DE102017105955A1

DE102017105955A1 - Laserschleifvorrichtung sowie Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstückes

Info

Publication number: DE102017105955A1
Application number: DE102017105955.5A
Authority: DE
Inventors: Werner Schulz
Original assignee: LASERPLUSS AG
Current assignee: LASERPLUSS AG
Priority date: 2017-03-20
Filing date: 2017-03-20
Publication date: 2018-09-20

Abstract

Eine Laserschleifvorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks (20) hat einen Laser (12), der einen optischen Ausgang (22) aufweist, durch den ein Laserstrahl (L) emittierbar ist, eine Fokussieroptik (16) zur Strahlführung des Laserstrahls (L) auf das Werkstück (20) und einen Strahlvervielfältiger (14), wobei die Fokussieroptik (16) einen optischen Eingang (38) aufweist.
Der Strahlvervielfältiger (14) ist im optischen Weg des Laserstrahls (L) zwischen dem optischen Ausgang (22) des Lasers und dem optischen Eingang (38) der Fokussieroptik (16) angeordnet und ist ein intensitätsteilender oder pulsteilender Strahlvervielfältiger (14), der derart ausgebildet ist, dass er den Laserstrahl (L) intensitätsteilend bzw. pulsteilend in mehrere Teilstrahlen (T) vervielfältigen kann.
Ferner ist ein Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstückes (20) gezeigt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Laserschleifvorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks sowie ein Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks.
Laserschleifvorrichtungen, bei denen ein Laser zum Bearbeiten eines Werkstückes zum Einsatz kommt, sind bekannt und werden beispielsweise zum Schruppen oder Schlichten des Werkstückes eingesetzt. Hierzu wird der Laserstrahl mittels einer Fokussieroptik, wie der Optik RayFree® der LASERPLUSS AG fokussiert und auf das Werkstück gelenkt. Eine solche Fokussieroptik ist auch aus der DE 10 2011 078 825 A1 bekannt.
Die Laserstrahlen treffen auf das Werkstück und tragen dort Material des Werkstückes ab. Dabei entsteht an dieser Stelle kurzzeitig ein Plasma über dem Werkstück. Im Folgenden wird der Punkt, an dem die Laserstrahlen auf das Werkstück treffen, als Bearbeitungspunkt bezeichnet.
Eine Kontur auf dem Werkstück kann dadurch abgefahren werden, dass zum einen das Werkstück bewegt wird und/oder der Laser durch bewegbare Optiken geführt wird. Üblicherweise wird jedoch das Werkstück bewegt und der Laserstrahl und die gesamte Optik sind fest.
Auf diese Weise können Positioniergenauigkeiten von weniger als 1 µm bei einem Durchmesser der Bearbeitungsstelle bzw. des Laserstrahls von 10 µm bis 20 µm erreicht werden. Jedoch ist die Bearbeitungsgeschwindigkeit, insbesondere beim Schruppen des Werkstückes sehr gering.
Es ist somit Aufgabe der Erfindung, eine Laserschleifvorrichtung sowie ein Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstückes bereitzustellen, die eine präzise und schnelle Bearbeitung des Werkstückes ermöglichen.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Laserschleifvorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks, mit einem Laser, der einen optischen Ausgang aufweist, durch den ein Laserstrahl emittierbar ist, einer Fokussieroptik zur Strahlführung des Laserstrahls auf das Werkstück und einem Strahlvervielfältiger, wobei die Fokussieroptik einen optischen Eingang aufweist. Der Strahlvervielfältiger ist im optischen Weg des Laserstrahls zwischen dem optischen Ausgang des Lasers und dem optischen Eingang der Fokussieroptik angeordnet. Der Strahlvervielfältiger ist ein intensitätsteilender oder pulsteilender Strahlvervielfältiger, der derart ausgebildet ist, dass er den Laserstrahl intensitätsteilend bzw. pulsteilend in mehrere Teilstrahlen vervielfältigen kann.
Dabei kann der Laser ein gepulster Laser oder ein Dauerstrichlaser (CW-Laser) sein. Als Fokussieroptiken kommen bekannte Optiken in Betracht, die Laser auf Werkstücke fokussieren und lenken können, wie die Optik RayFree® der LASERPLUSS AG.
Im Rahmen der Erfindung wird unter einer intensitätsteilenden Vervielfältigung die Aufteilung des Laserstrahls bzw. eines Pulses des Lasers in mehrere räumlich beabstandete Teilstrahlen mit geringerer Intensität als der ursprüngliche Laserstrahl verstanden. Unter einer pulsteilenden Vervielfältigung wird die räumliche Verschiebung einzelner, insbesondere aufeinanderfolgender Pulse des Lasers verstanden. Die Intensität dieser Pulse kann die gleiche sein, wie die des ursprünglichen Laserstrahls bzw. Pulses.
Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, dass die Geschwindigkeit der Bearbeitung dadurch erhöht werden kann, dass das Werkstück an mehreren Bearbeitungspunkten gleichzeitig bearbeitet wird. Hierbei umfasst der Begriff gleichzeitig auch die Zeitspanne, von mehreren aufeinanderfolgenden Laserpulsen beispielsweise sechs, neun oder zwölf.
Durch die Vervielfältigung des Laserstrahls vor der Fokussieroptik, ist die Erzeugung von mehreren Bearbeitungspunkten ohne wesentliche und aufwendige Anpassung der Fokussieroptik selbst möglich, wodurch die hohe Präzision der Laserbearbeitung erhalten bleibt. Gleichzeitig wird durch die mehreren Bearbeitungspunkte die Geschwindigkeit der Bearbeitung des Werkstückes deutlich gesteigert.
Diese Steigerung hätte nicht durch eine Geschwindigkeitserhöhung des Werkstücks erreicht werden können, da die Mechanik zur Verstellung des Werkstückes solche Geschwindigkeiten aufgrund des Gewichtes des Werkstücks und der damit verbundenen hohen Trägheit nicht erzielen kann.
Vorzugsweise verlaufen wenigstens zwei Teilstrahlen, insbesondere alle Teilstrahlen durch den optischen Eingang der Fokussieroptik und zum Werkstück, wodurch die präzise und bekannte Fokussieroptik verwendet werden kann.
Um eine deutliche Erhöhung der Arbeitsgeschwindigkeit zu erreichen, kann der Strahlvervielfältiger sechs, neun oder zwölf Teilstrahlen erzeugen.
Auf dem Werkstück haben die Teilstrahlen einen Abstand zwischen 10 µm und 40 µm, insbesondere zwischen 20 µm und 30 µm zueinander. Der Abstand ist dabei bezogen auf das Intensitätsmaxima und/oder den Mittelpunkt der Teilstrahlen. Dementsprechend haben auch die Bearbeitungspunkte diesen Abstand.
Vorzugsweise treffen die Teilstrahlen in jeweils einem Bearbeitungspunkt auf das Werkstück, wobei die Bearbeitungspunkte auf einer Geraden oder in einem Gitter angeordnet sind. Auf diese Weise ist die Lage der Bearbeitungspunkte vollständig vorbekannt. Insbesondere eignet sich die Anordnung der Bearbeitungspunkte auf einer Geraden dazu, runde bzw. rotierende Werkstücke zu bearbeiten.
In einer Ausführungsvariante weist die Fokussieroptik wenigstens einen bewegbaren Umlenkspiegel zur Positionierung der Teilstrahlen auf dem Werkstück auf, wodurch eine Bewegung des Werkstückes vermieden werden kann. Problematischerweise verringert sich dadurch auch die Präzision der Bearbeitung.
Beispielsweise weist die Fokussieroptik wenigstens eine Sammellinse zur Fokussierung der Teilstrahlen auf das Werkstück auf, sodass der Strahldurchmesser am Bearbeitungspunkt definiert und bekannt ist.
Vorzugsweise weist die Laserschleifvorrichtung eine Hauptstrahlachse auf, die insbesondere senkrecht zu einer Oberfläche des Werkstücks ausgerichtet ist. Die Hauptstrahlachse ist durch die Strahlachse des Lasers unmittelbar vor dem Strahlvervielfältiger definiert. Die Fokussieroptik umfasst einen Eingangsspiegel und einen Umlenkspiegel, wobei der Eingangsspiegel auf der Hauptstrahlachse vorgesehen ist und im Wesentlichen einen Winkel von 45° mit der Hauptstrahlachse einschließt, um den Laserstrahl und/oder die Teilstrahlen um 90° zum Umlenkspiegel hin zu reflektieren. Der Umlenkspiegel ist in einem Winkel von weniger als 45° zur Hauptstrahlachse angeordnet, um den Laserstrahl und/oder die Teilstrahlen zur Sammellinse hin zu reflektieren, wobei der Brennpunkt der Sammellinse im Wesentlichen auf der Hauptstrahlachse und der Werkstückoberfläche liegt. Dabei laufen die Laserstrahlen bzw. Teilstrahlen über den Eingangsspiegel, dann über den Umlenkspiegel durch die Sammellinse zur Hauptstrahlachse, auf der sie fokussiert sind. Somit liegt der Bearbeitungspunkt des Laserstrahls ohne die Verwendung des Strahlvervielfältigers wieder in der Hauptstrahlachse. Dabei kann der Eingangsspiegel den optischen Eingang der Fokussieroptik bilden. Auf diese Weise wird eine besonders hohe Präzision bei der Bearbeitung erzielt. Zur Vergrößerung der Präzision können der Umlenkspiegel und der Eingangsspiegel gegenüber der Hauptstrahlachse fixiert sein.
Um präzise Konturen auf dem Werkstück zu erzeugen, weist die Laserschleifvorrichtung einen Werkstückhalter zur Halterung des Werkstückes auf, der in einer Ebene beweglich und/oder rotierbar ausgeführt ist. Dabei können der Laser, der Strahlvervielfältiger und/oder die Fokussieroptik ortsfest oder nur in ihrem Abstand zum Werkstückhalter bewegbar ausgeführt sein. Deswegen ist es nicht notwendig, die erschütterungsempfindlichen optischen Teile der Strahlführung der Laserschleifvorrichtung zu bewegen, um Konturen auf dem Werkstück zu erzeugen. Vielmehr wird das Werkstück zum Laser bewegt.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist der Strahlvervielfältiger ein intensitätsteilender Strahlvervielfältiger, der ein diffraktives optisches Element, ein optisches Gitter, eine Maske und/oder einen akustooptischen Modulator aufweist. Insbesondere ist der Strahlvervielfältiger austauschbar. Durch einen intensitätsteilenden Strahlvervielfältiger können Laser mit einer hohen Pulsenergie und geringer Pulsfrequenz in der Laserschleifvorrichtung verwendet werden.
Beispielsweise ist der intensitätsteilende Strahlvervielfältiger um eine Drehachse rotierbar, die durch den Laserstrahl am Strahlvervielfältiger definiert ist. Dabei kann die Drehachse durch einen Bearbeitungspunkt verlaufen und/oder die Hauptstrahlachse sein. Die Rotation kann durch einen Aktuator der Laserschleifvorrichtung erfolgen. Auf diese Weise ist es möglich, die Anordnung der Bearbeitungspunkte auf dem Werkstück beliebig auszurichten.
Der Strahlvervielfältiger kann derart beweglich ausgeführt sein, dass er aus dem optischen Weg des Laserstrahls entfernt werden kann. Hierzu kann die Laserschleifvorrichtung einen Aktuator zum Entfernen des Strahlvervielfältigers aus dem optischen Weg aufweisen. Dadurch ist es möglich, dass die Laserschleifvorrichtung einen Betriebsmodus mit einer hohen Arbeitsgeschwindigkeit zum Schruppen hat, in der der Strahlvervielfältiger im optischen Weg des Laserstrahls eingeführt ist, sowie einen Betriebsmodus zum hochpräzisen Schlichten, in dem der Strahlvervielfältiger aus dem optischen Weg des Laserstrahls entfernt ist.
In einer Ausführungsvariante der Erfindung ist der Strahlvervielfältiger ein pulsteilender Strahlvervielfältiger, der einen bewegbaren Spiegel, einen Aktuator zur Bewegung des Spiegels und eine Steuereinheit zur Steuerung des Aktuators aufweist. Zum Beispiel ist der Aktuator ein Piezoaktuator und/oder der Laser ist ein gepulster Laser. Die Steuereinheit kann separat ausgeführt sein oder in einer Steuereinheit der Laserschleifeinrichtung integriert sein. Durch den pulsteilenden Strahlvervielfältiger lässt sich ein Laser mit geringer Pulsenergie aber einer hohen Pulsfrequenz in der Laserschleifvorrichtung verwenden.
Unter einem pulsteilenden Strahlvervielfältiger wird dabei verstanden, dass der pulsteilende Strahlvervielfältiger derart eingerichtet sein kann, dass einzelne, insbesondere aufeinanderfolgende Pulse des Lasers in unterschiedliche, vorgegebene Richtungen reflektiert werden, wobei so viele vorgegebene Richtungen vorbestimmt sein können, wie Teilstahlen erzeugt werden sollen.
Dabei kann der Strahlvervielfältiger jeder der vorgegebenen Richtungen im Wechsel, vorzugsweise reihum Pulse des Lasers, insbesondere je einen Puls des Lasers zuführen.
Vorzugsweise ist der Spiegel um zwei Achsen bewegbar, sodass die Anordnung der Bearbeitungspunkte auf dem Werkstück in einer Ebene und nicht nur in einer Linie erfolgen kann.
Um die Präzision der Laserschleifvorrichtung weiter zu erhöhen und ein Driften der Spiegelbewegung zu korrigieren, kann die Laserschleifvorrichtung eine Korrekturvorrichtung aufweisen, die einen Lichtsensor, insbesondere einen positionsempfindlichen Lichtsensor oder eine Kamera, umfasst. Auf den Lichtsensor treffen zumindest Teile der Teilstrahlen und der Lichtsensor ist mit der Steuereinheit informationstechnisch verbunden. Die Auskopplung von Teilen der Teilstrahlen zum Lichtsensor hin erfolgt z. B. durch einen Strahlteiler nach dem Strahlvervielfältiger, insbesondere aber vor Eingang der Fokussieroptik. Dadurch dient der Lichtsensor der Positionsbestimmung der Teilstrahlen, sodass die Ist-Position der Teilstrahlen mit der Soll-Position der Teilstrahlen verglichen werden kann und die Stellung des Spiegels bei einer Abweichung der Ist-Position von der Soll-Position entsprechend korrigiert werden kann. Die Korrekturvorrichtung bildet mit dem Spiegel und dem Aktuator des Spiegels eine Regelschleife ähnlich einer adaptiven Optik.
Informationstechnisch bedeutet in diesem Zusammenhang, dass der Lichtsensor und die Steuereinheit Daten und/oder Signale austauschen können, beispielsweise durch ein Kabel oder eine Funkverbindung.
Ferner wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks mit einer Laserschleifvorrichtung, insbesondere einer erfindungsgemäßen Laserschleifvorrichtung, die einen Laser, eine Fokussieroptik und einen Strahlvervielfältiger aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

a) Erzeugen eines Laserstrahls durch den Laser,
b) Leiten des Laserstrahls auf den Strahlvervielfältiger,
c) pulsteilendes oder intensitätsteilendes Vervielfältigen des Laserstrahls in mehrere Teilstrahlen durch den Strahlvervielfältiger, und
d) Fokussieren der Teilstrahlen oder des Laserstrahls auf das Werkstück durch die Fokussieroptik.

Dabei kann das Werkstück linear bewegt oder rotiert werden.

Beispielsweise ist der Strahlvervielfältiger ein pulsteilender Strahlvervielfältiger, der einen bewegbaren Spiegel umfasst, wobei der Spiegel zur Strahlvervielfältigung eine oszillierende Bewegung ausführt. Auf diese Weise können einzelne insbesondere aufeinanderfolgende Pulse des Lasers auf voneinander beabstandete Bearbeitungspunkte gelenkt werden, womit im zeitlichen Mittel eine Vervielfältigung des Laserstrahls realisiert ist.

Die oszillierende Bewegung erfolgt dabei wesentlich schneller als eine Bewegung eines Umlenkspiegels zur Führung des Laserstrahls entlang der zu bearbeitenden Kontur. Zum Beispiel liegt die Frequenz der oszillierenden Bewegung in der Größenordnung von 100 Hz bis 1000 Hz.

Aufgrund der Bewegung des Werkstückes überfahren zwei benachbarte Bearbeitungspunkte während der Bearbeitung dieselbe Stelle des Werkstücks nacheinander mit einem zeitlichen Abstand voneinander. Dabei können der räumliche Abstand der Bearbeitungspunkte und die Vorschubgeschwindigkeit des Werkstücks derart gewählt sein, dass das beim Auftreffen des ersten Teilstahls entstandene Plasma wieder zerfallen ist, wenn der zweite Teilstahl auf diese Stelle trifft. Die Lebenszeit des Plasmas liegt etwa zwischen 50 µs und 100 µs.

Um eine besonders hohe Präzision zu erreichen, beträgt die Auslenkung der oszillierenden Bewegung zwischen 0,2 mm und 1,5 mm, insbesondere zwischen 0,5 mm und 1 mm an dem Punkt, an dem der Laserstrahl auf den Spiegel auftrifft.

Vorzugsweise wird die Bewegung des Spiegels mittels einer Korrekturvorrichtung überwacht und korrigiert, um einen Drift des bewegbaren Spiegels auszugleichen.

In einer Ausführungsvariante erzeugen die Teilstrahlen mehrere Bearbeitungspunkte auf dem Werkstück, wobei die Bearbeitungspunkte auf einer Geraden oder in einem Gitter angeordnet sind.

Durch die Erfindung lassen sich Werkstücke aus Metall, z. B. auch Schneidwerkzeuge mit Diamant-Schneidkanten mit sogenannten polykristallinen Diamantwerkstoffen bearbeiten.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie aus den beigefügten Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:

- 1 eine erfindungsgemäße Laserschleifvorrichtung schematisch in perspektivischer Ansicht,
- 2 schematisch eine Vergrößerung von Teilen der Laserschleifvorrichtung nach 1,
- 3 eine schematische Prinzipdarstellung der Laserschleifvorrichtung nach 1,
- 4 die von der Laserschleifvorrichtung nach 1 auf einem Werkstück erzeugten Bearbeitungspunkte,
- 5 eine schematische Prinzipdarstellung einer zweiten Ausführung einer erfindungsgemäßen Laserschleifvorrichtung, und
- 6 die von der Laserschleifvorrichtung gemäß 5 erzeugten Bearbeitungspunkte auf einem Werkstück.

In 1 ist eine Laserschleifvorrichtung 10 mit einem Laser 12, einem Strahlvervielfältiger 14, einer Fokussieroptik 16 und einem Werkstückhalter 18 dargestellt.

Auf dem Werkstückhalter 18, der in der gezeigten Ausführungsform ein Verschiebetisch ist, ist ein zu bearbeitendes Werkstück 20 befestigt.

Die Laserschleifvorrichtung 10 eignet sich zum Schruppen und Schlichten des Werkstückes 20, wobei das Werkstück 20 ein beliebiges Werkstück, z. B. ein Schneidwerkzeug, sein kann.

Der Laser 12 ist ein gepulster Laser oder ein Dauerstrichlaser (CW-Laser), beispielsweise ein gütegeschalteter ND-YAG-Festkörper-Laser.

Der Laser 12 weist einen optischen Ausgang 22 auf, aus dem er einen Laserstrahl L emittiert. Die Emission des Laserstrahls L erfolgt in der Vertikalen, also der X-Y-Ebene, in der auch das Werkstück 20 orientiert ist.

Der Laserstrahl L trifft dann auf eine Kollimationslinse 24, um den Laserstrahl L zu kollimieren, und auf einen Spiegel 26, der in der ersten Ausführungsform einen festen Winkel von 45° zum Laserstrahl L und damit zur Horizontalen hat.

Durch den Spiegel 26 wird der Laserstrahl L umgelenkt, sodass er nun vertikal verläuft und eine Achse definiert, die im Folgenden als Hauptstrahlachse H bezeichnet wird. Die Hauptstrahlachse H verläuft beispielsweise parallel zur Z-Richtung und steht senkrecht auf dem Werkstückhalter 18 bzw. der Oberfläche des Werkstücks 20.

Der Laserstrahl L verläuft dann durch den Strahlvervielfältiger 14 sowie die Fokussieroptik 16 und trifft schließlich auf das Werkstück 20.

Das Werkstück 20 kann in der gezeigten Ausführungsform durch den Werkstückhalter 18 in der Horizontalebene verschoben werden, d. h. in X-Richtung und/oder Y-Richtung durch den Werkstückhalter 18 bewegt werden.

Außerdem sind im gezeigten Ausführungsbeispiel der Strahlvervielfältiger 14 und die Fokussieroptik 16 mit einer Höhenverstellung 28 der Laserschleifvorrichtung 10 verbunden, die den Strahlvervielfältiger 14 und die Fokussieroptik 16 in vertikaler Richtung, d. h. entlang der Z-Achse gegenüber dem Laser 12 und dem Werkstück 20 bewegen kann.

Der Laser 12 ist ortsfest gegenüber dem Werkstückhalter 18, und der Strahlvervielfältiger 14 sowie die Fokussieroptik 16 sind nur in ihrem Abstand zum Werkstückhalter 18, d. h. in Z-Richtung, bewegbar.

Denkbar ist jedoch auch, dass auch der Laser bewegbar ist und/oder der Strahlvervielfältiger und die Fokussieroptik ortsfest sind.

In den 2 und 3 sind die Details der Strahlführung im Bereich des Strahlvervielfältigers 14 und der Fokussieroptik 16 genauer dargestellt. Zum besseren Verständnis ist in 2 nur der Laserstrahl L eingezeichnet.

In den 2 und 3 ist die Höhenverstellung 28 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht mehr dargestellt, jedoch ist eine Laserschleifvorrichtungssteuerung 30 eingezeichnet.

Außerdem sind in den Figuren drei Aktuatoren 32, 34 und 36 angedeutete, die dem Strahlvervielfältiger 14, der Fokussieroptik 16 bzw. dem Werkstückhalter 18 zugeordnet sind und diese bewegen können.

Die Fokussieroptik 16 weist einen optischen Eingang 38, einen Eingangsspiegel 40, einen Umlenkspiegel 42 sowie eine Sammellinse 44 auf.

Der optische Eingang 38 liegt auf der Hauptstrahlachse H und ist dem Spiegel 26 und dem Strahlvervielfältiger 14 zugewandt.

Der Eingangsspiegel 40 liegt ebenfalls auf der Hauptstrahlachse H und schließt im Wesentlichen einen Winkel von 45° mit der Hauptstrahlachse H ein.

Der Eingangsspiegel 40 kann den optischen Eingang 38 der Fokussieroptik 16 darstellen.

Der Umlenkspiegel 42 ist in gleicher Höhe mit dem Eingangsspiegel 40, d. h. in Z-Richtung im Bereich des Eingangsspiegels 40 vorgesehen.

Der Umlenkspiegel 42 ist in Horizontalrichtung, d. h. in der X-Y-Ebene versetzt zur Hauptstrahlachse H vorgesehen und hat einen Winkel α von weniger als 45° zur Hauptstrahlachse H.

Der Eingangsspiegel 40 und der Umlenkspiegel 42 liegen also, bis auf ihren Unterschied der Winkel zur Hauptstrahlachse H, parallel zueinander.

Die Sammellinse 44 ist zwischen dem Umlenkspiegel 42 und dem Werkstückhalter 18 bzw. dem Werkstück 20 vorgesehen und so orientiert, dass ihr Brennpunkt auf der Hauptstrahlachse H liegt.

Außerdem liegt der Brennpunkt der Sammellinse 44 auf der Oberfläche des Werkstückes 20, wobei dies durch eine Bewegung der Fokussieroptik 16 durch die Höhenverstellung 28 in Z-Richtung erreicht wird.

Ein durch den optischen Eingang 38 in die Fokussieroptik 16 eintretender Laserstrahl L wird vom Eingangsspiegel 40 zunächst in die Horizontalebene (X-Y-Ebene) reflektiert und läuft dann zum Umlenkspiegel 42 hin.

Der Laserstrahl L trifft dann auf den Umlenkspiegel 42 und wird zur Sammellinse 44 sowie zur Hauptstrahlachse H hin umgelenkt. Der Laserstrahl L verläuft nach der Reflexion am Umlenkspiegel 42 größtenteils parallel zur Hauptstrahlachse und hat einen Winkel zur Hauptstrahlachse zwischen 5° und 25°.

Durch die Sammellinse 44 wird der Laserstrahl L schließlich fokussiert, sodass seine Strahltaille auf der Oberfläche des Werkstückes 20 auf der Hauptstrahlachse H liegt.

Die beschriebene Fokussieroptik 16 entspricht einer RayFree®-Optik der LASERPLUSS AG.

Denkbar ist jedoch auch, dass einer der Spiegel, insbesondere der Umlenkspiegel 42 der Fokussieroptik 16 bewegbar ist, um den Laserstrahl L auf dem Werkstück 20 zu bewegen.

Die gesamte Fokussieroptik 16 lässt sich durch den ihr zugeordneten Aktuator 34 um die Hauptstrahlachse H drehen, wie durch den Doppelpfeil in 2 angedeutet ist. Hierzu ist der Aktuator 34 mit der Laserschleifvorrichtungssteuerung 30 elektrisch verbunden.

In 3 und auch in 5 ist die Fokussieroptik 16 zur Vereinfachung als ein Oval zusammengefasst.

Der Strahlvervielfältiger 14 ist im optischen Weg des Laserstrahls L zwischen dem optischen Ausgang 22 des Lasers 12 und dem optischen Eingang 38 der Fokussieroptik 16 angeordnet. Genauer gesagt ist der Strahlvervielfältiger 14 in der gezeigten Ausführungsform zwischen dem Spiegel 26 und dem Eingangsspiegel 40 der Fokussieroptik 16 vorgesehen.

Der Strahlvervielfältiger 14 ist auch auf der Hauptstrahlachse H angeordnet.

In der ersten Ausführungsform der 1 bis 4 ist der Strahlvervielfältiger 14 ein intensitätsteilender Strahlvervielfältiger und weist zur Strahlteilung ein diffraktives optisches Element, ein optisches Gitter, eine Maske und/oder einen akustooptischen Modulator auf.

Für eine besonders große Flexibilität der Laserschleifvorrichtung 10 kann der Strahlvervielfältiger 14 austauschbar sein, sodass verschiedene diffraktive optische Elemente, optische Gitter oder dergleichen in den optischen Weg des Laserstrahls L eingesetzt werden können.

Der Strahlvervielfältiger 14 kann durch den ihm zugeordneten Aktuator 32 um die Hauptstrahlachse H rotiert werden oder aus der Hauptstrahlachse H, insbesondere vollständig aus dem optischen Weg des Laserstrahls L herausbewegt werden.

Der Aktuator 32 des Strahlvervielfältigers 14 ist mit einer Steuereinheit 46 verbunden, die ebenfalls dem Strahlvervielfältiger 14 zugeordnet ist.

Die Steuereinheit 46 kann separat von der Laserschleifvorrichtungssteuerung 30 oder als integrierter Teil der Laserschleifvorrichtungssteuerung 30 ausgebildet sein.

Trifft der Laserstrahl L nun auf den Strahlvervielfältiger 14, wie in 3 zu sehen, so entstehen aus dem Laserstrahl L aufgrund der Beugung am Strahlvervielfältiger 14 mehrere Teilstrahlen T, die eine geringere Intensität haben als der Laserstrahl L.

Die Anzahl und Intensität der Teilstrahlen kann durch die Ausgestaltung des Strahlvervielfältigers 14 bestimmt werden. Beispielsweise werden sechs, neun oder zwölf Teilstrahlen T erzeugt, wobei im gezeigten ersten Ausführungsbeispiel zwölf Teilstrahlen erzeugt werden. In 3 sind der Übersicht halber jedoch nur drei Teilstrahlen T dargestellt.

Die Teilstrahlen T verlaufen, wie zum Laserstrahl L beschrieben, durch den optischen Eingang 38 der Fokussieroptik 16 und werden durch die Fokussieroptik 16 auf das Werkstück 20 fokussiert.

Obwohl die Teilstrahlen T räumlich zum optimalen optischen Weg des Laserstrahls L durch die Fokussieroptik 16 versetzt sind, fokussiert die Fokussieroptik 16 die verschiedenen Teilstrahlen T jedoch trotzdem auf die Werkstückoberfläche, wie in 4 dargestellt ist.

In 4 sind die Stellen auf einem Werkstück 20 dargestellt, auf denen die Teilstrahlen T auf das Werkstück 20 treffen. Diese Punkte werden im Folgenden als Bearbeitungspunkte 48 bezeichnet.

Die Teilstrahlen T bzw. die Bearbeitungspunkte 48 haben eine Strahltaille bzw. einen Durchmesser d zwischen 10 µm und 20 µm.

Auf dem Werkstück 20 sind die Bearbeitungspunkte 48 in einem Gitter angeordnet.

In der gezeigten Ausführungsform ist das Gitter ein regelmäßiges Gitter mit einem Abstand a zwischen den Gitterpunkten bzw. Bearbeitungspunkten 48 zwischen 10 µm und 40 µm, insbesondere zwischen 20 µm und 30 µm. Der Abstand bezieht sich hier jeweils auf das Intensitätsmaxima des entsprechenden Teilstrahls T bzw. dem Mittelpunkt des jeweiligen Bearbeitungspunktes 48.

Das durch die Bearbeitungspunkte 48 entstehende Muster auf dem Werkstück 20 ist um die Hauptstrahlachse H zentriert.

Denkbar sind selbstverständlich auch andere Muster der Bearbeitungspunkte 48, da die Muster und Intensitäten durch einen geeignete Form des Strahlvervielfältigers 14 nahezu beliebig gewählt werden kann.

Zur Veranschauung ist in 4 gepunktet die Hauptstrahlachse H eingezeichnet sowie der Bearbeitungspunkt 50 des unvervielfältigten Laserstrahls L.

Um mit der Laserschleifvorrichtung 10 das Werkstück 20 zu bearbeiten, wird durch den Laser 12 zunächst der Laserstrahl L erzeugt.

Der Laserstrahl L tritt aus dem optischen Ausgang 22 aus, verläuft durch die Kollimationslinse 24 und wird vom Spiegel 26 auf die Hauptstrahlachse H gelenkt.

Anschließend trifft der Laserstrahl L auf den Strahlvervielfältiger 14 und wird durch den Strahlvervielfältiger 14 in die verschiedenen Teilstrahlen T vervielfältigt bzw. geteilt. Dies geschieht in der ersten gezeigten Ausführungsform durch intensitätsteilende Vervielfältigung.

Schließlich verlaufen alle Teilstrahlen T, d. h. diejenigen Teilstrahlen T mit einer nennenswerten Intensität, durch den optischen Eingang 38 der Fokussieroptik und werden von der Fokussieroptik 16 auf das Werkstück 20 fokussiert.

Wenn die Teilstrahlen auf das Werkstück 20 auftreffen, lösen sich Teile des Werkstückes 20 an den Bearbeitungspunkten 48 ab und es bildet sich kurzzeitig ein Plasma, das über dem Bearbeitungspunkt 48 und der Oberfläche des Werkstückes 20 verweilt.

Nach einem Laserpuls oder, bei der Verwendung eines CW-Lasers, einer vorbestimmten Zeitdauer wird das Werkstück 20 mit dem Werkstückhalter 18 durch den Aktuator 36, der ebenfalls mit der Laserschleifvorrichtungssteuerung 30 verbunden ist, bewegt. Dadurch wird ein Vorschub des Werkstücks 20 erzeugt und die Teilstrahlen T treffen nun an einer anderen Stelle auf das Werkstück 20.

Die Bewegung des Werkstückes 20 erfolgt in der ersten Ausführungsform linear innerhalb der X-Y-Ebene.

Der Vorschub, der Durchmesser d bzw. Strahltaille der Teilstrahlen T und der Abstand a der Teilstrahlen T ist dabei derart gewählt, dass das Plasma oberhalb eines Bearbeitungspunktes 48 zerfallen ist, bevor ein anderer Teilstrahl T auf diese Stelle auftrifft und erneut einen Teil der Oberfläche des Werkstückes 20 an dieser Stelle löst.

Dadurch kann verhindert werden, dass durch das Plasma unerwünschte optische Effekte auftreten, die die Teilstrahlen T defokussieren oder ablenken würden.

Auf diese Weise kann schnell mit mehreren Teilstrahlen T eine große Oberfläche des Werkstückes 20 bearbeitet werden.

Ein Qualitätsverlust bzw. Präzisionsverlust dadurch, dass die Teilstrahlen T nicht alle entlang der optischen Achse (dem Verlauf des Laserstrahls L) durch die Fokussieroptik 16 verlaufen sind zu Beginn der Werkstückbearbeitung beim Schruppen zu vernachlässigen, da die erreichte Qualität immer noch sehr hoch ist.

Zum Finishen bzw. Schlichten, d. h. der Präzisionsbearbeitung der Oberfläche des Werkstücks 20, wird der Strahlvervielfältiger 14 durch den Aktuator 32 aus dem optischen Weg des Laserstrahls L entfernt, sodass der Laserstrahl L unvervielfältigt durch die Fokussieroptik 16 auf das Werkstück 20 trifft, wie in 2 zu sehen ist. Nun kann das Werkstück 20 mit hoher Präzision geschlichtet werden.

In den 4 und 5 ist eine zweite Ausführungsform der Laserschleifvorrichtung 10 dargestellt, die im Wesentlichen der ersten Ausführungsform entspricht. Dementsprechend wird im Folgenden nur auf die Unterschiede eingegangen, und gleiche und funktionsgleiche Teile sind mit denselben Bezugszeichen versehen.

In dieser zweiten Ausführungsform ist der Strahlvervielfältiger 14 ein pulsteilender Strahlvervielfältiger und umfasst nun den Spiegel 26, der als bewegbarer Spiegel ausgebildet ist.

Hierzu weist der Strahlvervielfältiger 14 einen Aktuator 52, wie einen Piezoaktuator auf, der den Spiegel 26 um zwei Achsen bewegen kann. Der Aktuator 52 ist mit der Steuereinheit 46 für den Strahlvervielfältiger 14 elektrisch verbunden.

In dieser zweiten Ausführungsform ist die Steuereinheit 46 für den Strahlvervielfältiger 14 getrennt von der Laserschleifvorrichtungssteuerung 30 ausgebildet.

Der Laser 12 in dieser zweiten Ausführungsform ist ein gepulster Laser und der Strahlvervielfältiger 14 ein pulsteilender Strahlvervielfältiger.

Der Aktuator 52 bewegt den Spiegel 26 so schnell, dass nacheinander folgende Pulse des Laserstrahls L in verschiedene Richtungen abgelenkt werden, die dann Teilstrahlen T bilden.

Im gezeigten Beispiel der zweiten Ausführungsform werden sechs Teilstrahlen T erzeugt (siehe 6), sodass der Spiegel 26 vom Aktuator 52 so gelenkt wird, dass er jeden siebten Puls jeweils in die gleiche Richtung ablenkt.

Dies bedeutet, dass der erste Teilstrahl T aus dem ersten Puls, dem siebten Puls, dem dreizehnten Puls, etc. gebildet wird. Dementsprechend wird der zweite Teilstrahl T durch den zweiten Puls, achten Puls, vierzehnten Puls, etc. der dritte Teilstrahl T durch den dritten Puls, neunten Puls, fünfzehnten Puls etc. gebildet, usw.

Hierzu führt der Spiegel 26 eine oszillierende Bewegung aus. Die Amplitude bzw. Auslenkung dieser oszillierenden Bewegung kann zwischen 0,2 mm und 1,5 mm, insbesondere zwischen 0,5 mm und 1 mm sein. Diese Angabe bezieht sich auf den Punkt an dem der Laserstrahl L auf den Spiegel 26 auftrifft.

Die Frequenz der oszillierenden Bewegung kann zwischen etwa 100 Hz und etwa 1000 Hz liegen.

Jedoch kann es bei dieser oszillierenden Bewegung zu einem Drift kommen, d. h., dass die Bewegung des Spiegels 26 nicht genau linear ist, sondern eine leichte Abweichung in eine Richtung zeigt. Diese leichte Abweichung führt über den Verlauf sehr vieler Bewegungen zu einem Versatz der Laserstrahlen von der gewünschten Soll-Position.

Um diesen Drift auszugleichen, ist die Laserschleifvorrichtung 10 mit einer Korrekturvorrichtung 54 ausgestattet, die einen Lichtsensor 56 und einen Strahlteiler 58 umfasst.

Der Strahlteiler 58 ist im optischen Weg zwischen dem Spiegel 26 und dem optischen Eingang 38 der Fokussieroptik 16 vorgesehen und reflektiert einen Teil der vom Spiegel 26 erzeugten Teilstrahlen T zum Lichtsensor 56 hin.

Der Lichtsensor 56 kann ein positionsempfindlicher Lichtsensor oder eine Kamera sein, auf den die Teile der Teilstrahlen T treffen, und ist mit der Steuereinheit 46 für den Aktuator 52 verbunden.

Durch den Lichtsensor 56 kann die Steuereinheit 46 die Ist-Position der Teilstrahlen T bestimmen und ermitteln, ob die Ist-Position der angestrebten Soll-Position der Teilstrahlen T entspricht. Bei Abweichungen zwischen der Ist-Position und der Soll-Position kann die Steuereinheit 46 den Aktuator 52 entsprechend ansteuern, um die Position des Spiegels 26 zu korrigieren.

Die Korrekturvorrichtung 54 bildet mit dem Spiegel 26 eine Regelschleife ähnlich einer adaptiven Optik.

Die auf diese Weise erzeugten Teilstrahlen T treffen, wie zur ersten Ausführungsform beschrieben, auf den optischen Eingang 38 der Fokussieroptik 16 und werden auf das Werkstück 20 fokussiert.

Wie in 6 zu sehen sind die Bearbeitungspunkte 48 jedoch nicht als Gitter angeordnet, sondern sie bilden eine Linie bzw. sind auf einer Geraden angeordnet.

In dieser Ausführungsform ist der Werkstückhalter 18 so ausgeführt, dass er das Werkstück 20 rotieren und entlang der X-Achse verschieben kann, wodurch eine Bearbeitung von runden Werkstücken 20 durch die Laserschleifvorrichtung 10 ermöglicht wird.

Auch wenn die Teilstrahlen T nacheinander auf das Werkstück 20 auftreffen, kann auf der Zeitskala der Bearbeitungsgeschwindigkeit des Werkstückes 20 immer noch von einem gleichzeitigen Auftreffen der Teilstrahlen T auf das Werkstück 20 gesprochen werden, sodass ohne Probleme von „Teilstrahlen“ gesprochen werden kann.

Um bei einer Laserschleifvorrichtung 10 der zweiten Ausführungsform in den Betriebsmodus zum Schlichten bzw. Finishen mit hoher Präzision zu wechseln, wird der Spiegel 26 fixiert und mittels der Korrekturvorrichtung 54 auf seine Nullposition gesetzt, d. h., dass der Spiegel 26 den auftreffenden Laserstrahl L, wie zur Ausführungsform nach 1 beschrieben, genau entlang der Hauptstrahlachse H optimal in die Fokussieroptik 16 einkoppelt.

Obwohl zwei konkrete Merkmalskombinationen in den verschiedenen Ausführungsformen diskutiert worden sind, sind selbstverständlich die einzelnen Merkmale dieser Ausführungsformen beliebig miteinander kombinierbar.

Insbesondere können durch einen Strahlvervielfältiger 14 der ersten Ausführungsform Bearbeitungspunkte 48 auf einer Geraden erzeugt werden und mittels des Strahlvervielfältigers 14 der zweiten Ausführungsform auch Bearbeitungspunkte, die einem Gitter entsprechen.

Ebenfalls kann der Werkstückhalter 18 beliebig und unabhängig vom Strahlvervielfältiger 14 gewählt sein.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Patentliteratur

DE 102011078825 A1 [0002]

Claims

Laserschleifvorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks (20), mit einem Laser (12), der einen optischen Ausgang (22) aufweist, durch den ein Laserstrahl (L) emittierbar ist, einer Fokussieroptik (16) zur Strahlführung des Laserstrahls (L) auf das Werkstück (20) und einem Strahlvervielfältiger (14), wobei die Fokussieroptik (16) einen optischen Eingang (38) aufweist, wobei der Strahlvervielfältiger (14) im optischen Weg des Laserstrahls (L) zwischen dem optischen Ausgang (22) des Lasers und dem optischen Eingang (38) der Fokussieroptik (16) angeordnet ist, und wobei der Strahlvervielfältiger (14) ein intensitätsteilender oder pulsteilender Strahlvervielfältiger (14) ist, der derart ausgebildet ist, dass er den Laserstrahl (L) intensitätsteilend bzw. pulsteilend in mehrere Teilstrahlen (T) vervielfältigen kann.
Laserschleifvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Teilstrahlen (T), insbesondere alle Teilstrahlen (T) durch den optischen Eingang (38) der Fokussieroptik (16) und zum Werkstück (20) verlaufen.
Laserschleifvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlvervielfältiger (14) sechs, neun oder zwölf Teilstrahlen erzeugt.
Laserschleifvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilstrahlen (T) auf dem Werkstück (20) einen Abstand (a) zwischen 10 µm und 40 µm, insbesondere zwischen 20 µm und 30 µm zueinander haben.
Laserschleifvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilstrahlen (T) in jeweils einem Bearbeitungspunkt (48) auf das Werkstück (20) treffen, wobei die Bearbeitungspunkte (48) auf einer Geraden oder in einem Gitter angeordnet sind.
Laserschleifvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussieroptik (16) wenigstens einen bewegbaren Umlenkspiegel (42) zur Positionierung der Teilstrahlen (T) auf dem Werkstück (20) aufweist.
Laserschleifvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussieroptik (16) wenigstens eine Sammellinse (44) zur Fokussierung der Teilstrahlen (T) auf das Werkstück (20) aufweist.
Laserschleifvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserschleifvorrichtung (10) eine durch den Laserstrahl (L) unmittelbar vor dem Strahlvervielfältiger definierte Hauptstrahlachse (H) aufweist, die insbesondere senkrecht zu einer Oberfläche des Werkstücks (20) ausgerichtet ist, wobei die Fokussieroptik (16) einen Eingangsspiegel (40) und einen Umlenkspiegel (42) umfasst, wobei der Eingangsspiegel (40) auf der Hauptstrahlachse (H) vorgesehen ist und im Wesentlichen einen Winkel von 45° mit der Hauptstrahlachse (H) einschließt, um den Laserstrahl (L) und/oder die Teilstrahlen (T) um 90° zum Umlenkspiegel (42) hin zu reflektieren, wobei der Umlenkspiegel (42) in einem Winkel (α) von weniger als 45° zur Hauptstrahlachse (H) angeordnet ist, um den Laserstrahl (L) und/oder die Teilstrahlen (T) zur Sammellinse (44) hin zu reflektieren, und wobei der Brennpunkt der Sammellinse (44) im Wesentlichen auf der Hauptstrahlachse (H) liegt.
Laserschleifvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserschleifvorrichtung (10) einen Werkstückhalter (18) zur Halterung des Werkstücks (20) aufweist, der in einer Ebene beweglich und/oder rotierbar ausgeführt ist.
Laserschleifvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlvervielfältiger (14) ein intensitätsteilender Strahlvervielfältiger (14) ist, der ein diffraktives optisches Element, ein optisches Gitter, eine Maske und/oder einen akustooptischen Modulator aufweist.
Laserschleifvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der intensitätsteilende Strahlvervielfältiger (14) um eine Drehachse rotierbar ist, die durch den Laserstrahl (L) am Strahlvervielfältiger (14) definiert ist.
Laserschleifvorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlvervielfältiger (14) derart beweglich ausgeführt ist, dass er aus dem optischen Weg des Laserstrahls (L) entfernt werden kann.
Laserschleifvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlvervielfältiger (14) ein pulsteilender Strahlvervielfältiger (14) ist, der einen bewegbaren Spiegel (26), einen Aktuator (52) zur Bewegung des Spiegels (26) und eine Steuereinheit (46) zur Steuerung des Aktuators (52) aufweist.
Laserschleifvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegel (26) um zwei Achsen bewegbar ist.
Laserschleifvorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserschleifvorrichtung (10) eine Korrekturvorrichtung (54) aufweist, die einen Lichtsensor (56), insbesondere einen positionsempfindlichen Lichtsensor oder eine Kamera, umfasst, wobei auf den Lichtsensor (56) zumindest Teile der Teilstrahlen (T) treffen und der Lichtsensor (56) mit der Steuereinheit (46) informationstechnisch verbunden ist.
Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstückes (20) mit einer Laserschleifvorrichtung (10), insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die einen Laser (12), eine Fokussieroptik (16) und einen Strahlvervielfältiger (14) aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a) Erzeugen eines Laserstrahls (L) durch den Laser (12), b) Leiten des Laserstrahls (L) auf den Strahlvervielfältiger (14), c) pulsteilendes oder intensitätsteilendes Vervielfältigen des Laserstrahls (L) in mehrere Teilstrahlen (T) durch den Strahlvervielfältiger (14), und d) Fokussieren der Teilstrahlen (T) oder des Laserstrahls (L) auf das Werkstück (20) durch die Fokussieroptik (16).
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlvervielfältiger (14) ein pulsteilender Strahlvervielfältiger ist, der einen bewegbaren Spiegel (26) umfasst, wobei der Spiegel (26) zur Strahlvervielfältigung eine oszillierende Bewegung ausführt.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslenkung der oszillierenden Bewegung zwischen 0,2 mm und 1,5 mm, insbesondere zwischen 0,5 mm und 1 mm an dem Punkt beträgt, an dem der Laserstrahl (L) auf den Spiegel (26) auftrifft.
Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung des Spiegels (26) mittels einer Korrekturvorrichtung (54) überwacht und korrigiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilstrahlen (T) mehrere Bearbeitungspunkte (48) auf dem Werkstück (20) erzeugen, wobei die Bearbeitungspunkte (48) auf einer Geraden oder in einem Gitter angeordnet sind.