikmodul 2 gelöst und an einer freien Ablageposition des Werkzeugwechslers 25 abgelegt werden kann. Im Folgenden kann ein anderes Fokussiermodul 13 am Optikmodul 2 befestigt werden. Hierzu wird das Optikmodul 2 derart verfahren, so dass die Befestigungsmittel 16 des Fokussiermoduls 13 in die Aufnahmen 11 am Optikmodul 2 eingreifen. Die Aufnahmen 11 am Optikmodul 2 können nun die Befestigungsmittel 16 zum Beispiel über einen hydraulischen, pneumatischen oder über eine Feder gespannten Mechanismus einspannen, um das Fokussiermodul 13 am Optikmodul 2 zu befestigen. Anschließend kann der Werkzeugwechsler 25 zurück in die abtrennbare Werkzeugkammer verschoben und die Bearbeitung des Werkstücks gestartet beziehungsweise fortgesetzt werden. During automatic replacement of the powder nozzle 15, the cooling lines of the optical module 2 with the cooling channels of the powder nozzle 15 are automatically connected or disconnected via the corresponding interfaces. Accordingly, the lines for material powder in the optical module 2 with the material powder channels in the powder nozzle 15 are automatically connected or separated via the corresponding interfaces. The corresponding interfaces for the lines and channels can be designed to be releasable and, for example, each be controlled via a hydraulic or pneumatic. An automatic change of the focusing module 13 can be done in a similar manner as the automatic change of the powder nozzle 15. In this case, the upper part of the tool changer 25 is moved by means of the control axis 25a with the focusing modules 13 in the process chamber 22. To change the focusing module 13, however, a powder nozzle 15 attached to the optical module 2 must first be released. This is done as described above by the powder nozzle 15 is deposited at a free storage position of the tool changer 25. The adjusting axes 18 then move the optical module 2 to a position at which the tool changer 25 is located with the plurality of focusing modules 13. The focusing module 13 fastened to the optical module 2 can be released by opening the receptacles 11 on the optical module 2, so that the focusing module 13 detached from the optical module 2 and can be stored at a free storage position of the tool changer 25. In the following, another focusing module 13 can be attached to the optical module 2. For this purpose, the optical module 2 is moved such that the fastening means 16 of the focusing module 13 engage in the receptacles 11 on the optical module 2. The receptacles 11 on the optical module 2 can now clamp the fastening means 16, for example via a hydraulic, pneumatic or tensioned by a spring mechanism to attach the focusing module 13 to the optical module 2. Subsequently, the tool changer 25 can be moved back into the detachable tool chamber and the processing of the workpiece can be started or continued.
Die benötigten Verfahrwege der Stellachsen 18, 25a, 25b können in einem Speicher der Maschinensteuerung hinterlegt sein, so dass das Wechseln des Fokussiermoduls 13 beziehungsweise der Pulverdüse 15 vollautomatisch ausgeführt werden kann. Der Wechsel des Fokussiermoduls 13 beziehungsweise der Pulverdüse 15 kann somit auch in einen Bearbeitungsprozess integriert werden. Abhängig von der gewünschten Größe der zu fertigenden Strukturen des Werkstücks 30 beziehungsweise des Formkörpers 30 wird ein geeigneter Durchmesser des Laserstrahls im Brennpunkt gewählt. Je kleiner der Durchmesser des Laserstrahls am Brennpunkt ist, desto kleinere Strukturen können gefertigt werden. Den Durchmesser des Laserstrahls bestimmt wie in Tabelle 1 gezeigt die Brennweite der Fokussieroptik 14 sowie der Kollimationsoptik 3. Für jeden Bearbeitungsvorgang kann somit eine geeignete Kombination aus Kollimationsoptik 4 und Fokussieroptik 14 gewählt werden. In Abhängigkeit der gewählten Kollimationsoptik 4 und Fokussieroptik 14 wird wiederum eine geeignete Pulverdüse 15 gewählt und am Optikmodul 2 befestigt. Einerseits muss die Öffnung der Pulverdüsenspitze 15b groß genug sein, so dass der Laserstrahl L ungehindert passieren kann. Andererseits soll die Öffnung der Pulverdüsenspitze 15b klein genug sein, um einen günstigen und gleichmäßigen Fluss des Werkstoffpulvers P durch den Ringspalt 15c zum Brennpunkt des Laserstrahls L zu bewirken. Entsprechend der gewählten Strukturgröße wird dementsprechend eine geeignete Kollimationsoptik 4 am Kollimationsoptikwechsler 3 eingestellt sowie ein geeignetes Fokussiermodul 13 und eine entsprechende Pulverdüse 15 am Optikmodul 2 befestigt. The required travel paths of the adjusting axles 18, 25a, 25b can be stored in a memory of the machine control, so that the changing of the focusing module 13 or the powder nozzle 15 can be carried out fully automatically. The change of the focusing module 13 or the powder nozzle 15 can thus also be integrated into a machining process. Depending on the desired size of the structures to be produced of the workpiece 30 or of the shaped body 30, a suitable diameter of the laser beam is selected at the focal point. The smaller the diameter of the laser beam at the focal point, the smaller the structures can be made. The diameter of the laser beam determines the focal length of the focusing optics 14 and of the collimation optics 3, as shown in Table 1. Thus, a suitable combination of collimating optics 4 and focusing optics 14 can be selected for each machining operation. Depending on the selected collimating optics 4 and focusing optics 14, a suitable powder nozzle 15 is again selected and attached to the optics module 2. On the one hand, the opening of the powder nozzle tip 15b must be large enough so that the laser beam L can pass unhindered. On the other hand, the opening of the powder nozzle tip 15b should be small enough to cause a favorable and uniform flow of the material powder P through the annular gap 15c to the focal point of the laser beam L. Correspondingly, a suitable collimating optical system 4 is adjusted on the collimating optical changer 3 and a suitable focusing module 13 and a corresponding powder nozzle 15 are fastened to the optical module 2 in accordance with the selected structure size.
Der erste Umlenkspiegel 6 weist Mittel zum Kühlen und Überwachen der Temperatur des Spiegels 6 auf. Der zweite Umlenkspiegel 7 ist ein dichroitischer Spiegel, der ebenfalls Mittel zum Kühlen und Überwachen der Temperatur des Spiegels 7 aufweist. Für die Wellenlänge des Laserstrahls, die beispielsweise im infraroten Spektralbereich liegt, ist der dichroitische Spiegel 7 reflektierend. Für sichtbares Licht hingegen kann der dichroitische Spiegel durchlässig sein. Hinter dem dichroitischen Spiegel 7 kann eine Kamera 9 zum Überwachen des Fertigungsprozesses angeordnet sein. Die Kamera 9 ist mit Blickrichtung entlang des Laserstrahls durch den dichroitischen Spiegel und durch die Fokussieroptik 14 auf den Brennpunkt des Laserstrahls angeordnet. Somit kann mit der Kamera 9 der Arbeitspunkt auf dem Werkstück beziehungsweise dem zu fertigenden Formkörper überwacht werden. The first deflecting mirror 6 has means for cooling and monitoring the temperature of the mirror 6. The second deflecting mirror 7 is a dichroic mirror, which also has means for cooling and monitoring the temperature of the mirror 7. For the wavelength of the laser beam, which is for example in the infrared spectral range, the dichroic mirror 7 is reflective. For visible light, however, the dichroic mirror may be permeable. Behind the dichroic mirror 7, a camera 9 may be arranged to monitor the manufacturing process. The camera 9 is viewed along the laser beam through the dichroic mirror and through the focusing optics 14 to the focal point of the laser beam arranged. Thus, with the camera 9, the operating point on the workpiece or the molded article to be manufactured can be monitored.
Das Optikmodui 2 weist Schnittstellen zum Empfangen von Steuersignalen von einer Maschinensteuerung auf. Die Steuersignale können beispielsweise bewirken, dass der Kollimationsoptikwechsler 3 einen Kollimationsoptikwechsel ausführt. Über die Schnittstellen können ferner die gemessenen Temperaturen der Kollimationsoptiken 4, der Umlenkspiegel 6, 7 oder der anderen optischen Komponenten an die Maschinensteuerung übertragen werden. Das Wirkprinzip des Laserauftragsschweißens wird anhand der Fig. 7 illustriert. Fig. 7 zeigt die Spitze 30 einer Pulverdüse 15 in der Nähe eines zu bearbeitenden Werkstücks W. Ein fokussierter Laserstrahl L verläuft koaxial zur Pulverdüse 15 und ist auf einen Arbeitspunkt auf dem Werkstück W fokussiert. Das Werkstoffpulver P wird koaxial zum Laserstrahl L durch die Pulverdüse 15 zum Brennpunkt des Laserstrahls L am Werkstück W geleitet. Ein Schutz- beziehungsweise Trägergas G strömt ebenfalls durch die Pulverdüse 15 und transportiert dabei das Werkstoff pulver P. Das Schutzgas G, beispielsweise Argon, dient außerdem dazu, unerwünschte Reaktionen des erhitzten Werkstoff pulvers P oder des Werkstücks W mit Luftsauerstoff zu unterbinden. The optical module 2 has interfaces for receiving control signals from a machine controller. The control signals can, for example, cause the collimating optical changer 3 to perform a collimation optical change. Furthermore, the measured temperatures of the collimating optics 4, the deflection mirrors 6, 7 or the other optical components can be transmitted to the machine control via the interfaces. The operating principle of the laser deposition welding is illustrated with reference to FIG. 7. Fig. 7 shows the tip 30 of a powder nozzle 15 in the vicinity of a workpiece W to be machined. A focused laser beam L is coaxial with the powder nozzle 15 and is focused on an operating point on the workpiece W. The material powder P is passed coaxially to the laser beam L through the powder nozzle 15 to the focal point of the laser beam L on the workpiece W. A protective or carrier gas G also flows through the powder nozzle 15 and thereby transports the material powder P. The inert gas G, such as argon, also serves to prevent unwanted reactions of the heated material powder P or the workpiece W with atmospheric oxygen.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein. The features disclosed in the foregoing description, the claims and the drawings may be of importance both individually and in any combination for the realization of the invention in its various forms.
Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Laser-Werkzeugmaschine 1 laser machine tool
2 Optikmodul  2 optics module
3 Kollimationsoptikwechsler  3 collimation optics changer
4 Kollimationsoptik  4 collimation optics
6 erster Umlenkspiegel  6 first deflection mirror
7 zweiter Umlenkspiegel (dichroitischer Spiegel)  7 second deflecting mirror (dichroic mirror)
8 Gehäuse  8 housing
9 Kamera  9 camera
10 Faserkoppler  10 fiber couplers
11 Schnittstelle für Fokussieroptik  11 Interface for focusing optics
12 Schnittstelle für Pulverdüse  12 interface for powder nozzle
13 Fokussiermodul  13 focusing module
13a Thermoelement 13 b Schnittstelle des Thermoelements13a thermocouple 13 b Interface of the thermocouple
14 Fokussieroptik 14 focusing optics
14a Schutzglas  14a protective glass
15 Pulverdüse  15 powder nozzle
15a Pulverdüsenflansch  15a powder nozzle flange
15b Pulverdüsenspitze  15b powder nozzle tip
15c Ringspalt  15c annular gap
15d Werkstoffpulverkanal  15d material powder channel
15e Kühlkanal  15e cooling channel
15f Kühlmittelkupplung  15f coolant coupling
15g Werkstoffpulvereinlass  15g material powder inlet
151 Lamellen  151 lamellae
15w Wabenstruktur  15w honeycomb structure
16 Spannbolzen  16 clamping bolts
17 Strahlengang des Lasers  17 beam path of the laser
18 Stellachsen des Werkzeugs  18 adjustment axes of the tool
19 Stellachsen des Werkstücktisches 19 adjustment axes of the workpiece table
20 Werkstücktisch 20 workpiece table
21 Maschinenrahmen  21 machine frame
22 Prozesskammer  22 process chamber
23 Prozessraumtür  23 process room door
24 Display  24 display
25 Werkzeugwechsler  25 tool changer
25a Stellachse des Fokussieroptikwechslers 25a positioning axis of the focusing optical changer
25b Stellachse des Pulverdüsenwechslers25b Adjusting axis of the powder nozzle changer
30 Werkstück 30 workpiece
L Laserstrahl  L laser beam
W Werkstück  W workpiece
P Werkstückpulver  P workpiece powder
G Schutzgas und/oder Trägergas  G protective gas and / or carrier gas

Claims

Patentansprüche claims
1. Fokussiermodul (13) für eine Maschine (1) zum Bearbeiten von Werkstücken und/oder zum Herstellen von Formkörpern durch ortsselektives Verfestigen von Werkstoff pulver zu zusammenhängenden Bereichen mittels eines Laserstrahls, umfassend: 1. focussing module (13) for a machine (1) for processing workpieces and / or for the production of moldings by site-selective solidification of material powder to coherent areas by means of a laser beam, comprising:
einen im Wesentlichen zylindrischen Trägergehäuse;  a substantially cylindrical support housing;
eine Fokussieroptik (14); und  a focusing optics (14); and
Befestigungsmittel (16) zum lösbaren Befestigen des Fokussiermoduls (13) an einem Laserbearbeitungskopf (2) der Maschine (1).  Fastening means (16) for releasably securing the focusing module (13) to a laser processing head (2) of the machine (1).
2. Fokussiermodul (13) nach Anspruch 1, wobei die Befestigungsmittel (16) mindestens zwei Spannbolzen aufweisen. 2. focussing module (13) according to claim 1, wherein the fastening means (16) have at least two clamping bolts.
3. Fokussiermodul (13) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Fokussiermodul (13) Mittel zum Kühlen der Fokussieroptik (14) aufweist. 3. focussing module (13) according to claim 1 or 2, wherein the focusing module (13) comprises means for cooling the focusing optics (14).
4. Fokussiermodul (13) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Fokussiermodul (13) Mittel zum Messen der Temperatur der Fokussieroptik (14) aufweist. 4. focussing module (13) according to any one of the preceding claims, wherein the focusing module (13) comprises means for measuring the temperature of the focusing optics (14).
5. Fokussiermodul (13) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das5. focussing module (13) according to any one of the preceding claims, wherein the
Fokussiermodul (13) mindestens ein Schutzglas (14a) zum Schützen der Fokussieroptik (14) vor Verschmutzung aufweist. Focusing module (13) at least one protective glass (14a) for protecting the focusing optics (14) from contamination.
6. Fokussiermodul (13) nach Anspruch 5, wobei das Fokussiermodul (13) Mittel (13a) zum Messen der Temperatur des mindestens einen Schutzglases (14a) aufweist. 6. focussing module (13) according to claim 5, wherein the focusing module (13) has means (13a) for measuring the temperature of the at least one protective glass (14a).
7. Fokussiermodul (13) nach Anspruch 4 und/oder 6, wobei das Fokussiermodul (13) mindestens eine Schnittstelle (13b) zum Übertragen eines gemessenen Temperatursignals vom Mittel (13a) zum Messen der Temperatur der Fokussieroptik und/oder des mindestens einen Schutzglases (14a) an die Maschine (1) aufweist. 7. focussing module (13) according to claim 4 and / or 6, wherein the focusing module (13) at least one interface (13b) for transmitting a measured temperature signal from the means (13a) for measuring the temperature of the focusing optics and / or the at least one protective glass ( 14a) to the machine (1).
8. Fokussiermodul (13) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fokussieroptik (14) in Abhängigkeit ihrer Brennweite in axialer Richtung im Trägergehäuse positioniert ist. 8. focussing module (13) according to any one of the preceding claims, wherein the focusing optics (14) is positioned in dependence on their focal length in the axial direction in the carrier housing.
9. Fokussiermodul (13) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fokussieroptik (14) lösbar im Fokussiermodul (13) befestigt ist. 9. focussing module (13) according to any one of the preceding claims, wherein the focusing optics (14) is releasably secured in the focusing module (13).
10. Maschine (1) zum Bearbeiten von Werkstücken und/oder zum Herstellen von Formkörpern durch ortsselektives Verfestigen von Werkstoffpulver zu zusammenhängenden Bereichen mittels eines Laserstrahls, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschine ein Fokussiermodul (13) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9 aufweist. 10. Machine (1) for machining workpieces and / or for producing shaped bodies by locally solidifying material powder to coherent areas by means of a laser beam, characterized in that the machine has a focusing module (13) according to at least one of claims 1 to 9.
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