DE102019115554A1

DE102019115554A1 - Bearbeitungsvorrichtung zur Laserbearbeitung eines Werkstücks und Verfahren zur Laserbearbeitung eines Werkstücks

Info

Publication number: DE102019115554A1
Application number: DE102019115554.1A
Authority: DE
Inventors: Simon Scheidiger; Andreas Luedi; Martin Mumenthaler; Markus Steinlin
Original assignee: Bystronic Laser AG
Current assignee: Bystronic Laser AG
Priority date: 2019-06-07
Filing date: 2019-06-07
Publication date: 2020-12-10
Also published as: JP7175407B2; US11478879B2; US20220143756A1; CN113924184B; CN113924184A; JP2023016817A; WO2020245349A1; JP7464678B2; EP3980216A1; EP3980216B1; JP2022528291A

Abstract

Es wird eine Bearbeitungsvorrichtung zur Laserbearbeitung eines Werkstücks in einer Bearbeitungszone bereitgestellt, mit einer ersten Schnittstelle für eine Bearbeitungslaserquelle zum Erzeugen eines Bearbeitungslaserstrahls, einer zweiten Schnittstelle für eine Detektoreinrichtung zum Detektieren einer von der Bearbeitungszone emittierten Strahlung; einer Austrittsöffnung für den Bearbeitungslaserstrahl; und einer ersten und einer zweiten Laserstrahlführungseinrichtung, wobei die erste Laserstrahlführungseinrichtung derart angeordnet und ausgebildet ist, dass sie den Bearbeitungslaserstrahl zu der zweiten Laserstrahlführungseinrichtung führt und den Bearbeitungslaserstrahl dynamisch bewegt und die zweite Laserstrahlführungseinrichtung derart angeordnet und ausgebildet ist, dass sie den dynamisch bewegten Bearbeitungslaserstrahl durch die Austrittsöffnung führt und die von der Bearbeitungszone durch die Austrittsöffnung emittierte Strahlung zumindest teilweise zu der zweiten Schnittstelle führt. Es wird ferner ein Verfahren zur Laserbearbeitung eines Werkstücks bereitgestellt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bearbeitungsvorrichtung zur Laserbearbeitung eines Werkstücks, eine Verwendung einer Bearbeitungsvorrichtung zur Laserbearbeitung eines Werkstücks und ein Verfahren zur Laserbearbeitung eines Werkstücks.
Bei der Laserbearbeitung von Werkstücken, insbesondere bei Verfahren zum thermischen Trennen von Werkstoffen mittels Laserstrahlung, wie Laserschneiden, werden Laserbearbeitungsvorrichtungen eingesetzt. In vielen Fällen wird dabei ein Laserbearbeitungskopf genutzt, der den Bearbeitungslaserstrahl auf das Werkstück führt, beispielsweise auf ein zu bearbeitendes Blech.
Je nach Werkstücktyp, z.B. je nach Blechdicke und Material des Werkstücks, und/oder je nach Bearbeitungsprozess kann es wünschenswert sein, unterschiedliche Laserstrahlen einzusetzen. Einige marktübliche Laserbearbeitungsköpfe stellen ein unveränderbares optisches Abbildungsverhältnis für den Laserstrahl aus der Laserquelle bereit. Diese Art der Abbildung ist aber in der Praxis als ein Kompromiss anzusehen: eine fixe Abbildung geht insbesondere bei mittleren bis grossen Blechdicken mit Einbußen in der Schnittqualität, namentlich Rauheit und Gratanhaftung, sowie mit geringeren Vorschubgeschwindigkeiten einher. In den letzten Jahren wurden deshalb Zoom-Optiken für Laserbearbeitungsköpfe entwickelt, um die Spotgrösse des fokussierten Laserstrahls an die jeweilige Anwendung (beim Laserschneiden z.B. an die Blechdicke und das Material) anzupassen.
Es gibt auch Ansätze für eine Adaption des Laserstrahls an den Bearbeitungsprozess, bei der die Intensitätsverteilung und/oder die Qualität, insbesondere das Strahlparameterprodukt (BPP Beam Parameter Product) des Laserstrahls an die Anwendung angepasst werden können:

US8781269 B2 beschreibt ein Verfahren zum Verändern der Strahlprofilcharakteristik eines Laserstrahls.

US9250390 B2 betrifft ein Wellenleitersystem für ein Laserbearbeitungssystem, mit dem die Divergenz des Laserstrahls dynamisch und gleichzeitig mit der Spotgröße angepasst werden kann.
US9346126 B2 offenbart einen Laserbearbeitungskopf, der einen aus einem Laseroszillator emittierten Laserstrahl mit einer sphärischen Linse konvergiert.
EP2730363 A1 beschreibt ein optisches System für einen Laserbearbeitungsapparat, mit dem mittels Linsen und einem Axicon die Intensitätsverteilung des Laserstrahls verändert werden kann.
EP2762263 A1 betrifft einen Laserschneidapparat, bei dem mittels einer Kondenserlinse ein ringförmiger Laserstrahl mit expandierenden inneren und äußeren Durchmessern erzeugt wird.
Gemäß DE2821883 B1 können mittels eines Axikons und einer nachgeschalteten Linse ring- oder topfförmige Temperaturverteilungen erzeugt werden, die eine Homogenisierung der Temperatur im Werkstück bewirken.
DE102015116033 A1 beschreibt eine Laserbearbeitungsvorrichtung mit einem optischen Transmissionselement, das einen Strahldurchmesservergrößerungsteil besitzt.
EP2778746 B1 offenbart eine Vorrichtung, mit der Größen-Parameter des Strahlflecks in der Fokus-Ebene variiert werden können.
DE102015101263 A1 betrifft eine Vorrichtung zur Materialbearbeitung mittels Laserstrahlung mit einer Fokussieroptik und mit einer Einstelloptik zum Einstellen der Intensitätsverteilung mit zumindest zwei plattenförmigen optischen Elementen.
DE102008053397 B4 offenbart ein Verfahren zum Schmelzschneiden von Werkstücken mit Laserstrahlung, bei dem der Neigungswinkel der Schneidfront permanent durch eine der Vorschubbewegung überlagerte Bewegung des Brennpunktes des Laserstrahls so verändert wird, dass der Einfallswinkel des Laserstrahls innerhalb eines Intervalls um den Brewster-Winkel gehalten wird.
Hochfrequentes Strahloszillieren gehört zu den Technologien der dynamischen Strahlformung (Dynamic Beam Shaping) und hat den grossen Vorteil, dass unterschiedliche Intensitätsverteilungen erzeugt werden können und eine hohe Flexibilität bei der Anpassung des Laserstrahls an die jeweilige Blechdicke/-qualität besteht. Auf diese Weise können auch bessere Ergebnisse bei der Laserbearbeitung erzielen werden (siehe Goppold et al.: Chancen und Herausforderungen der dynamischen Strahlformung, Deutscher Schneidkongress, 2018; Goppold et al.: Dynamic Beam Shaping Improves Laser Cutting of Thick Steel Plates, Industrial Photonics, 2017; Goppold et al.: Laserschmelzschneiden mit dynamischer Strahlformung, Fraunhofer IWS Jahresbericht, 2015; Mahrle et al.: theoretical aspects of fibre laser cutting, Journal of Physics D Applied Physics, 2009).
Ähnlich wichtig wie das Laserstrahlwerkzeug ist auch eine möglichst autonome und selbstständig agierende Laserbearbeitungsvorrichtung, welche ohne oder mit möglichst wenig Bedienungspersonal in der Produktion eingesetzt werden kann. In solchen Fällen wird oft eine Prozessüberwachung mit Regelung eingesetzt, welche unerwünschtes Prozessverhalten bei der Laserbearbeitung autonom erkennt und idealerweise korrigieren kann. Eine mit dem Bearbeitungslaserstrahl koaxiale Kamerabeobachtung der Bearbeitungszone des Werkstücks, beispielsweise mit koaxialer Beleuchtung, stellt ein Beispiel einer Prozessbeobachtung dar.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Bearbeitungsvorrichtung und ein Verfahren zur Laserbearbeitung eines Werkstücks bereitzustellen, die eine dynamische Strahlformung bei gleichzeitiger Prozessbeobachtung ermöglichen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Bearbeitungsvorrichtung zur Laserbearbeitung eines Werkstücks nach Anspruch 1, eine Verwendung einer Bearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 20 und ein Verfahren zur Laserbearbeitung eines Werkstücks nach Anspruch 21.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird eine Bearbeitungsvorrichtung zur Laserbearbeitung eines Werkstücks in einer Bearbeitungszone, insbesondere zum Laserschneiden, insbesondere Laserbearbeitungskopf, bereitgestellt, mit einer ersten Schnittstelle für eine Bearbeitungslaserquelle zum Erzeugen eines Bearbeitungslaserstrahls, einer zweiten Schnittstelle für eine Detektoreinrichtung zum Detektieren einer von der Bearbeitungszone emittierten Strahlung; einer Austrittsöffnung für den Bearbeitungslaserstrahl; und einer ersten und einer zweiten Laserstrahlführungseinrichtung, wobei die erste Laserstrahlführungseinrichtung derart angeordnet und ausgebildet ist, dass sie den Bearbeitungslaserstrahl zu der zweiten Laserstrahlführungseinrichtung führt und den Bearbeitungslaserstrahl dynamisch bewegt, insbesondere dynamisch formt, und die zweite Laserstrahlführungseinrichtung derart angeordnet und ausgebildet ist, dass sie den dynamisch bewegten Bearbeitungslaserstrahl durch die Austrittsöffnung führt und die von der Bearbeitungszone durch die Austrittsöffnung emittierte Strahlung zumindest teilweise zu der zweiten Schnittstelle führt.
So kann der Bearbeitungslaserstrahl mittels der ersten Laserstrahlführungseinrichtung dynamisch bewegt und mittels der zweiten Laserstrahlführungseinrichtung durch die Austrittsöffnung geführt werden. Gleichzeitig kann die von dem bearbeiteten Werkstück durch die Austrittsöffnung emittierte Strahlung von der zweiten Laserstrahlführungseinrichtung zu der zweiten Schnittstelle geführt werden, z.B. zum Zwecke einer Prozessbeobachtung. Dies ermöglicht, dass der Strahlengang der von der Bearbeitungszone durch die Austrittsöffnung emittierten und zur zweiten Schnittstelle geführten Strahlung getrennt und unbeeinflusst von dem Teil des Strahlengangs des Bearbeitungslasers angeordnet ist, in dem die dynamische, insbesondere strahlformende, Bewegung des Bearbeitungslaserstrahls erzeugt wird. Im Bereich zwischen der Austrittsöffnung und der zweiten Laserstrahlführungseinrichtung kann der Strahlengang der von der Bearbeitungszone emittierten und zur zweiten Schnittstelle geführten Strahlung koaxial mit dem Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls verlaufen. Zudem wird eine platzsparende Anordnung der Strahlengänge des Bearbeitungslasers und der von der Bearbeitungszone durch die Austrittsöffnung emittierten und zur zweiten Schnittstelle geführten Strahlung realisiert. Des Weiteren ist die Bearbeitungsvorrichtung, auch wenn sie als Bearbeitungskopf ausgeführt ist, für Leistungen des Bearbeitungslasers über 4 kW einsetzbar, da der Teil des Strahlengangs des Bearbeitungslasers, in dem die dynamische und/oder strahlverändernde Bewegung des Bearbeitungslaserstrahls erzeugt wird, separat angeordnet ist. Insbesondere kann der Bearbeitungslaserstrahl zumindest senkrecht zu seiner Ausbreitungsrichtung dynamisch bewegt werden. Auf diese Weise können nahezu beliebige Intensitätsverteilungen des Strahlspots und Strahlparameterprodukte des Bearbeitungslaserstrahls bereitgestellt werden, während die von der Bearbeitungszone durch die Austrittsöffnung emittierte und zur zweiten Schnittstelle geführte Strahlung davon unbeeinflusst bleibt.
Die zweite Schnittstelle kann mit einer Detektoreinrichtung zum Detektieren zumindest eines Teils der von der Bearbeitungszone durch die Austrittsöffnung emittierten Strahlung verbunden oder versehen sein. Dies ermöglicht, dass der Strahlengang einer Detektor-basierten Prozessbeobachtung der Bearbeitungszone derart getrennt vom Strahlengang des Bearbeitungslasers angeordnet ist, dass die Prozessbeobachtung unbeeinflusst ist von der strahlverändernden Wirkung der dynamischen Bewegung des Bearbeitungslaserstrahls.
Die erste Laserstrahlführungseinrichtung und/oder die zweite Laserstrahlführungseinrichtung können derart ausgebildet sein, dass der Bearbeitungslaserstrahl umgelenkt wird. So kann innerhalb der Bearbeitungsvorrichtung der Bearbeitungsstrahl mindestens einmal umgelenkt werden. Bei einer Umlenkung kann die Strahlformung durchgeführt werden. Bei einer anderen Umlenkung des Bearbeitungslaserstrahls kann die Umlenkung mit der Prozessbeobachtung kombiniert werden. Auf diese Weise kann ein separater, nicht strahlverändernder Bereich für die von der Bearbeitungszone durch die Austrittsöffnung emittierte Strahlung geschaffen werden, und der Bearbeitungslaserstrahl kann in einem strahlverändernden Bereich beliebig verändert, z.B. geformt werden, ohne die Abbildung der Bearbeitungszone für den Prozessbeobachtungsdetektor, z.B. eine Kamera, zu beeinflussen. Zudem fördern diese Ausführungsformen einen platzsparenden Aufbau der Bearbeitungsvorrichtung.
Die erste Laserstrahlführungseinrichtung kann mindestens eine Umlenkeinrichtung für den Bearbeitungslaserstrahl aufweisen, die mittels mindestens einer Bewegungseinheit zumindest teilweise dynamisch beweglich ist. Hierzu kann die Umlenkeinrichtung eine den Bearbeitungslaserstrahl zumindest teilweise reflektierende, dynamisch bewegliche Oberfläche aufweisen. Diese Ausführungsformen stellen eine besonders platzsparende Konfiguration der Bearbeitungsvorrichtung bereit.
Die Umlenkeinrichtung kann ferner mindestens einen dynamisch orientierbaren Spiegel aufweisen. Damit kann der Bearbeitungslaserstrahl hoch variabel geformt werden.
In weiteren Ausführungsformen kann die erste Laserstrahlführungseinrichtung mindestens einen Galvanometer-Scanner aufweisen. Es kann die Umlenkeinrichtung als Galvanometer-Scanner ausgebildet sein. Dies ermöglicht unterschiedliche Strahlzuführungen zur Bearbeitungsvorrichtung. Zudem sind Galvanometer-Scanner als fertige Einheiten erhältlich und in der Bearbeitungsvorrichtung unkompliziert einsetzbar. Außerdem ermöglicht der Galvanometer-Scanner eine hoch flexible dynamische Strahlformung des Bearbeitungslaserstrahls insbesondere senkrecht zu seiner Ausbreitungsrichtung, und damit die Bereitstellung nahezu beliebiger Intensitätsverteilungen des Laserstrahlspots und Strahlparameterprodukte.
In einer Ausführungsform kann die Umlenkeinrichtung mindestens einen Segmentspiegel mit mehreren Spiegelsegmenten, die jeweils dynamisch orientierbar sind, aufweisen. Gemäß einer alternativen Ausführungsform kann die Umlenkeinrichtung mindestens einen dynamisch verformbaren Spiegel aufweisen. In beiden Ausführungen kann die Umlenkeinrichtung eine den Bearbeitungslaserstrahl zumindest teilweise reflektierende Gesamtoberfläche bereitstellen, deren Oberflächengeometrie, insbesondere deren Krümmung, hoch dynamisch verstellbar ist. Mit diesen Ausführungsformen kann daher nicht nur eine hoch flexible dynamische Strahlformung des Bearbeitungslaserstrahls senkrecht zu seiner Ausbreitungsrichtung bewirkt werden. Es kann auch eine Verstellung der Lage des Fokus des Laserstrahls parallel zu seiner Ausbreitungsrichtung realisiert werden, insbesondere eine Modifikation der Brennweite des optischen Systems der Bearbeitungsvorrichtung, z.B. eine Zoomfunktion.
In den vorstehenden Ausführungsformen kann die Umlenkeinrichtung mindestens ein Element ausgewählt aus einem mit mindestens einem Piezo-Aktuator verformbaren Spiegel, einem bimorph deformierbaren Spiegel, einem auf MEMS- oder MOEMS-Basis deformierbaren Spiegel und einem auf Schwingspulen-Basis deformierbaren Spiegel aufweisen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Umlenkeinrichtung mindestens einen Spiegel aufweisen, der um eine Achse rotierbar ist, die mit einer spiegelnden Ebene des Spiegels einen Winkel einschließt, und der derart orientierbar ist, dass der Winkel größer oder kleiner 90° ist. Dies ermöglicht, dass der Kippwinkel des Spiegels eingestellt werden und der gekippte Spiegel schnell, z.B. mit einer Frequenz von 100Hz bis 10kHz, um seine Achse rotieren kann. Wird der Winkel ungleich 90° eingestellt, so beschreibt der Laserstrahl eine Kreisbewegung. Auf diese Weise kann der Bearbeitungslaserstrahl mit hoher Geschwindigkeit auf einer Kreisbahn mit einstellbarem Radius auf dem Werkstück geführt werden. Für den thermisch trägen Schneidprozess kann sich so im zeitlichen Mittel der hochdynamisch bewegte Bearbeitungslaserstrahl wie ein sogenannter Doughnut-Strahl auswirken.
In einer anderen Ausführungsform kann die erste Laserstrahlführungseinrichtung mindestens eine optische Einheit, insbesondere eine refraktive optische Einheit und/oder einen außeraxialen (Off-Axis-) Parabolspiegel, die mittels mindestens einer Bewegungseinheit zumindest teilweise dynamisch beweglich ist, insbesondere eine dynamisch beweglich gehaltene Laserfaserendeinheit, und optional mindestens eine erste Umlenkeinrichtung für den Bearbeitungslaserstrahl aufweisen, die nicht dynamisch beweglich ist. Dadurch kann bereits im Bereich der Einkopplung bzw. Zuführung des Bearbeitungslaserstrahls in die Bearbeitungsvorrichtung eine dynamische Bewegung des Bearbeitungslaserstrahls realisiert werden, der anschließend ohne weitere dynamisch bewegliche Führungselemente zur zweiten Laserstrahlführungseinrichtung geführt werden kann. Insbesondere kann mittels der dynamisch beweglichen optischen Einheit eine oszillierende Strahlpendelbewegung des Bearbeitungslaserstrahls bewirkt werden.
Bei den vorgenannten Ausführungsformen kann die Bewegungseinheit mindestens ein Element ausgewählt aus einem Piezo-Aktuator, einem Elektromotor, einem pneumatischen Motor, einem Exzenter, einer Vorrichtung zur Erzeugung eines oszillierenden elektromagnetischen Felds, einem MEMS-Oszillator, einer Schwingspule, einem elektrostatisch bewegbaren Aktuator, einer Mehrzahl davon und/oder einer Kombination davon aufweisen. Dies ermöglicht eine hochvariable und/oder hochfrequente dynamische Bewegung des Bearbeitungslaserstrahls.
In weiteren Ausführungsformen kann die erste Laserstrahlführungseinrichtung derart ausgebildet sein, dass der Bearbeitungslaserstrahl in einem Winkel kleiner, gleich und/oder größer 90° und mindestens einmal umgelenkt wird. Die zweite Laserstrahlführungseinrichtung kann derart ausgebildet sein, dass der Bearbeitungslaserstrahl in einem Winkel kleiner, gleich oder größer 90° umgelenkt wird. Die erste Laserstrahlführungseinrichtung kann derart ausgebildet sein, dass der Bearbeitungslaserstrahl mindestens einmal in einem Winkel kleiner oder größer 90° und mindestens einmal in einem Winkel kleiner 90° umgelenkt wird. Die vorgenannten Ausführungsformen ermöglichen eine Strahlzuführung des Bearbeitungslaserstrahls in die Bearbeitungsvorrichtung, bei der der Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls zwischen der ersten Schnittstelle und der ersten Laserstrahlführungseinrichtung parallel oder in einem beliebigen Winkel, insbesondere senkrecht, zum Strahlengang des Bearbeitungslasers zwischen der zweiten Laserstrahlführungseinrichtung und der Austrittsöffnung verläuft. Der Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls zwischen der ersten und der zweiten Laserstrahlführungseinrichtung kann in einem beliebigen Winkel, insbesondere senkrecht, zum Strahlengang des Bearbeitungslasers zwischen der zweiten Laserstrahlführungseinrichtung und der Austrittsöffnung verlaufen.
Die zweite Laserstrahlführungseinrichtung kann mindestens eine zweite Umlenkeinrichtung für den Bearbeitungslaserstrahl aufweisen, die nicht dynamisch beweglich ist. Diese Konfiguration fördert zusätzlich, dass die von der Bearbeitungszone durch die Austrittsöffnung emittierte und von der zweiten Laserstrahlführungseinrichtung zur zweiten Schnittstelle geleitete Strahlung nicht durch dynamisch bewegliche Elemente beeinflusst wird.
In Ausführungsformen kann die zweite Laserstrahlführungsanordnung, insbesondere die zweite Umlenkeinrichtung, für die von der Bearbeitungszone emittierte Strahlung zumindest teilweise transparent sein. Die zweite Umlenkeinrichtung kann mindestens einen dichroitischen Spiegel aufweisen oder als ein dichroitischer Spiegel ausgebildet sein. Auf diese Weise kann die zweite Umlenkeinrichtung die von der Bearbeitungszone emittierte Strahlung zumindest teilweise zur zweiten Schnittstelle führen, während sie den Bearbeitungslaserstrahl zur Austrittsöffnung führt. Ferner kann die zweite Laserstrahlführungseinrichtung, insbesondere die zweite Umlenkeinrichtung, derart angeordnet und ausgebildet sein, dass sie den dynamisch bewegten Bearbeitungslaserstrahl zumindest teilweise koaxial mit der von der Bearbeitungszone durch die Austrittsöffnung emittierten Strahlung führt.
Die erste Laserstrahlführungseinrichtung kann im Bereich zwischen der ersten Schnittstelle und der zweiten Laserstrahlführungseinrichtung angeordnet sein. Ferner kann die zweite Laserstrahlführungseinrichtung im Bereich zwischen der zweiten Schnittstelle und der Austrittsöffnung angeordnet sein.
Gemäß Ausführungsformen kann im Bereich zwischen der ersten Schnittstelle und der Austrittsöffnung und/oder im Bereich zwischen der zweiten Schnittstelle und der Austrittsöffnung mindestens ein optisches Element angeordnet sein. Im Bereich zwischen der zweiten Laserstrahlführungseinrichtung und der Austrittsöffnung kann eine fokussierende Optik oder ein fokussierendes optisches Element angeordnet sein.
In Ausführungsformen kann die erste Schnittstelle mit einer Bearbeitungslaserquelle zum Erzeugen des Bearbeitungslaserstrahls verbunden oder versehen sein. Ferner kann die Bearbeitungsvorrichtung eine Steuerungseinheit zum Steuern der Bearbeitungsvorrichtung, insbesondere der ersten Laserstrahlführungseinrichtung, insbesondere der mindestens einen Bewegungseinheit, aufweisen. Die Steuerungseinheit kann beispielsweise zumindest mit der Detektoreinrichtung und der ersten Laserstrahlführungseinheit drahtgebunden oder drahtlos datenleitend verbunden sein und so für eine Prozessüberwachung mit Regelung eingesetzt werden, welche unerwünschtes Prozessverhalten bei der Laserbearbeitung autonom erkennt und/oder korrigieren kann.
Ferner kann die Detektoreinrichtung von Ausführungsformen eine adaptive optische Einheit aufweisen. Die adaptive optische Einheit, z.B. eine adaptive Optik oder adaptive Linse (focus tunable lens) erlaubt es, dass die Schärfe-Ebene der Detektoreinrichtung parallel zur Ausbreitungsrichtung des Bearbeitungsstrahls variiert werden kann, je nach Fokuslage, Werkstückdicke und gewünschter Prozessbeobachtungsebene.
In der Bearbeitungsvorrichtung von Ausführungsformen kann die Bearbeitungslaserquelle eine Laserleistung von mindestens 1 kW, bevorzugt mindestens 4 kW, bevorzugter zwischen 1 bis 30 kW, am meisten bevorzugt zwischen 1 bis 25 kW, bereitstellen. Im Gegensatz zur bisher bekannten dynamischen Strahlformung bis maximal 4kW Laserleistung ist die Bearbeitungsvorrichtung von Ausführungsformen, insbesondere als Laserbearbeitungskopf, für Laserleistungen bis zu mindestens 10kW und auch darüber hinaus einsetzbar. Derart hohe Laserleistungen bei der dynamischen Bewegung, z.B. Strahlformung, des Bearbeitungslaserstrahls, wie auch in Verbindung mit der Möglichkeit, gemäß Ausführungsformen den Bearbeitungsprozess in situ zu beobachten und zu regeln, eröffnen neue Anwendungsbereiche in der Laserbearbeitung, speziell beim Laserschneiden.
In Ausführungsformen kann die dynamisch bewegliche Umlenkeinrichtung oder die dynamisch bewegliche optische Einheit der ersten Laserstrahlführungseinrichtung zumindest teilweise mit einer Frequenz zwischen 10 Hz bis 15 kHz, bevorzugt zwischen 100 Hz und 10 kHz, beweglich sein. Dies ermöglicht eine hoch dynamische Bewegung des Bearbeitungslaserstrahls, insbesondere senkrecht zu dessen Ausbreitungsrichtung. Die erste Laserstrahlführungseinrichtung kann ferner derart ausgebildet sein, dass sie bei der dynamischen Bewegung des Bearbeitungslaserstrahls eine Fokalpunkt-Oszillation mit mindestens einer Schwingungsamplitude und mindestens einer Schwingungsfrequenz und mit einem Fokalpunkt-Oszillationsweg erzeugt, der einer zwei- oder drei-dimensionalen Lissajous-Figur oder einer Kombination von zwei- oder drei-dimensionalen Lissajous-Figuren entspricht.
Eine Ausführungsform der Erfindung betrifft eine Verwendung einer Bearbeitungsvorrichtung nach einer der vorstehenden Ausführungsformen zur Laserbearbeitung eines Werkstücks, insbesondere zum Laserschneiden.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung stellt ein Verfahren zur Laserbearbeitung eines Werkstücks, insbesondere zum Laserschneiden, insbesondere unter Verwendung einer Bearbeitungsvorrichtung nach einer der vorstehenden Ausführungsformen der Bearbeitungsvorrichtung, bereit. Das Verfahren besitzt die Schritte: Bestrahlen einer Bearbeitungszone eines Werkstücks mit einem Bearbeitungslaserstrahl aus einer Bearbeitungslaserquelle, die an einer ersten Schnittstelle einer Bearbeitungsvorrichtung vorgesehen ist, durch eine Austrittsöffnung der Bearbeitungsvorrichtung; und Detektieren zumindest eines Teils einer von der Bearbeitungszone durch die Austrittsöffnung emittierten Strahlung mit einer Detektoreinrichtung, die mit einer zweiten Schnittstelle der Bearbeitungsvorrichtung verbunden oder daran vorgesehen ist; wobei der Bearbeitungslaserstrahl mittels einer ersten Laserstrahlführungseinrichtung der Bearbeitungsvorrichtung dynamisch bewegt, insbesondere dynamisch geformt, und zu einer zweiten Laserstrahlführungseinrichtung der Bearbeitungsvorrichtung geführt wird; der dynamisch bewegte Bearbeitungslaserstrahl mittels der zweiten Laserstrahlführungseinrichtung durch die Austrittsöffnung geführt wird; und die von der Bearbeitungszone durch die Austrittsöffnung emittierte Strahlung mittels der zweiten Laserstrahlführungseinrichtung zumindest teilweise zu der zweiten Schnittstelle geführt wird.
Dabei kann die zweite Laserstrahlführungseinrichtung den dynamisch bewegten Bearbeitungslaserstrahl zumindest teilweise koaxial mit der von der Bearbeitungszone durch die Austrittsöffnung emittierten Strahlung führen.
Mit den Verfahren zur Laserbearbeitung eines Werkstücks der vorstehenden Ausführungsformen können die gleichen Vorteile und Funktionen realisiert werden, wie mit den Ausführungsformen der Bearbeitungsvorrichtung zur Laserbearbeitung eines Werkstücks, insbesondere mit gleichlautenden und/oder analogen Merkmalen.
Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen, den Figuren und den Unteransprüchen.
Alle hier beschriebenen und sich nicht gegenseitig ausschließenden Merkmale von Ausführungsformen können miteinander kombiniert werden. Gleiche Elemente der Ausführungsformen sind in der folgenden Beschreibung mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Einzelne oder mehrere Elemente einer Ausführungsform können in den anderen Ausführungsformen genutzt werden ohne weitere Erwähnung. Ausführungsformen der Erfindung werden nun durch die nachfolgenden Beispiele anhand von Figuren genauer beschrieben, ohne sie dadurch einschränken zu wollen. Es zeigen:

1 schematisch eine Bearbeitungsvorrichtung 10 zur Laserbearbeitung eines Werkstücks als ein erstes Beispiel gemäß Ausführungsformen der Erfindung;
2 schematisch eine Bearbeitungsvorrichtung 100 zur Laserbearbeitung eines Werkstücks als ein zweites Beispiel gemäß Ausführungsformen der Erfindung;
3a schematisch eine Bearbeitungsvorrichtung 200 zur Laserbearbeitung eines Werkstücks als ein drittes Beispiel gemäß Ausführungsformen der Erfindung;
3b schematisch eine Bearbeitungsvorrichtung 201 als eine Modifikation des dritten Beispiels;
4a schematisch eine Bearbeitungsvorrichtung 300 zur Laserbearbeitung eines Werkstücks als ein viertes Beispiel gemäß Ausführungsformen der Erfindung;
4b schematisch eine Bearbeitungsvorrichtung 301 als eine Modifikation des vierten Beispiels;
5 schematisch eine Bearbeitungsvorrichtung 400 zur Laserbearbeitung eines Werkstücks als ein fünftes Beispiel gemäß Ausführungsformen der Erfindung; und
6 schematisch eine Bearbeitungsvorrichtung 500 zur Laserbearbeitung eines Werkstücks als ein sechstes Beispiel gemäß Ausführungsformen der Erfindung.

Beispiele
Im Folgenden wird die Bearbeitungsvorrichtung gemäß Ausführungsformen der Erfindung unter anderem anhand von Beispielen mit Bearbeitungskopf beschrieben, ohne die Erfindung darauf zu begrenzen. Die Bearbeitungsvorrichtung und das Verfahren gemäß Ausführungsformen der Erfindung können auch ohne Bearbeitungskopf realisiert sein/werden.
Die von der Bearbeitungszone des Werkstücks durch die Austrittsöffnung emittierte Strahlung kann durch die Laserbearbeitung des Werkstücks entstehende Strahlung und/oder reflektiertes Beleuchtungslicht beinhalten, und wird im Folgenden auch mit dem Begriff „Prozesslicht“ bezeichnet.
Ferner gilt hier für die Beschreibung von Wertebereichen, dass die Angabe eines breiten Bereichs mit engeren alternativen oder bevorzugten Bereichen auch Bereiche offenbart, die durch eine beliebige Kombination angegebener unterer Bereichsgrenzen mit angegebenen oberen Bereichsgrenzen gebildet werden können.
Die Begriffe „dynamische Bewegung“ des Laserstrahls oder „dynamisch bewegter“ Laserstrahl und Abwandlungen davon bedeuten vorliegend, dass der Laserstrahl hochfrequent, beispielsweise mit Frequenzen von 10 Hz bis 15 kHz, bewegt wird. Gleiches gilt analog für „dynamisch“ bewegbare, orientierbare, verstellbare und/oder verformbare Elemente der Bearbeitungsvorrichtung.
1 stellt schematisch ein erstes Beispiel einer Bearbeitungsvorrichtung 10 gemäß Ausführungsformen der Erfindung zur Laserbearbeitung eines Werkstücks 12 in einer Bearbeitungszone 13 dar.
Die Bearbeitungsvorrichtung 10 besitzt eine erste Schnittstelle 14 für eine Bearbeitungslaserquelle zum Erzeugen eines Bearbeitungslaserstrahls 15 und eine zweite Schnittstelle 16 für eine Detektoreinrichtung zum Detektieren von Prozesslicht 17 von der Bearbeitungszone 13.
In 1 sind die Bearbeitungslaserquelle und die Detektoreinrichtung nicht gezeigt. Wie anhand des Beispiels der 3b veranschaulicht ist, können an der ersten Schnittstelle 14 eine Bearbeitungslaserquelle 82 und an der zweiten Schnittstelle 16 eine Detektoreinrichtung 24 vorgesehen sein. Die Bearbeitungslaserquelle 82 stellt einen Bearbeitungslaserstrahl 15 mit einer Laserleistung im Bereich von zum Beispiel 1 bis 30 kW bereit. Die Bearbeitungslaserquelle 82 besitzt in den vorliegenden Beispielen eine Leistung von ungefähr 6 kW oder mehr, insbesondere von 10 kW, und erzeugt den Bearbeitungslaserstrahl in einem Spektralbereich, der eine Wellenlänge von 1070 nm beinhaltet. Alternativ können Diodendirektlaser (typisch 940 bis 980 nm) und weitere Festkörperlaser (typisch 1030 bis 1080 nm) eingesetzt werden, ausgewählt entsprechend der gewünschten Anwendung der Bearbeitungsvorrichtung und mit entsprechend angepasster Leistung, die kleiner oder grösser 6 kW sein könnte. Die Detektoreinrichtung 24 ist beispielsweise eine für das Prozesslicht 17 empfindliche Kamera. Ist die Bearbeitungsvorrichtung hingegen als ein Bearbeitungskopf ausgeführt, können die erste Schnittstelle 14 zur Ankopplung der Bearbeitungslaserquelle 82 z.B. mittels einer Transportfaser und die zweite Schnittstelle 16 zur drahtlosen oder drahtgebundenen Ankopplung der Detektoreinrichtung 24 dienen und damit verbunden sein.
Die Bearbeitungsvorrichtung 10 besitzt eine Austrittsöffnung 18 für den Bearbeitungslaserstrahl 15.
Innerhalb der Bearbeitungsvorrichtung 10 befinden sich eine erste Laserstrahlführungseinrichtung 20 und eine zweite Laserstrahlführungseinrichtung 22.
Die erste Laserstrahlführungseinrichtung 20 ist im Bereich zwischen der ersten Schnittstelle 14 und der zweiten Laserstrahlführungseinrichtung 22 angeordnet. Im vorliegenden Beispiel weist die erste Laserstrahlführungseinrichtung 20 eine Umlenkeinrichtung mit mindestens einer den Bearbeitungslaserstrahl 15 reflektierenden Oberfläche 20a auf. Die reflektierende Oberfläche 20a ist derart ausgerichtet, dass sie den BearbeiLungsstrahl 15 zu der zweiten Laserstrahlfuhrungseinrichtung 22 umlenkt, und ist mittels mindestens einer Bewegungseinheit 20b zumindest teilweise dynamisch beweglich. Die Bewegungseinheit 20b ist beispielsweise ausgewählt aus einem Piezo-Aktuator, einem Elektromotor, einem pneumatischen Motor, einem Exzenter, einer Vorrichtung zur Erzeugung eines oszillierenden elektromagnetischen Felds, einem MEMS-Oszillator, einer Schwingspule, einem elektrostatisch bewegbaren Aktuator, einer Mehrzahl davon und/oder einer Kombination davon. Die erste Laserstrahlführungseinrichtung 20 ist daher derart angeordnet und ausgebildet, dass sie den Bearbeitungslaserstrahl 15 zu der zweiten Laserstrahlführungseinrichtung 22 umlenkt und den Bearbeitungslaserstrahl 15 beispielsweise bei einer Frequenz zwischen 10 Hz und 15 kHz dynamisch bewegt.
Die zweite Laserstrahlführungseinrichtung 22 ist im Bereich zwischen der ersten Laserstrahlführungseinrichtung 20, der zweiten Schnittstelle 16 und der Austrittöffnung 18 angeordnet.
Im vorliegenden Beispiel weist die zweite Laserstrahlführungseinrichtung 22 eine nicht bewegliche Umlenkeinrichtung 23 auf, die als ein dichroitischer Spiegel ausgeführt ist. In den vorliegend beschriebenen Beispielen handelt es sich beispielhaft um einen Glasspiegel (z.B. SiO₂, fused silica), oder um einen anderen, für sichtbares Prozesslicht transparenten Spiegel. Der dichroitische Spiegel ist dabei zumindest einseitig, auf der der Laserquelle zugewandten Seite, mit einer dielektrischen Beschichtung versehen. Die Grösse des Spiegels ist derart gewählt, dass sie mit dem Durchmesser des Bearbeitungslaserstrahls an der Position des Spiegels korrespondiert. Der dichroitische Spiegel reflektiert zumindest teilweise den Bearbeitungslaserstrahl 15 und ist für zumindest einen Teil des Prozesslichts 17 selektiv transparent. Der dichroitische Spiegel ist derart ausgerichtet, dass der Bearbeitungslaserstrahl 15 zur Austrittsöffnung 18 abgelenkt wird. Die zweite Laserstrahlführungseinrichtung 22 ist somit im vorliegenden Beispiel derart ausgebildet, dass sie den dynamisch bewegten Bearbeitungslaserstrahl 15 umlenkt und durch die Austrittsöffnung 18 auf das Werkstück 12 leitet. Gleichzeitig bewirkt die zweite Laserstrahlführungseinrichtung 22, dass das von der Bearbeitungszone 13 durch die Austrittsöffnung 18 emittierte Prozesslicht 17 zumindest teilweise zu der zweiten Schnittstelle 16 gelangt.
Im Betrieb der Bearbeitungsvorrichtung 10 wird ein Bearbeitungslaserstrahl 15 von der Schnittstelle 14 auf die reflektierende Oberfläche 20a der ersten Laserstrahlführungseinrichtung 20 gerichtet. Die reflektierende Oberfläche 20a wird durch die Bewegungseinheit 20b dynamisch mit einer Frequenz zwischen 10 Hz und 15 kHz bewegt. Dadurch wird der Bearbeitungslaserstrahl 15 dynamisch bewegt und in Richtung der zweiten Laserstrahlführungseinrichtung 22 umgelenkt. Der Bearbeitungslaserstrahl 15 trifft dort auf den dichroitischen Spiegel der Umlenkeinrichtung 23 und wird von diesem in Richtung der Austrittsöffnung 18 abgelenkt. Der dynamisch bewegte und umgelenkte Bearbeitungslaserstrahl 15 tritt durch die Austrittsöffnung 18 aus und trifft auf das Werkstück 12. Dessen Bearbeitungszone 13 emittiert Prozesslicht 17, das teilweise durch die Austrittsöffnung 18 in die Bearbeitungsvorrichtung 10 gelangt, durch den dichroitischen Spiegel dringt und die zweite Schnittstelle 16 erreicht. Auf diese Weise wird der dynamisch bewegte Bearbeitungslaserstrahl 15 zwischen der zweiten Laserstrahlführungseinrichtung 22 und der Austrittsöffnung 18 koaxial mit einem Teil des Prozesslichts 17 geführt. An der zweiten Schnittstelle kann das Prozesslicht 17 mittels der Detektoreinrichtung detektiert werden.
So wird ermöglicht, dass der Strahlengang des zur zweiten Schnittstelle 16 geführten Prozesslichts 17 getrennt und unbeeinflusst von dem Teil des Strahlengangs des Bearbeitungslaserstrahls 15 angeordnet ist, in dem seine dynamische Bewegung erzeugt wird. Aus diesem Grund können beide Funktionalitäten, die dynamische Strahlformung und die Prozesslichtdetektion, in einem Bearbeitungskopf integriert werden. Im Bereich zwischen der Austrittsöffnung 18 und der zweiten Laserstrahlführungseinrichtung 22 verläuft der Strahlengang des Prozesslichts 17 koaxial mit dem Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls 15. Daher wird eine platzsparende Anordnung der Strahlengänge des Bearbeitungslaserstrahls und des Prozesslichts realisiert. Insbesondere wird der Bearbeitungslaserstrahl zumindest senkrecht zu seiner Ausbreitungsrichtung dynamisch bewegt. Auf diese Weise werden mittels dynamischer Strahlformung nahezu beliebige Intensitätsverteilungen des Strahlspots und damit an das zu bearbeitende Werkstück 12 angepasste Strahlparameterprodukte des Bearbeitungslaserstrahls 15 bereitgestellt, während das zum Zwecke der Prozessbeobachtung zur zweiten Schnittstelle 16 geführte Prozesslicht 17 davon im Wesentlichen entkoppelt ist und unbeeinflusst bleibt.
Der Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls 15 zwischen erster Schnittstelle 14 und der ersten Laserstrahlführungseinrichtung 20 ist im Wesentlichen parallel zum Strahlengang zwischen zweiter Laserstrahlführungseinrichtung 22 und der Austrittsöffnung 18 angeordnet, was ebenfalls eine platzsparende Anordnung der Strahlengänge des Bearbeitungslaserstrahls und des Prozesslichts ermöglicht.
2 bis 6 zeigen beispielhafte Abwandlungen der Bearbeitungsvorrichtung der 1. Es werden daher in der diesbezüglichen Figurenbeschreibung die Unterschiede zum Beispiel der 1 erläutert.
2 zeigt schematisch eine Bearbeitungsvorrichtung 100 zur Laserbearbeitung des Werkstücks 12 als ein zweites Beispiel gemäß Ausführungsformen der Erfindung. In diesem Beispiel enthält die Umlenkeinrichtung der ersten Laserstrahlführungseinrichtung 20 einen dynamisch orientierbaren und planen Spiegel 30 aus SiC (Siliziumcarbid). Alternativ kann ein mit einer dielektrischen Schicht, Metallschicht (z.B. Kupfer) oder Metalloxidschicht versehenes Glassubstrat (z.B. fused silica) als Spiegel 30 eingesetzt werden. Die Grösse des Spiegels ist derart gewählt, dass sie mit dem Durchmesser des Bearbeitungslaserstrahls an der Position des Spiegels 30 korrespondiert. Als Bewegungseinheit sind drei Piezo-Aktuatoren 32a vorgesehen, mit denen der Spiegel 30 dynamisch beweglich und so orientierbar ist, auch Piezo-Scanner genannt. Die Piezo-Aktuatoren 32a sind individuell ansteuerbar. Im vorliegenden Beispiel handelt es sich um Piezo-Aktuatoren auf Basis einer modifizierten PZT(Blei-Zirkonat-Titanat)-Keramik mit einer typischen Antriebsspannung von 120 V.
Bei der Laserbearbeitung wird der Spiegel 30 mittels der Piezo-Aktuatoren 32a derart gekippt, dass der Bearbeitungslaserstrahl 15 zur zweiten Laserstrahlführungseinrichtung 22 abgelenkt wird.
Gleichzeitig wird der Spiegel 30 unter Bereitstellung von für die Umlenkung geeigneten Kippwinkeln durch die Piezo-Aktuatoren 32a dynamisch bewegt, so dass der Bearbeitungslaserstrahl 15 dynamisch bewegt wird. Auf diese Weise kann das Strahlparameterprodukt des Bearbeitungslaserstrahls 15 und die Intensitätsverteilung des Laserstrahlspots auf dem Werkstück 12 für das jeweilige Verfahren zur Laserbearbeitung optimal gestaltet werden, da der Fokalpunkt des Bearbeitungslaserstrahls 15 zumindest senkrecht zu seiner Ausbreitungsrichtung dynamisch mit Frequenzen zwischen 10 Hz und 15 kHz bewegt und so der Laserstrahlspot geformt wird. Beispielsweise wird bei der dynamischen Bewegung des Bearbeitungslaserstrahls 15 eine Fokalpunkt-Oszillation mit mindestens einer Schwingungsamplitude und mindestens einer Schwingungsfrequenz und mit einem Fokalpunkt-Oszillationsweg erzeugt, der einer zwei- oder drei-dimensionalen Lissajous-Figur oder einer Kombination von zwei- oder drei-dimensionalen Lissajous-Figuren entspricht.
3a stellt schematisch eine Bearbeitungsvorrichtung 200 zur Laserbearbeitung des Werkstücks 12 als ein drittes Beispiel gemäß Ausführungsformen der Erfindung dar. Die Laserstrahlführungseinrichtung 20 enthält als Umlenkeinrichtung einen Galvanometer-Scanner 40 mit zwei Spiegeln 30, die jeweils mittels ansteuerbaren Galvanometern (nicht gezeigt) individuell dynamisch bewegbar sind. Der Galvanometer-Scanner ist mit zwei derart orientierbaren Spiegeln 30 versehen, dass der Bearbeitungslaserstrahl mindestens einmal in einem Winkel größer 90° und mindestens einmal in einem Winkel kleiner 90° umgelenkt wird. Im Betrieb werden die zwei Spiegel 30 derart zu einander orientiert und bewegt, dass der Bearbeitungslaserstrahl 15 zweimal umgelenkt und gleichzeitig dynamisch bewegt wird. Dabei wird der Bearbeitungsstrahl 15 von einem Spiegel 30 in einer Achse senkrecht zu seiner Ausbreitungsrichtung und von dem anderen Spiegel 30 in einer anderen Achse senkrecht zur Ausbreitungsrichtung bewegt. Die beiden Achsen sind beispielsweise senkrecht zueinander angeordnet. Dadurch werden mittels dynamischer Strahlformung nahezu beliebige Intensitätsverteilungen des Strahlspots und Strahlparameterprodukte des Bearbeitungslaserstrahls 15 bereitgestellt, insbesondere können mit dem Laserstrahl Lissajous-Figuren auf dem Werkstück geschrieben werden.
3b zeigt eine Modifikation des dritten Beispiels gemäß 3a. In der Bearbeitungsvorrichtung 201 ist die erste Laserstrahlführungseinrichtung 20 derart ausgeführt, dass der Bearbeitungslaserstrahl 15 vor und nach dem Durchlaufen der ersten Laserstrahlführungseinrichtung 20 in einem Winkel, im vorliegenden Beispiel jeweils im rechten Winkel, zum Strahlengang zwischen zweiter Laserstrahlführungseinrichtung 22 und der Austrittsöffnung 18 verläuft. Dies bedeutet, dass der Bearbeitungslaserstrahl 15 seitlich in die Bearbeitungsvorrichtung 201 zugeführt wird. Eine derartige Konfiguration der Strahlengänge ist analog für alle anderen Beispiele der 1 bis 5 möglich.
Wie 3b veranschaulicht, kann der Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls 15 zwischen erster Schnittstelle 14 und der ersten Laserstrahlführungseinrichtung 20 in einem Winkel zum Strahlengang zwischen zweiter Laserstrahlführungseinrichtung 22 und der Austrittsöffnung 18 verlaufen. Also kann der Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls 15 vor und/oder nach dem Durchlaufen der ersten Laserstrahlführungseinrichtung 20 in beliebigen Winkeln zum Strahlengang zwischen zweiter Laserstrahlführungseinrichtung 22 und der Austrittsöffnung 18 geführt sein. Dies ermöglicht eine flexible räumliche Konfiguration der Bearbeitungsvorrichtung. Eine derartige Konfiguration der Strahlengänge ist analog für alle anderen Beispiele der 1 bis 5 möglich.
Im Detail ist bei der Modifikation der 3b der Galvanometer-Scanner mit zwei derart orientierbaren Spiegeln 30 versehen, dass der Bearbeitungslaserstrahl mindestens einmal in einem Winkel kleiner 90° und mindestens ein zweites Mal in einem Winkel kleiner 90° umgelenkt wird. Im Betrieb werden die zwei Spiegel 30 so zu einander orientiert und bewegt, dass der Bearbeitungslaserstrahl 15 zweimal umgelenkt und gleichzeitig dynamisch bewegt wird.
3b zeigt Elemente der Bearbeitungsvorrichtung 201, die auch bei allen anderen Ausführungsformen der Bearbeitungsvorrichtung, z.B. den hier beschriebenen Bearbeitungsvorrichtungen 10, 100, 200, 300, 301, 400 und 500, einzeln oder in Kombination unabhängig voneinander vorgesehen sein können. In den Bereichen zwischen der ersten Schnittstelle 14 und der ersten Laserstrahlführungseinrichtung 20 und/oder zwischen der zweiten Laserstrahlführungseinrichtung 22 und der Austrittsöffnung 18 kann ein optisches Element 80 angeordnet sein. Im Beispiel der 3b ist zwischen der ersten Schnittstelle 14 und der ersten Laserstrahlführungseinrichtung 20 als optisches Element 80 eine Kollimationslinse angeordnet. Zwischen der umlenkenden zweiten Laserstrahlführungseinrichtung 22 und der Austrittsöffnung 18 ist als optisches Element 80 eine Fokussierlinse vorgesehen, wodurch selbst bei hohen Laserleistungen bis 10 kW und mehr, mittels gegenseitiger Kompensation bei der Umlenkung und der Fokussierung, die thermische Fokusverschiebung (Fokusshift) gering gehalten werden kann. An der ersten Schnittstelle 14 ist ferner eine Bearbeitungslaserquelle 82 und an der zweiten Schnittstelle 16 eine Detektoreinrichtung 24 vorgesehen. Zudem enthält die Detektoreinrichtung 24 eine adaptive optische Einheit 25. Im vorliegenden Beispiel ist die Detektoreinrichtung 24 eine Kamera und die adaptive optische Einheit 25 ist als adaptive Linse (focus tunable lens) ausgebildet. Die adaptive optische Einheit 25 erlaubt, dass die Schärfe-Ebene der Detektoreinrichtung 24 parallel zur Ausbreitungsrichtung des Bearbeitungsstrahls 15 variiert wird, je nach Fokuslage, Werkstückdicke und gewünschter Prozessbeobachtungsebene. Es ist ferner eine Steuerungseinheit 84 zum Steuern der Bearbeitungsvorrichtung vorgesehen, mit der insbesondere die erste Laserstrahlführungseinrichtung 20, insbesondere deren mindestens eine Bewegungseinheit, gesteuert wird.
4a stellt schematisch eine Bearbeitungsvorrichtung 300 zur Laserbearbeitung des Werkstücks 12 als ein viertes Beispiel gemäß Ausführungsformen der Erfindung dar. Die Umlenkeinrichtung weist einen im Wesentlichen kreisförmigen Segmentspiegel 50 eines Durchmessers von ca. 50 mm mit 41 voneinander getrennten, nebeneinander benachbart angeordneten Spiegelsegmenten auf, die ein konzentrisches Muster bilden. Jedes Spiegelsegment besitzt eine Gold-Beschichtung, ist reflektiv für den Bearbeitungslaserstrahl 15 und ist mittels einem Piezo-Aktuator 32b als Bewegungseinheit individuell dynamisch orientierbar. Die Piezo-Aktuatoren 32b mit einer Antriebsspannung von 120 V sind aus einer Blei-Zirkonat-Titanat(PZT)-Keramik und entsprechend dem Muster der Spiegelsegmente angeordnet. Die Umlenkeinrichtung stellt somit eine segmentierte, den Bearbeitungslaserstrahl 15 reflektierende Gesamtoberfläche bereit, deren Oberflächengeometrie, insbesondere deren Krümmung, hoch dynamisch verstellbar ist.
4b zeigt schematisch eine Bearbeitungsvorrichtung 301 als eine Modifikation des vierten Beispiels. Die Umlenkeinrichtung weist einen dynamisch verformbaren Spiegel 52 (DM, Dynamic Mirror) auf. Dieser wird durch eine Membran aus verformbaren Material gebildet, die mittels individuell ansteuerbaren, auf der Unterseite der Membran gleichmäßig verteilten PZT-Keramik-Piezo-Aktuatoren (Antriebsspannung 120V) 32b dynamisch verformbar ist. Die Membran ist im vorliegenden Beispiel kreisförmig mit einem Durchmesser von ca. 45 mm ausgebildet. Im vorliegenden Beispiel sind 32 Piezo-Aktuatoren vorgesehen, mit denen 32 einzelne Flächenbereiche der Membran individuell verstellbar sind. Die Oberseite der Membran ist mit einer hochreflektierenden; optischen Beschichtung versehen, im vorliegenden Beispiel eine Kupfer-Schicht. Die Beschichtung kann alternativ aus einem dielektrischen Material, einem anderen Metall oder einem Metalloxid gebildet sein oder diese enthalten. Die so bereitgestellte verformbare, reflektierende und kontinuierliche Oberfläche ist für Laserstrahlen bis 120 kW bei einer Wellenlänge von ca. 1070 nm geeignet.
Alternativ ist als Spiegel 52 ein bimorph deformierbarer Spiegel, ein auf MEMS(Micro Electro Mechanical System)-Oszillator-Basis oder MOEMS(Micro Optical Eletro Mechanical System)-Oszillator-Basis deformierbarer Spiegel oder ein auf Schwingspulen-Basis deformierbarer Spiegel vorgesehen. Der bimorph deformierbare Spiegel besitzt beispielsweise eine dünne Glasplatte, die mit einer aus zwei unterschiedlich polarisierten Piezolagen bestehenden Piezokeramikplatte verbunden ist. An den Ecken sind die Platten derart gehalten, dass sie mit Resonanzeigenschaften versehen sind. Die Verbindung zwischen Glas- und Piezoplatte enthält eine elektrisch leitfähige Elekrode und die Rückseite der Piezoplatte ist mit individuellen Steuerelektroden versehen. Im Betrieb werden Spannungen an die Steuerelektroden gelegt, die in der Piezoplatte seitwärts gerichtete Kräfte erzeugen, wodurch der Spiegel verbogen wird. Bei dem auf MEMS- oder MOEMS-Basis deformierbaren Spiegel wird beispielsweise eine kontinuierliche, im nicht verformten Zustand flächige, bewegliche Elektrode, die an ihrer dem Bearbeitungslaserstrahl 15 exponierten Oberfläche für diesen reflektierend ist, mittels Aktuatoren einer parallel angeordneten weiteren flächigen Elektrode über elektrostatische Kräfte bewegt. Bei dem auf Schwingspulen-Basis deformierbaren Spiegel werden als Aktuatoren Schwingspulen eingesetzt, die eine dicke Basisplattform mit einer relativ dünnen und verformbaren Glasplatte verbinden. Zwischen Glasplatte und Basisplattform befindet sich eine Referenzplatte, in die Löcher eingelassen sind. Darin sind die Spulen-Aktuatoren vorgesehen. Ein durch Stromdurchfluss entstehendes magnetisches Wechselfeld lenkt die Spulen-Aktuatoren aus. Diese bewegen die daran befestigte Glasplatte.
In den Beispielen der 4a und 4b stellt die Umlenkeinrichtung eine den Bearbeitungslaserstrahl 15 zumindest teilweise reflektierende Gesamtoberfläche bereit, deren Oberflächengeometrie, insbesondere deren Krümmung, hoch dynamisch verstellbar ist. In einem beispielhaften Betrieb wird damit eine hoch flexible Strahlformung des Bearbeitungslaserstrahls 15 zumindest senkrecht zu seiner Ausbreitungsrichtung ausgeführt. Zum Beispiel kann eine Fokalpunkt-Oszillation mit mindestens einer Schwingungsamplitude von z.B. 0,6 mm, und mindestens einer Schwingungsfrequenz von z.B. 500 Hz und mit einem Fokalpunkt-Oszillationsweg erzeugt werden, der einer zwei- oder drei-dimensionalen Lissajous-Figur oder einer Kombination von zwei- oder drei-dimensionalen Lissajous-Figuren entspricht. In dem bespielhaften Betrieb wird zusätzlich die Lage des Fokus des Bearbeitungslaserstrahls 15 parallel zu seiner Ausbreitungsrichtung verstellt, wodurch die Brennweite des optischen Systems der Bearbeitungsvorrichtung eingestellt oder verändert wird.
5 zeigt schematisch eine Bearbeitungsvorrichtung 400 zur Laserbearbeitung des Werkstücks 12 als ein fünftes Beispiel gemäß Ausführungsformen der Erfindung. Die Umlenkeinrichtung weist einen Spiegel 30 auf, der um eine Achse einer Rotations-Bewegungseinrichtung 32c rotierbar ist. Der Spiegel ist an der Achse derart angeordnet, dass die Achse mit der reflektierenden Oberfläche des Spiegels 30 einen Winkel einschließt. Die reflektierende Oberfläche ist derart orientierbar, dass der Winkel größer oder kleiner 90° ist. Im Betrieb wird der Winkel des Spiegels ungleich 90° eingestellt und der so gekippte Spiegel rotiert mit einer Frequenz von 100Hz bis 10kHz um seine Achse.
So beschreibt der Laserstrahl eine Kreisbewegung. Auf diese Weise wird der Bearbeitungslaserstrahl mit hoher Geschwindigkeit auf einer Kreisbahn mit einstellbarem und variierbarem Radius auf dem Werkstück 12 geführt. Für den thermisch trägen Schneidprozess wirkt sich so im zeitlichen Mittel der hochdynamisch bewegte Bearbeitungslaserstrahl 15 wie ein sogenannter Doughnut-Strahl aus.
6 veranschaulicht schematisch eine Bearbeitungsvorrichtung 500 zur Laserbearbeitung des Werkstücks 12 als ein sechstes Beispiel gemäß Ausführungsformen der Erfindung. Die erste Laserstrahlführungseinrichtung 20 weist als eine dynamisch bewegliche optische Einheit 70 eine refraktive optische Einheit in Form einer Transportfaser-Endkappe, z.B. aus Quarzglas auf. Die Endkappe ist mittels mindestens einer Bewegungseinheit 71 dynamisch beweglich und bildet somit eine dynamisch beweglich gehaltene Laserfaserendeinheit. Die Bewegungseinheit ist in diesem Beispiel als zwei in einer x/y-Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung, d.h. senkrecht zur z-Richtung, des Bearbeitungslaserstrahls 15 vorgesehene PZT-Keramik-Piezo-Aktuatoren (Antriebsspannung 120V) ausgebildet, die mit der Transportfaser-Endkappe funktionell verbunden sind, z.B. mittels einem Kleber. Ein Piezo-Aktuator dient zur Auslenkung der Endkappe in x-Richtung, während der andere Piezo-Aktuator zur Auslenkung der Endkappe in y-Richtung dient. Dies ermöglicht eine oszillierende repetitive Bewegung des freien Endes der Transportfaser-Endkappe 70 in einer Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung (z-Richtung) des Bearbeitungslaserstrahls 15. Auf diese Weise kann eine Oszillation des Fokalpunktes des Bearbeitungslaserstrahls 15 in einer Ebene senkrecht zu seiner Ausbreitungsrichtung und damit eine Strahlformung durch Einstellung oder Variation des Strahlparameterprodukts induziert werden.
Im Beispiel der 6 weist die erste Laserstrahlführungseinrichtung 20 ferner eine Umlenkeinrichtung 72 für den Bearbeitungslaserstrahl 15 auf, die nicht dynamisch beweglich ist. Der Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls 15 ist vor der Umlenkeinrichtung 72 im Wesentlichen parallel zum Strahlengang zwischen zweiter Laserstrahlführungseinrichtung 22 und der Austrittsöffnung 18 angeordnet. Dies ermöglicht eine platzsparende Konfiguration der Bearbeitungsvorrichtung. Alternativ kann der Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls 15 vor und/oder nach der Umlenkeinrichtung 72 in unterschiedlichen Winkeln zum Strahlengang zwischen zweiter Laserstrahlführungseinrichtung 22 und der Austrittsöffnung 18 geführt sein. Dies ermöglicht eine flexible räumliche Konfiguration der Bearbeitungsvorrichtung. In einer Abwandlung dieses Beispiels ist keine Umlenkeinrichtung 72 vorgesehen. Stattdessen kann der Bearbeitungslaserstrahl 15 direkt von der Transportfaser-Endkappe 70 auf die zweite Laserstrahlführungseinrichtung 22 geleitet werden. Dabei kann der Strahlengang des aus der Endkappe 70 emittierten Bearbeitungslaserstrahls 15 im Wesentlichen im 90°-Winkel zum Strahlengang zwischen zweiter Laserstrahlführungseinrichtung 22 und der Austrittsöffnung 18 auf die Laserstrahlführungseinrichtung 22 geführt werden. Anstelle eines 90°-Winkels kann ein anderer Winkel gewählt werden, der eine Umlenkung an der Laserstrahlführungseinrichtung 22 ermöglicht. Sowohl das Beispiel der 6 als auch dessen Abwandlung bewirken eine ausreichende Entkopplung der zweiten Laserstrahlführungseinrichtung 22 und damit des Strahlengangs des beobachteten Prozesslichts 17 von der dynamischen Bewegung der ersten Laserstrahlführungseinrichtung 20.
Im Betrieb der Bearbeitungsvorrichtung 500 wird bereits im Bereich der Einkopplung bzw. Zuführung des Bearbeitungslaserstrahls 15 in die Bearbeitungsvorrichtung eine dynamische Bewegung des Bearbeitungslaserstrahls mit einer Schwingungsfrequenz zwischen 10 Hz bis 15 kHz, bevorzugt zwischen 100 Hz und 10 kHz, einer Schwingungsamplitude kleiner oder gleich +/-5 mm, oder kleiner oder gleich +/-1 mm, und einem Fokalpunkt-Oszillationsweg mit einer Weglänge von größer oder gleich 0,05 mm erzeugt. Der bewegte Bearbeitungsstrahl 15 wird ohne weitere dynamisch bewegliche Führungselemente zur zweiten Laserstrahlführungseinrichtung 22 und schließlich durch die Austrittsöffnung 18 geführt. So wird mittels der dynamisch beweglichen optischen Einheit 70 eine oszillierende Strahlpendelbewegung des Bearbeitungslaserstrahls 15 bewirkt, mit dem das Werkstück 12 bearbeitet wird. Gleichzeitig ist der Strahlengang des zur zweiten Schnittstelle 16 geführten Prozesslichts 17 getrennt und unbeeinflusst von dem Teil des Strahlengangs des Bearbeitungslaserstrahls 15, in dem seine dynamische Bewegung erzeugt wird.
Beispielsweise werden mit dem Bearbeitungslaserstrahl 15 beliebige Lissajous-Figuren auf dem Werkstück 12 geschrieben. Die Lissajous-Figuren können in einer Datenbank der Steuerungseinheit 84 gespeichert sein, welche die Piezo-Aktuatoren der Bewegungseinheit 71 entsprechend ansteuert. Bei der dynamischen Bewegung des Bearbeitungslaserstrahls 15 wird eine Fokalpunkt-Oszillation mit einer Schwingungsamplitude kleiner oder gleich +/-5 mm, einer Schwingungsfrequenz zwischen 100 Hz bis 10 kHz und mit einem Fokalpunkt-Oszillationsweg von größer oder gleich 0,05 mm erzeugt, der einer zwei-dimensionalen Lissajous-Figur oder einer Kombination von zwei-dimensionalen Lissajous-Figuren entspricht. Der Fokalpunkt hat dabei z.B. einen Durchmesser oder eine Größe von größer oder gleich 0,1 mm, oder von größer oder gleich 0,05 mm. Zur Erzeugung einer drei-dimensionalen Lissajous-Figur beinhaltet die Bewegungseinheit 71 der 6 einen zusätzlichen Piezo-Aktuator, der die Endkappe auch in z-Richtung auslenkt.
Als dynamisch bewegliche refraktive optische Einheit 70 kann alternativ zur Transportfaser-Endkappe ein freies Ende einer optischen Faser oder eine bewegliche Faserkupplung vorgesehen sein. Weiter alternativ kann als die dynamisch bewegliche refraktive optische Einheit 70 eine Linse dienen, z.B. eine fokussierende Linse oder ein Kollimationslinse. Alternativ kann anstelle einer refraktiven optischen Einheit eine andere dynamisch bewegliche optische Einheit 70, z.B. ein außeraxialer (Off-Axis-) Parabolspiegel, eingesetzt werden. Die Linse oder der Parabolspiegel können dabei in Ausbreitungsrichtung des Bearbeitungslaserstrahls 15 anstelle der oben beschriebenen dynamisch beweglichen Transportfaser-Endkappe hinter der ersten Schnittstelle 14 auf gleiche Weise dynamisch beweglich vorgesehen sein, z.B. hinter einer an der Schnittstelle 14 vorhandenen nicht dynamisch beweglichen Transportfaser-Endkappe.
Die dynamisch bewegliche optische Einheit 70 kann an oder in Ausbreitungsrichtung des Bearbeitungslaserstrahls 15 hinter der ersten Schnittstelle 14 oder alternativ im Bereich zwischen der ersten Schnittstelle 14 und der Umlenkeinrichtung 72 vorgesehen sein.
Ferner kann als Bewegungseinheit 71 anstelle der Piezo-Aktuatoren ein Exzenter, eine Vorrichtung zur Erzeugung eines oszillierenden elektromagnetischen Felds, ein MEMS-Oszillator oder eine Mehrzahl davon eingesetzt werden.
Bei allen Ausführungsformen können mittels dynamischer Strahlformung vorteilhafte Intensitätsverteilungen des Strahlspots und Strahlparameterprodukte des Bearbeitungslaserstrahls 15 bereitgestellt werden, während das zum Zwecke der Prozessbeobachtung zur zweiten Schnittstelle 16 geführte Prozesslicht 17 von der dynamischen Bewegung des Bearbeitungslaserstrahls 15 unbeeinflusst bleibt.
Abschließend sei darauf hingewiesen, dass die Beschreibung der Erfindung und die Ausführungsbeispiele grundsätzlich nicht einschränkend in Hinblick auf eine bestimmte physikalische Realisierung der Erfindung zu verstehen sind. Alle in Verbindung mit einzelnen Ausführungsformen der Erfindung erläuterten und gezeigten Merkmale können in unterschiedlicher Kombination in dem erfindungsgemäßen Gegenstand vorgesehen sein, um gleichzeitig deren vorteilhafte Wirkungen zu realisieren.
Der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung ist durch die Ansprüche gegeben und wird durch die in der Beschreibung erläuterten oder den Figuren gezeigten Merkmale nicht beschränkt.
Für einen Fachmann ist es insbesondere offensichtlich, dass die Erfindung nicht nur für Laserbearbeitungsanlagen angewendet werden kann, sondern auch für andere Laser umfassende Geräte. Des Weiteren können die Bauteile der Bearbeitungsvorrichtung zur Laserbearbeitung von Werkstücken auf mehrere physikalische Produkte verteilt realisiert werden.
Bezugszeichenliste

10: Bearbeitungsvorrichtung
12: Werkstück
13: Bearbeitungszone
14: erste Schnittstelle
15: Bearbeitungslaserstrahl
16: zweite Schnittstelle
17: von der Bearbeitungszone emittierte Strahlung, Prozesslicht
18: Austrittsöffnung
20: erste Laserstrahlführungseinrichtung
20a: reflektierende Oberfläche
20b: Bewegungseinheit
22: zweite Laserstrahlführungseinrichtung
23: zweite Umlenkeinrichtung, nicht dynamisch beweglich
24: Detektoreinrichtung
25: adaptive optische Einheit der Detektoreinrichtung
30: Spiegel, dynamisch beweglich
32a, b, c: Bewegungseinheit
40: Galvanometer-Scanner
50: Segmentspiegel
52: verformbarer Spiegel
70: optische Einheit
71: Bewegungseinheit
72: erste Umlenkeinrichtung, nicht dynamisch beweglich
80: optisches Element
82: Bearbeitungslaserquelle
84: Steuerungseinrichtung
100: Bearbeitungsvorrichtung
200: Bearbeitungsvorrichtung
201: Bearbeitungsvorrichtung
300: Bearbeitungsvorrichtung
301: Bearbeitungsvorrichtung
400: Bearbeitungsvorrichtung
500: Bearbeitungsvorrichtung

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

US 8781269 B2 [0004]
US 9250390 B2 [0005]
US 9346126 B2 [0006]
EP 2730363 A1 [0007]
EP 2762263 A1 [0008]
DE 2821883 B1 [0009]
DE 102015116033 A1 [0010]
EP 2778746 B1 [0011]
DE 102015101263 A1 [0012]
DE 102008053397 B4 [0013]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Goppold et al.: Chancen und Herausforderungen der dynamischen Strahlformung, Deutscher Schneidkongress, 2018 [0014]
Goppold et al.: Dynamic Beam Shaping Improves Laser Cutting of Thick Steel Plates, Industrial Photonics, 2017 [0014]
Goppold et al.: Laserschmelzschneiden mit dynamischer Strahlformung, Fraunhofer IWS Jahresbericht, 2015 [0014]
Mahrle et al.: theoretical aspects of fibre laser cutting, Journal of Physics D Applied Physics, 2009 [0014]

Claims

Bearbeitungsvorrichtung zur Laserbearbeitung eines Werkstücks (12) in einer Bearbeitungszone (13), insbesondere zum Laserschneiden, insbesondere Laserbearbeitungskopf, mit einer ersten Schnittstelle (14) für eine Bearbeitungslaserquelle zum Erzeugen eines Bearbeitungslaserstrahls (15), einer zweiten Schnittstelle (16) für eine Detektoreinrichtung zum Detektieren einer von der Bearbeitungszone emittierten Strahlung (17); einer Austrittsöffnung (18) für den Bearbeitungslaserstrahl; und einer ersten und einer zweiten Laserstrahlführungseinrichtung (20, 22), wobei die erste Laserstrahlführungseinrichtung (20, 20a, 20b) derart angeordnet und ausgebildet ist, dass sie den Bearbeitungslaserstrahl zu der zweiten Laserstrahlführungseinrichtung führt und den Bearbeitungslaserstrahl dynamisch bewegt, insbesondere dynamisch formt, und die zweite Laserstrahlführungseinrichtung (22) derart angeordnet und ausgebildet ist, dass sie den dynamisch bewegten Bearbeitungslaserstrahl durch die Austrittsöffnung führt und die von der Bearbeitungszone durch die Austrittsöffnung emittierte Strahlung zumindest teilweise zu der zweiten Schnittstelle führt.
Bearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die zweite Schnittstelle mit einer Detektoreinrichtung (24) zum Detektieren zumindest eines Teils der von der Bearbeitungszone durch die Austrittsöffnung emittierten Strahlung verbunden oder versehen ist; und/oder wobei die erste Laserstrahlführungseinrichtung und/oder die zweite Laserstrahlführungseinrichtung derart ausgebildet sind, dass der Bearbeitungslaserstrahl umgelenkt wird.
Bearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Laserstrahlführungseinrichtung (20) mindestens eine Umlenkeinrichtung (20a; 30; 40; 50; 52) für den Bearbeitungslaserstrahl aufweist, die mittels mindestens einer Bewegungseinheit (20b; 32a; 32b; 32c) zumindest teilweise dynamisch beweglich ist.
Bearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Umlenkeinrichtung mindestens einen dynamisch orientierbaren Spiegel (30) aufweist.
Bearbeitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die erste Laserstrahlführungseinrichtung mindestens einen Galvanometer-Scanner (40) aufweist und/oder wobei die Umlenkeinrichtung als Galvanometer-Scanner (40) ausgebildet ist.
Bearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Umlenkeinrichtung mindestens einen Segmentspiegel (50) mit mehreren Spiegelsegmenten, die jeweils dynamisch orientierbar sind, aufweist.
Bearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Umlenkeinrichtung mindestens einen dynamisch verformbaren Spiegel (52) aufweist.
Bearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Umlenkeinrichtung mindestens ein Element ausgewählt aus einem mit mindestens einem Piezo-Aktuator verformbaren Spiegel, einem bimorph deformierbaren Spiegel, einem auf MEMS- oder MOEMS- Basis deformierbaren Spiegel und einem auf Schwingspulen-Basis deformierbaren Spiegel aufweist.
Bearbeitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 und 4, wobei die Umlenkeinrichtung mindestens einen Spiegel (30) aufweist, der um eine Achse rotierbar ist, die mit einer spiegelnden Ebene des Spiegels einen Winkel einschließt, und der derart orientierbar ist, dass der Winkel größer oder kleiner 90° ist.
Bearbeitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die erste Laserstrahlführungseinrichtung (20) mindestens eine optische Einheit (70), insbesondere eine refraktive optische Einheit und/oder einen außeraxialen (Off-Axis-) Parabolspiegel, die mittels mindestens einer Bewegungseinheit (71) zumindest teilweise dynamisch beweglich ist, insbesondere eine dynamisch beweglich gehaltene Laserfaserendeinheit, und optional mindestens eine erste Umlenkeinrichtung (72) für den Bearbeitungslaserstrahl aufweist, die nicht dynamisch beweglich ist.
Bearbeitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 10, wobei die Bewegungseinheit (32a; 32b; 32c; 71) mindestens ein Element ausgewählt aus einem Piezo-Aktuator, einem Elektromotor, einem pneumatischen Motor, einem Exzenter, einer Vorrichtung zur Erzeugung eines oszillierenden elektromagnetischen Felds, einem MEMS-Oszillator, einer Schwingspule, einem elektrostatisch bewegbaren Aktuator, einer Mehrzahl davon und/oder einer Kombination davon aufweist.
Bearbeitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 11, wobei die erste Laserstrahlführungseinrichtung derart ausgebildet ist, dass der Bearbeitungslaserstrahl in einem Winkel kleiner, gleich und/oder größer 90° und mindestens einmal umgelenkt wird; und/oder wobei die zweite Laserstrahlführungseinrichtung derart ausgebildet ist, dass der Bearbeitungslaserstrahl in einem Winkel kleiner, gleich oder größer 90° umgelenkt wird.
Bearbeitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 12, wobei die erste Laserstrahlführungseinrichtung derart ausgebildet ist, dass der Bearbeitungslaserstrahl mindestens einmal in einem Winkel kleiner oder größer 90° und mindestens einmal in einem Winkel kleiner 90° umgelenkt wird.
Bearbeitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 13, wobei die zweite Laserstrahlführungseinrichtung (22) mindestens eine zweite Umlenkeinrichtung (23) für den Bearbeitungslaserstrahl aufweist, die nicht dynamisch beweglich ist.
Bearbeitungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die zweite Laserstrahlführungsanordnung, insbesondere die zweite Umlenkeinrichtung, für die von der Bearbeitungszone emittierte Strahlung zumindest teilweise transparent ist; und/oder wobei die zweite Laserstrahlführungseinrichtung, insbesondere die zweite Umlenkeinrichtung, derart angeordnet und ausgebildet ist, dass sie den dynamisch bewegten Bearbeitungslaserstrahl zumindest teilweise koaxial mit der von der Bearbeitungszone durch die Austrittsöffnung emittierten Strahlung führt; und/oder wobei die zweite Laserstrahlführungsanordnung, insbesondere die zweite Umlenkeinrichtung, mindestens einen dichroitischen Spiegel aufweist oder als ein dichroitischer Spiegel ausgebildet ist.
Bearbeitungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die erste Laserstrahlführungseinrichtung im Bereich zwischen der ersten Schnittstelle und der zweiten Laserstrahlführungseinrichtung angeordnet ist; und/oder wobei die zweite Laserstrahlführungseinrichtung im Bereich zwischen der zweiten Schnittstelle und der Austrittsöffnung angeordnet ist; und/oder wobei im Bereich zwischen der ersten Schnittstelle und der Austrittsöffnung und/oder im Bereich zwischen der zweiten Schnittstelle und der Austrittsöffnung mindestens ein optisches Element (80) angeordnet ist; und/oder wobei im Bereich zwischen der zweiten Laserstrahlführungseinrichtung und der Austrittsöffnung eine fokussierende Optik oder ein fokussierendes optisches Element (80) angeordnet ist.
Bearbeitungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die erste Schnittstelle (14) mit einer Bearbeitungslaserquelle (82) zum Erzeugen des Bearbeitungslaserstrahls verbunden oder versehen ist; und/oder wobei eine Steuerungseinheit (84) zum Steuern der Bearbeitungsvorrichtung, insbesondere der ersten Laserstrahlführungseinrichtung, insbesondere der mindestens einen Bewegungseinheit, vorgesehen ist.
Bearbeitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 17, wobei die Detektoreinrichtung eine adaptive optische Einheit (25) aufweist.
Bearbeitungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Bearbeitungslaserquelle eine Laserleistung von mindestens 1 kW, bevorzugt mindestens 4 kW, bevorzugter zwischen 1 bis 30 kW, am meisten bevorzugt zwischen 1 bis 25 kW, bereitstellt; und/oder wobei die dynamisch bewegliche Umlenkeinrichtung oder die dynamisch bewegliche optische Einheit (70) der ersten Laserstrahlführungseinrichtung zumindest teilweise mit einer Frequenz zwischen 10 Hz bis 15 kHz, bevorzugt zwischen 100 Hz und 10 kHz, beweglich ist; und/oder wobei die erste Laserstrahlführungseinrichtung derart ausgebildet ist, dass sie bei der dynamischen Bewegung des Bearbeitungslaserstrahls eine Fokalpunkt-Oszillation mit mindestens einer Schwingungsamplitude und mindestens einer Schwingungsfrequenz und mit einem Fokalpunkt-Oszillationsweg erzeugt, der einer zwei- oder drei-dimensionalen Lissajous-Figur oder einer Kombination von zwei- oder drei-dimensionalen Lissajous-Figuren entspricht.
Verwendung einer Bearbeitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19 zur Laserbearbeitung eines Werkstücks, insbesondere zum Laserschneiden.
Verfahren zur Laserbearbeitung eines Werkstücks, insbesondere zum Laserschneiden, insbesondere unter Verwendung einer Bearbeitungsvorrichtung (10; 100; 200; 201; 300; 301; 400; 500) nach einem der Ansprüche 1 bis 19, mit den Schritten Bestrahlen einer Bearbeitungszone (13) eines Werkstücks (12) mit einem Bearbeitungslaserstrahl (15) aus einer Bearbeitungslaserquelle (82), die an einer ersten Schnittstelle (14) einer Bearbeitungsvorrichtung vorgesehen ist, durch eine Austrittsöffnung (18) der Bearbeitungsvorrichtung; und Detektieren zumindest eines Teils einer von der Bearbeitungszone durch die Austrittsöffnung emittierten Strahlung (17) mit einer Detektoreinrichtung (24), die mit einer zweiten Schnittstelle (16) der Bearbeitungsvorrichtung verbunden oder daran vorgesehen ist; wobei der Bearbeitungslaserstrahl mittels einer ersten Laserstrahlführungseinrichtung (20) der Bearbeitungsvorrichtung dynamisch bewegt, insbesondere dynamisch geformt, und zu einer zweiten Laserstrahlführungseinrichtung (22) der Bearbeitungsvorrichtung geführt wird; der dynamisch bewegte Bearbeitungslaserstrahl mittels der zweiten Laserstrahlführungseinrichtung durch die Austrittsöffnung geführt wird; und die von der Bearbeitungszone durch die Austrittsöffnung emittierte Strahlung mittels der zweiten Laserstrahlführungseinrichtung zumindest teilweise zu der zweiten Schnittstelle geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei die zweite Laserstrahlführungseinrichtung den dynamisch bewegten Bearbeitungslaserstrahl zumindest teilweise koaxial mit der von der Bearbeitungszone durch die Austrittsöffnung emittierten Strahlung führt.