DE102024112132A1 - Processing head for a laser processing system with joint focusing of several partial beams, laser processing system and material processing methods - Google Patents
Processing head for a laser processing system with joint focusing of several partial beams, laser processing system and material processing methodsInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Bearbeitungskopf (6) sowie eine damit ausgestattete Laserbearbeitungsanlage (1) und ein Verfahren zur Materialbearbeitung damit. In dem Bearbeitungskopf (6) sind eine Strahlaufbereitungseinrichtung (7) zumindest zum Führen von Laserstrahlung (4, 5, 8, , 10, 36) auf wenigstens zwei verschiedenen Strahlwegen (30, 33, 34, 37), eine Ablenkeinrichtung (11) zum unabhängigen variablen Ablenken von Laserstrahlung (8, 9, 10, 36) innerhalb des Bearbeitungskopfes (6) und zum Erzeugen einer Zwischenabbildung (32) innerhalb des Bearbeitungskopfes (6) sowie ein danach angeordnetes gemeinsames Fokussierungselement (14) angeordnet. Der Bearbeitungskopf (6) umfasst auch eine Steuereinrichtung (16) zum Steuern der Stahlaufbereitungseinrichtung (7) und/oder der Ablenkeinrichtung (11). The invention relates to a processing head (6), a laser processing system (1) equipped therewith, and a method for material processing therewith. The processing head (6) comprises a beam preparation device (7) for guiding laser radiation (4, 5, 8, 10, 36) along at least two different beam paths (30, 33, 34, 37), a deflection device (11) for independently and variably deflecting laser radiation (8, 9, 10, 36) within the processing head (6) and for generating an intermediate image (32) within the processing head (6), and a common focusing element (14) arranged thereafter. The processing head (6) also includes a control device (16) for controlling the beam preparation device (7) and/or the deflection device (11).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Bearbeitungskopf für eine Laserbearbeitungsanlage, eine mit einem solchen Bearbeitungskopf ausgestattete Laserbearbeitungsanlage und ein Verfahren zur Materialbearbeitung damit.The present invention relates to a processing head for a laser processing system, a laser processing system equipped with such a processing head and a method for processing materials therewith.
Laser können grundsätzlich eine vorteilhafte und nützliche Bearbeitung von Materialien und Werkstoffen ermöglichen. Beispielsweise kann Material mittels Laserstrahlung getrennt, also geschnitten werden oder gebohrt werden oder für generative Fertigungsverfahren selektiv aufgeschmolzen oder ausgehärtet werden. Mit zunehmend höheren Anforderungen, beispielsweise an einen Materialdurchsatz, also eine Bearbeitungsgeschwindigkeit, und/oder an die Qualität beispielsweise von Trennkanten können sich jedoch mit herkömmlichen Lasersystemen Probleme und Herausforderungen ergeben. Zudem sollen Lasersysteme bzw. Laserbearbeitungsanlage möglichst kompakt und kostengünstig sowie wartungsarm betreibbar sein. Um dies zu erreichen, besteht Bedarf für Verbesserungen.Lasers can fundamentally enable advantageous and useful processing of materials. For example, material can be separated (cut or drilled) using laser radiation, or selectively melted or hardened for additive manufacturing processes. However, with increasingly higher demands, such as material throughput (processing speed) and/or the quality of cut edges, problems and challenges can arise with conventional laser systems. Furthermore, laser systems and laser processing equipment should be as compact, cost-effective, and low-maintenance as possible. To achieve this, improvements are needed.
Als einen Ansatz beschreibt die
Als weiteren Ansatz beschreibt die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte laserbasierte Materialbearbeitung zu ermöglichen.The object of the present invention is to enable improved laser-based material processing.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere mögliche Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung angegeben. Merkmale, Vorteile und mögliche Ausgestaltungen, die im Rahmen der Beschreibung für einen der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche dargelegt sind, sind zumindest analog als Merkmale, Vorteile und mögliche Ausgestaltungen des jeweiligen Gegenstands der anderen unabhängigen Ansprüche sowie jeder möglichen Kombination der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche, gegebenenfalls in Verbindung mit einem oder mehr der Unteransprüche, anzusehen.The problem is solved by the subject matter of the independent claims. Further possible embodiments of the invention are specified in the dependent claims, the description, and the drawings. Features, advantages, and possible embodiments set forth in the description for one of the subject matter of the independent claims are to be regarded, at least analogously, as features, advantages, and possible embodiments of the respective subject matter of the other independent claims, as well as of any possible combination of the subject matter of the independent claims, optionally in conjunction with one or more of the dependent claims.
Der erfindungsgemäße Bearbeitungskopf ist eingerichtet und ausgelegt zur Verwendung in einer Laserbearbeitungsanlage. Darin kann also beispielsweise ein Laserstrahl bzw. Laserstrahlung in den Bearbeitungskopf eingestrahlt, in diesem bzw. durch diesen geführt werden und aus dem Bearbeitungskopf in Richtung eines jeweils zu bearbeitenden Materials oder Werkstücks austreten. Der Bearbeitungskopf weist wenigstens einen Strahleingang für wenigstens einen Laserstrahl auf. Dies kann beispielsweise eine Öffnung bzw. Apertur oder ein für den Laserstrahl transparenter Bereich in einem Gehäuse des Bearbeitungskopfes sein. Ebenso kann der Strahleingang wenigstens ein optisches Element sein oder umfassen, wie beispielsweise eine faseroptische Strahlführungseinrichtung oder -komponente, eine Linse, ein Prisma, ein Modulator oder dergleichen. Weist der Bearbeitungskopf mehrere Strahleingänge auf, so kann in bzw. durch jeden dieser Strahleingänge wenigstens ein individueller Laserstrahl eingehen bzw. eingestrahlt werden.The processing head according to the invention is designed and configured for use in a laser processing system. A laser beam or laser radiation can, for example, be directed into the processing head, guided within or through it, and exit the processing head in the direction of the material or workpiece to be processed. The processing head has at least one beam input for at least one laser beam. This can be, for example, an opening or aperture, or a region transparent to the laser beam, within a housing of the processing head. Likewise, the beam input can be or comprise at least one optical element, such as a fiber optic beam guidance device or component, a lens, a prism, a modulator, or the like. If the processing head has multiple beam inputs, at least one individual laser beam can enter or be directed into each of these beam inputs.
Der Bearbeitungskopf umfasst auch eine Strahlaufbereitungseinrichtung bzw. Strahlvorbereitungs- oder Strahlmodifikationseinrichtung. Diese ist eingerichtet zumindest zum Führen von von dem wenigstens einen Strahleingang aus in die Strahlaufbereitungseinrichtung eingehender Laserstrahlung auf wenigstens zwei verschiedenen, insbesondere unterschiedlichen, Strahlwegen bzw. in wenigstens zwei entsprechenden Teilstrahlen, die entlang der verschiedenen Strahlwege durch den Bearbeitungskopf bzw. in dem Bearbeitungskopf oder im Betrieb der entsprechenden Laserbearbeitungsanlage bis zu einem jeweils damit zu bearbeitenden Material oder Werkstück propagieren können. In einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die Strahlaufbereitungseinrichtung auch zumindest zum, insbesondere mittels der Steuereinrichtung steuerbaren, Verteilen oder Aufteilen der Laserstrahlung bzw. des wenigstens einen Laserstrahls auf die wenigstens zwei verschiedenen Strahlwege eingerichtet. Die verschiedenen Strahlwege können bereits innerhalb der Strahlaufbereitungseinrichtung unterschiedlich, also voneinander separiert sein oder erst nach der Strahlaufbereitungseinrichtung zumindest streckenweise voneinander separiert durch den Bearbeitungskopf verlaufen. Das Aufteilen der Laserstrahlung bzw. des wenigstens einen Laserstrahls auf verschiedene Strahlwege kann beispielsweise bedeuten, dass die Laserstrahlung bzw. der Laserstrahl, also eine entsprechende Intensität oder Leistung je nach eingestellter Aufteilung zu gleichen oder unterschiedlichen Anteilen in die verschiedenen Strahlwege gelenkt bzw. den verschiedenen Strahlwegen zugewiesen wird. Insbesondere kann die Strahlaufbereitungseinrichtung bzw. die Führung und/oder die Aufteilung der Laserstrahlung bzw. des Laserstrahls auf die verschiedenen Strahlwege variabel, also veränderbar sein. Die Strahlaufbereitungseinrichtung kann dann also, insbesondere automatisch, ansteuerbar sein, um die Laserstrahlung in unterschiedliche mögliche Strahlwege zu lenken und/oder unterschiedliche Aufteilungen einzustellen. Es kann dann beispielsweise in einer einstellbaren ersten Aufteilung 100 % der Laserstrahlung bzw. des Laserstrahls oder mehrerer eingehender Laserstrahlen in einen der Strahlwege gelenkt werden und in einer einstellbaren zweiten Aufteilung 100 % der Laserstrahlung bzw. des Laserstrahls oder mehrerer eingehender Laserstrahlen in den anderen bzw. einen anderen Strahlweg gelenkt werden und in einer oder mehr einstellbaren weiteren Aufteilungen jeweils ein zwischen 0 % und 100 % liegender Anteil der Laserstrahlung in mehrere oder alle der verschiedenen Strahlwege gelenkt werden. Die Strahlaufbereitungseinrichtung kann dazu ein oder mehr Strahlaufteilungselemente umfassen, wie beispielsweise einen Strahlteiler, einen elektrooptischen Modulator (EOM) einen akustooptischen Deflektor (AOD), eine Halbwellenplatte, einen, umlenkenden Polarisator und/oder dergleichen mehr. Die Strahlaufbereitungseinrichtung kann also als Strahlteiler oder als Strahlweiche ausgestaltet sein bzw. fungieren. Die Strahlaufbereitungseinrichtung kann mehrere Ausgänge aufweisen, durch die jeweils einer der verschiedenen Strahlwege verlaufen kann. Die Ausgänge selbst und/oder die Strahlwege innerhalb der Strahlaufbereitungseinrichtung können mittels faseroptischer Strahlführungskomponenten oder als solche ausgeführt sein. Die erlaubt unter anderem eine erhöhte Flexibilität in der Ausgestaltung des Bearbeitungskopfes, beispielsweise eine räumlich größere Distanz und/oder Toleranz in der Ausrichtung von Teilen des Bearbeitungskopfes relativ zum zu bearbeitenden Werkstück. Die Komponenten zur Strahlaufbereitung und/oder der Bearbeitungskopf müssen also nicht unbedingt als gegenständliche Komponenten verstanden werden, sondern können eventuell als funktionale Komponente verstanden werden.The processing head also includes a beam conditioning unit, or beam preparation or modification unit. This unit is configured at least for guiding laser radiation entering the beam conditioning unit from the at least one beam input along at least two different, in particular distinct, beam paths or into at least two corresponding partial beams, which can propagate along the different beam paths through the processing head, within the processing head, or during operation of the corresponding laser processing system, to the material or workpiece to be processed. In a possible embodiment of the present invention, the beam conditioning unit is also configured at least for distributing or splitting the laser radiation or the at least one laser beam onto the at least two different beam paths, in a manner controllable, in particular, by means of the control unit. The different beam paths can already be distinct, i.e., separated from one another, within the beam conditioning unit itself, or they can run separated from one another, at least partially, through the processing head only after passing through the beam conditioning unit. Splitting the laser radiation, or at least one laser beam, across different beam paths can mean, for example, that the laser radiation or laser beam—that is, a corresponding intensity or power—is directed into the different beam paths in equal or different proportions, depending on the set split. In particular, the The beam preparation device, or the guidance and/or distribution of the laser radiation or laser beam across the various beam paths, can be variable, i.e., adjustable. The beam preparation device can then be controlled, particularly automatically, to direct the laser radiation into different possible beam paths and/or to set different distributions. For example, in an adjustable first distribution, 100% of the laser radiation or laser beam, or of several incoming laser beams, can be directed into one of the beam paths; in an adjustable second distribution, 100% of the laser radiation or laser beam, or of several incoming laser beams, can be directed into the other or a different beam path; and in one or more adjustable further distributions, a proportion of the laser radiation between 0% and 100% can be directed into several or all of the different beam paths. The beam preparation device can comprise one or more beam splitting elements, such as a beam splitter, an electro-optic modulator (EOM), an acousto-optic deflector (AOD), a half-wave plate, a deflecting polarizer, and/or similar components. The beam preparation device can therefore be designed and function as a beam splitter or a beam diverter. It can have multiple outputs, each carrying one of the various beam paths. The outputs themselves and/or the beam paths within the beam preparation device can be implemented using fiber optic beam guidance components or as such. This allows, among other things, increased flexibility in the design of the processing head, for example, a greater spatial distance and/or tolerance in the alignment of parts of the processing head relative to the workpiece. The beam preparation components and/or the processing head should therefore not necessarily be understood as physical components, but can potentially be considered functional components.
Der Bearbeitungskopf weist auch eine Ablenkeinrichtung zum unabhängigen variablen, also veränderbaren oder, insbesondere automatisch, steuerbaren Ablenken von Laserstrahlung in den verschiedenen in die Ablenkeinrichtung eingehenden oder die Ablenkeinrichtung durchlaufenden Strahlwegen, also zum unabhängigen variablen Ablenken des wenigstens einen Laserstrahls bzw. der verschiedenen Teilstrahlen innerhalb des Bearbeitungskopfes und zum Erzeugen einer Zwischenabbildung innerhalb des Bearbeitungskopfes auf. Die Ablenkeinrichtung kann beispielsweise wenigstens zwei unabhängig voneinander steuerbare oder einstellbare Ablenkeinheiten oder Ablenkelemente zum Ablenken jeweils eines Teilstrahls aufweisen oder umfassen. Dies können beispielsweise Scanner, insbesondere Galvanometer- bzw. Galvoscanner, Mikrosysteme (MEMS: mikro-elektro-mechanische Systeme oder MOEMS: mikro-opto-elektro-mechanische Systeme), elektrooptische Ablenkelemente, akustooptische Ablenkelemente oder dergleichen sein. Die Ablenkeinrichtung kann zum Erzeugen der Zwischenabbildung auch eine Zwischenoptik umfassen. Mit einer solchen Zwischenoptik können mehrere oder alle Teilstrahlen bzw. Strahlwege in der Fernfeldregion, insbesondere einer gemeinsamen oder identischen Fernfeldregion, einer bzw. aller Ablenkeinheiten oder Ablenkelemente bzw. der Ablenkeinrichtung insgesamt zusammengeführt werden bzw. zusammenführbar sein. Eine solche Zwischenabbildung bzw. Zwischenoptik kann die verschiedenen Strahlwege bzw. Teilstrahlen innerhalb des Bearbeitungskopfes der zusammenbringen. Damit kann erreicht werden, dass die Strahlwege bzw. Teilstrahlen insbesondere in einem bestimmungsgemäßen vorgegebenen Bearbeitungsbereich außerhalb des Bearbeitungskopfes, in dem im Betrieb ein jeweils zu bearbeitendes Material oder Werkstück angeordnet werden kann, die gleichen oder nur geringfügig unterschiedliche Richtungen bzw. Winkel aufweisen können. Damit kann also eine entsprechende Richtungs- oder Winkeldifferenz der verschiedenen Strahlwege bzw. Teilstrahlen im Vergleich zu anderen Laserbearbeitungsanlagen oder Bearbeitungsköpfen reduziert bzw. minimiert werden, wobei aber dennoch verschiedene Strahlwege bzw. Teilstrahlen verwendet werden können, die unabhängig voneinander lenkbar sind. Damit kann eine besonders vorteilhafte Materialbearbeitung ermöglicht werden. Ebenso kann die und/oder eine weitere Zwischenoptik des Bearbeitungskopfes und/oder einer damit ausgestatteten Laserbearbeitungsanlage weitere Funktionen aufweisen oder erfüllen, also beispielsweise zur Strahlformung und/oder zur Fokuslagensteuerung und/oder dergleichen mehr eingerichtet sein.The processing head also includes a deflection device for the independent, variable deflection of laser radiation in the various beam paths entering or passing through the deflection device, i.e., for the independent variable deflection of the at least one laser beam or the various partial beams within the processing head and for generating an intermediate image within the processing head. The deflection device can, for example, have or comprise at least two independently controllable or adjustable deflection units or deflection elements for deflecting a partial beam each. These can be, for example, scanners, in particular galvanometer or galvo scanners, microsystems (MEMS: micro-electromechanical systems or MOEMS: micro-opto-electromechanical systems), electro-optic deflection elements, acousto-optic deflection elements, or the like. The deflection device can also include an intermediate optic for generating the intermediate image. With such an intermediate optic, several or all partial beams or beam paths in the far-field region, particularly a common or identical far-field region, of one or all deflection units or deflection elements, or of the deflection device as a whole, can be combined or combined. Such an intermediate image or intermediate optic can bring together the various beam paths or partial beams within the processing head. This makes it possible for the beam paths or partial beams, especially in a defined processing area outside the processing head where the material or workpiece to be processed can be positioned during operation, to have the same or only slightly different directions or angles. This reduces or minimizes the corresponding directional or angular difference of the various beam paths or partial beams compared to other laser processing systems or processing heads, while still allowing the use of different beam paths or partial beams that can be controlled independently of each other. This enables particularly advantageous material processing. Likewise, the intermediate optics of the processing head and/or a laser processing system equipped with it may have or fulfill further functions, for example, for beam shaping and/or focus position control and/or the like.
Die Ablenkeinheiten oder Ablenkelemente können am Ort eines virtuellen Bildes der Zwischenoptik angeordnet sein. In der auf der anderen Seite der Zwischenoptik, also ausgangsseitig der Ablenkeinrichtung liegenden Fernfeldregion können die Strahlwege bzw. die Teilstrahlen fokussiert oder kollimiert sein bzw. real oder virtuell zusammenlaufen oder zusammengeführt sein oder es können die Strahltaillen der Teilstrahlen in der Fernfeldregion bzw. im Bereich der Fernfeldregion liegen. Ebenso können die Ablenkeinheiten oder Ablenkelemente mittels der Zwischenoptik in die Fernfeldregion abgebildet werden.The deflection units or elements can be positioned at the location of a virtual image of the intermediate optics. In the far-field region located on the other side of the intermediate optics, i.e., on the output side of the deflection device, the beam paths or partial beams can be focused or collimated, or they can converge or merge, either physically or virtually. Alternatively, the beam waists of the partial beams can lie in the far-field region or within the area of the far-field region. Likewise, the deflection units or elements can be imaged into the far-field region by means of the intermediate optics.
Weiter umfasst der Bearbeitungskopf ein nach dem Ort der Zwischenabbildung, also nach der Fernfeldregion der - insbesondere insgesamt bzw. ausgangsseitig fokussierenden - Ablenkeinrichtung angeordnetes gemeinsames Fokussierungselement bzw. eine gemeinsame Fokussierungsoptik zum Fokussieren der Laserstrahlung der verschiedenen Strahlwege bzw. der verschiedenen Teilstrahlen in den vorgegebenen Bearbeitungsbereich. Dieser Bearbeitungsbereich kann ein Flächen- oder Raumbereich sein, in dem im bestimmungsgemäßen Einsatz oder Betrieb des Bearbeitungskopfes in der Laserbearbeitungsanlage das jeweils zu bearbeitende Material oder Werkstück positioniert und dann mittels der Laserstrahlung beaufschlagt und bearbeitet werden kann. Dass es sich hier bei dem Fokussierungselement bzw. der Fokussierungsoptik um ein gemeinsames Fokussierungselement bzw. eine gemeinsame Fokussierungsoptik handelt, kann insbesondere bedeuten, dass beide oder mehrere oder alle Strahlwege bzw. Teilstrahlen durch dasselbe Fokussierungselement bzw. durch dieselbe Fokussierungsoptik laufen auf darauf auftreffen. Durch ein solches gemeinsames Fokussierungselement müssen also in dem Bearbeitungskopf nicht mehrere Fokussierungselemente für die verschiedenen Strahlwege bzw. Teilstrahlen untergebracht werden. Damit kann der Bearbeitungskopf besonders einfach und kompakt aufgebaut werden und besonders zuverlässig und robust funktionieren, da beispielsweise die Gefahr für Fehl- oder Dejustierungen oder unterschiedliche Fokuslagen von durch verschiedene Fokussierungselemente laufenden Teilstrahlen reduziert bzw. vermieden werden kann. Ein weiterer Vorteil der Verwendung eines gemeinsamen Fokussierungselements liegt darin, dass damit eine besonders kleine Winkeldifferenz der Teilstrahlen an einer Bearbeitungsposition auf dem Werkstück erzielt werden kann, etwa im Vergleich zur Verwendung separater Fokussierungselemente für die einzelnen Teilstrahlen bzw. Strahlwege. Das gemeinsame Fokussierungselement kann einen Strahlausgang des Bearbeitungskopfes bilden. Von dem gemeinsamen Fokussierungselement kann die Laserstrahlung also im bestimmungsgemäßen Einsatz oder Betrieb des Bearbeitungskopfes, insbesondere direkt, zu dem jeweils zu bearbeitenden Material oder Werkstück gelangen.Furthermore, the processing head includes a section according to the location of the intermediate image, i.e., according to the far-field region of the - in particular, overall A common focusing element or focusing optic is arranged on the output side of the focusing deflection device to focus the laser radiation from the various beam paths or partial beams into the specified processing area. This processing area can be a surface or spatial region in which, during the intended use or operation of the processing head in the laser processing system, the material or workpiece to be processed is positioned and then illuminated and processed by the laser radiation. The fact that the focusing element or focusing optic is a common focusing element or focusing optic means, in particular, that both, several, or all beam paths or partial beams pass through the same focusing element or focusing optic and converge upon it. With such a common focusing element, it is therefore unnecessary to house multiple focusing elements for the different beam paths or partial beams within the processing head. This allows for a particularly simple and compact design of the processing head, ensuring exceptional reliability and robustness. This is because, for example, the risk of misalignment, misalignment, or differing focus positions of partial beams passing through various focusing elements can be reduced or eliminated. A further advantage of using a common focusing element is that it enables a particularly small angular difference between the partial beams at a single processing position on the workpiece, compared to using separate focusing elements for individual partial beams or beam paths. The common focusing element can form a beam output of the processing head. From this common focusing element, the laser radiation can thus, in the intended use or operation of the processing head, be directed, in particular, directly to the material or workpiece being processed.
In dem erfindungsgemäßen Bearbeitungskopf sind der Strahleingang, die Strahlaufbereitungseinrichtung, die Ablenkeinrichtung und das gemeinsame Fokussierungselement in der genannten Reihenfolge entlang einer vorgegebenen bestimmungsgemäßen Propagationsrichtung für Laserstrahlung durch den Bearbeitungskopf nacheinander angeordnet. Der erfindungsgemäße Bearbeitungskopf weist auch eine Steuereinrichtung zum automatischen Steuern zumindest der Ablenkeinrichtung auf. Mittels der Steuereinrichtung kann ebenso beispielsweise die Strahlaufbereitungseinrichtung steuerbar sein, also die Aufteilung des wenigstens einen eingehenden Laserstrahls auf die verschiedenen Strahlwege oder auch eine Beeinflussung des Laserstrahls oder daraus erzeugter Teilstrahlen in oder mittels der Strahlaufbereitungseinrichtung. Mittels der Steuereinrichtung kann zumindest das Ablenken des Laserstrahls oder der Teilstrahlen in bzw. mittels der Ablenkeinrichtung gesteuert werden. Die Steuereinrichtung kann dazu beispielsweise eine Prozesseinrichtung, also etwa einen Mikroprozessor oder Mikrochip oder Mikrocontroller, oder eine elektronische Schaltung sein oder umfassen. Ebenso kann die Steuereinrichtung einen damit gekoppelten computerlesbaren Datenspeicher aufweisen. Darin kann beispielsweise ein entsprechendes Betriebs- oder Computerprogramm gespeichert sein, das zum entsprechenden Steuern der Strahlaufbereitungseinrichtung und/oder der Ablenkeinrichtung mittels der Prozesseinrichtung ausgeführt werden kann. Die Steuereinrichtung, insbesondere gegebenenfalls deren Prozessoreinrichtung und/oder Datenspeicher und/oder Energieversorgung, kann angeordnet sein in oder an einem Gehäuse des Bearbeitungskopfes, in dem dessen optische Komponenten, also etwa die Strahlaufbereitungseinrichtung, die Ablenkeinrichtung und das Fokussierungselement angeordnet sein können. Ebenso kann die Steuereinrichtung ganz oder teilweise außerhalb eines solchen Gehäuses bzw. des außerhalb des restlichen Bearbeitungskopfes angeordnet sein. Zum Durchführen der Steuerung kann die Steuereinrichtung dann beispielsweise über eine kabelgebundene oder kabellose Signal- oder Datenverbindung mit dem Rest des Bearbeitungskopfes bzw. mit den zu steuernden Einrichtungen oder Komponenten verbunden oder verbindbar sein.In the processing head according to the invention, the beam input, the beam conditioning unit, the deflection unit, and the common focusing element are arranged sequentially in the aforementioned order along a predetermined propagation direction for laser radiation through the processing head. The processing head according to the invention also includes a control unit for automatically controlling at least the deflection unit. The beam conditioning unit can also be controlled by means of the control unit, i.e., the distribution of the at least one incoming laser beam onto the various beam paths, or also the influencing of the laser beam or partial beams generated therefrom in or by means of the beam conditioning unit. The deflection of the laser beam or the partial beams in or by means of the deflection unit can be controlled by means of the control unit. The control unit can, for example, be or comprise a process unit, such as a microprocessor, microchip, or microcontroller, or an electronic circuit. The control unit can also include a computer-readable data storage device coupled to it. This may, for example, contain a corresponding operating or computer program that can be executed by the processing unit to control the beam preparation unit and/or the deflection unit. The control unit, in particular its processor and/or data storage and/or power supply, may be located in or on a housing of the processing head, in which its optical components, such as the beam preparation unit, the deflection unit, and the focusing element, may be located. Likewise, the control unit may be located wholly or partially outside such a housing or outside the rest of the processing head. To perform the control function, the control unit may then be connected, or connectable, to the rest of the processing head or to the equipment or components to be controlled, for example, via a wired or wireless signal or data connection.
Mittels des erfindungsgemäßen Bearbeitungskopfes kann auf besonders einfache und effiziente Weise ein besonders hochqualitatives Bearbeitungsergebnis und/oder ein besonders großer Durchsatz, also eine besonders hohe Bearbeitungsgeschwindigkeit erzielt werden. So können durch die unabhängige Ablenkung der Laserstrahlung in den verschiedenen Strahlwegen beispielsweise gleichzeitig oder unterbrechungsfrei verschiedene Stellen bearbeitet oder verschiedene Bearbeitungsschritte durchgeführt werden. Durch die erzielbare besonders geringe Richtungs- oder Winkeldifferenz der verschiedenen Strahlwege insbesondere in dem Bearbeitungsbereich kann beispielsweise beim gleichzeitigen oder aneinander anschließenden Einstrahlen von Laserstrahlung über verschiedene Strahlwege an die gleiche Position bzw. zwei unmittelbar aneinander angrenzende Positionen dort eine besonders gleichmäßige oder konstante, also zumindest im Wesentlichen von dem verwendeten Strahlweg unabhängige Form und/oder Richtung bzw. Neigung beispielsweise von Schnittkanten oder Bohrlochwänden oder dergleichen erzielt werden. Ebenso können beispielsweise entlang verschiedener Strahlwege propagierende Teilstrahlen unterschiedliche Eigenschaften, beispielsweise unterschiedliche Intensitäten oder Intensitätsprofile oder unterschiedliche Intensitätsprofilausrichtungen oder Strahlformen oder Wellenlängen oder Leistungen aufweisen. Durch gleichzeitige und/oder aufeinanderfolgende Bearbeitung mittels solcher unterschiedlicher Teilstrahlen kann dann beispielsweise ein bestimmtes Bearbeitungsergebnis in einem Arbeitsschritt oder Durchlauf erzielt bzw. eine besonders große Flexibilität hinsichtlich der erzielbaren Bearbeitungsergebnisse ermöglicht werden. So können beispielsweise derart unterschiedliche Teilstrahlen in derselben Bearbeitungsstelle fokussiert oder aufeinanderfolgend gleichzeitig entlang derselben Bearbeitungskontur geführt werden. Damit können beispielsweise komplexe Schnittkantenformen und/oder ein günstigeres Temperaturprofil in dem jeweils zu bearbeiteten Material oder Werkstück erzeugt werden.The processing head according to the invention enables a particularly high-quality processing result and/or a particularly high throughput, i.e., a particularly high processing speed, to be achieved in a particularly simple and efficient manner. For example, the independent deflection of the laser radiation in the different beam paths allows different areas to be processed simultaneously or without interruption, or different processing steps to be carried out. Due to the particularly small directional or angular difference achievable between the different beam paths, especially in the processing area, a particularly uniform or constant shape and/or direction or inclination of, for example, cut edges or borehole walls, or the like, can be achieved when laser radiation is simultaneously or consecutively directed via different beam paths to the same position or two immediately adjacent positions. This shape and/or direction or inclination is at least essentially independent of the beam path used. Similarly, partial beams propagating along different beam paths can be used, for example, under Different beams exhibit different properties, such as varying intensities or intensity profiles, different intensity profile orientations, beam shapes, wavelengths, or power levels. By simultaneously and/or sequentially processing such different partial beams, a specific processing result can be achieved in a single operation or pass, or a particularly high degree of flexibility regarding the achievable processing results can be enabled. For example, such different partial beams can be focused at the same processing point or guided sequentially and simultaneously along the same processing contour. This allows, for example, the creation of complex cut edge shapes and/or a more favorable temperature profile in the respective material or workpiece being processed.
In einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung die Strahlaufbereitungseinrichtung zumindest zum, insbesondere mittels der Steuereinrichtung steuerbaren, Aufteilen oder Verteilen des wenigstens der Laserstrahlung bzw. des wenigstens einen Laserstrahls auf die wenigstens zwei verschiedenen Strahlwege eingerichtet. Weiter ist hier die Steuereinrichtung dazu eingerichtet, die Aufteilung bzw. das Verteilen der Laserstrahlung oder des wenigstens einen Laserstrahls in bzw. mittels der Strahlaufbereitungseinrichtung automatisch mit dem Ablenken der Laserstrahlung mittels der Ablenkeinrichtung synchronisiert zu schalten bzw. zu steuern. Die Steuereinrichtung ist hier also dazu eingerichtet, dies automatisch miteinander synchronisiert, also koordiniert bzw. aufeinander abgestimmt durchzuführen. Damit kann ein maximierter Anteil der eingehenden Laserstrahlung bzw. Laserleistung zur im jeweiligen Einzelfall vorgesehenen Bearbeitung des Materials oder Werkstücks genutzt werden. So kann beispielsweise vermieden werden, dass in der Strahlaufbereitungseinrichtung eine veränderte Aufteilung eingestellt wird, aber eine korrespondierende veränderte Ablenkung in der Ablenkeinrichtung um mehr oder weniger als die Lichtlaufzeit von der Strahlaufbereitungseinrichtung zu der Ablenkeinrichtung verzögert eingestellt wird. Dadurch kann beispielsweise vermieden werden, dass zumindest kurzzeitig eine bestimmte Bearbeitungsstelle mit einer zu großen oder zu kleinen Laserleistung beaufschlagt wird oder Laserstrahlung auf eine nicht dafür vorgesehen Stelle innerhalb des Bearbeitungskopfes trifft. Bei Einsatz eines gepulsten Laserstrahls bzw. gepulster Laserleistung kann hier beispielsweise vermieden werden, dass ein Laserpuls innerhalb des Bearbeitungskopfes verloren geht, also nicht in bestimmungsgemäßer Weise durch das gemeinsame Fokussierungselement gelenkt wird. Dies kann dem Durchsatz bzw. der Bearbeitungsgeschwindigkeit, der Bearbeitungsqualität und der Effizienz der Bearbeitung zugutekommen. Zudem kann damit ein Risiko für eine Schädigung durch asynchrone Laserpulse vermieden oder reduziert werden.In one possible embodiment of the present invention, the beam conditioning device is configured to split or distribute at least the laser radiation or at least one laser beam onto at least two different beam paths, in particular controllable by means of the control device. Furthermore, the control device is configured to automatically switch or control the splitting or distribution of the laser radiation or at least one laser beam in or by means of the beam conditioning device synchronized with the deflection of the laser radiation by means of the deflection device. The control device is thus configured to perform this automatically synchronized, i.e., coordinated, or aligned process. This allows a maximized proportion of the incoming laser radiation or laser power to be used for the processing of the material or workpiece as intended in each individual case. For example, this prevents a situation where a changed splitting is set in the beam conditioning device, but a corresponding change in deflection in the deflection device is delayed by more or less than the time of flight from the beam conditioning device to the deflection device. This prevents, for example, a specific processing point from being subjected to excessively high or low laser power, at least briefly, or from laser radiation striking an unintended area within the processing head. When using a pulsed laser beam or pulsed laser power, this prevents a laser pulse from being lost within the processing head, i.e., not being guided as intended by the common focusing element. This can improve throughput or processing speed, processing quality, and processing efficiency. Furthermore, it can avoid or reduce the risk of damage from asynchronous laser pulses.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die Steuereinrichtung dazu eingerichtet, bei Einstrahlung eines gepulsten Laserstrahls, also einer Sequenz von Laserpulsen, und/oder bei Einstrahlung eines modulierten kontinuierlichen Laserstrahls, also modulierter cw- oder Dauerstrichlaserstrahlung, die Strahlaufbereitungseinrichtung synchronisiert mit den Laserpulsen bzw. mit der Modulation zwischen verschiedenen Aufteilungen bzw. Verteilungen zu schalten. Dadurch kann ein definiertes Schalten gepulster und/oder modulierter Laserstrahlung zwischen verschiedenen Strahlwegen beispielsweise auch bei modengekoppelten Laserstrahlquellen ermöglicht werden. Durch die hier vorgeschlagene Synchronisation mit den Laserpulsen, also einer entsprechenden Laserpulsfrequenz, bzw. mit der Modulation kann beispielsweise erreicht werden, dass ein Umschalten oder Wechseln zwischen verschiedenen Aufteilungen zwischen zwei aufeinanderfolgenden Laserpulsen oder während eines Modulationsminimums durchgeführt wird. Dadurch kann beispielsweise vermieden werden, dass ein Laserpuls oder Maximumsbereich der Laserstrahlung in keinen der vorgesehenen Strahlwege oder teilweise in mehrere Strahlwege gelenkt wird. Dadurch kann letztlich eine besonders präzise, hochqualitative und dauerhaft konsistente Bearbeitungsqualität erreicht werden. Die Steuereinrichtung kann hier beispielsweise eine Eingangs- oder Kommunikationsschnittstelle zur Kopplung mit einer Laserquelle aufweisen und/oder auch zum Steuern einer gepulsten und/oder modulierbaren Laserquelle eingerichtet sein.In a further possible embodiment of the present invention, the control device is configured to switch the beam conditioning device between different splits or distributions synchronously with the laser pulses or the modulation when a pulsed laser beam, i.e., a sequence of laser pulses, and/or a modulated continuous laser beam, i.e., modulated CW or continuous-wave laser radiation, is applied. This enables defined switching of pulsed and/or modulated laser radiation between different beam paths, for example, even with mode-locked laser beam sources. The synchronization proposed here with the laser pulses, i.e., a corresponding laser pulse frequency, or with the modulation, makes it possible, for example, to switch or change between different splits between two successive laser pulses or during a modulation minimum. This prevents, for example, a laser pulse or maximum region of the laser radiation from being directed into none of the intended beam paths or partially into several beam paths. This ultimately enables particularly precise, high-quality, and consistently high-quality processing. The control unit can, for example, have an input or communication interface for coupling with a laser source and/or be configured to control a pulsed and/or modulatable laser source.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die Ablenkeinrichtung für ein scannendes Ablenken der Laserstrahlung der verschiedenen Strahlwege in jeweils ein individuelles in dem Bearbeitungsbereich liegendes wenigstens zweidimensional ausgedehntes Arbeitsfeld eingerichtet. Dabei ist die Ablenkeinrichtung so ausgelegt bzw. dimensioniert oder eingerichtet, das wenigstens zwei Arbeitsfelder einander überlappen und dabei die Größe der Vereinigung dieser Arbeitsfelder höchstens doppelt so groß ist wie die Größe des Überlappungsbereichs dieser Arbeitsfelder. In der hier vorgeschlagenen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung können sich die Arbeitsfelder also zu mindestens 50 %, insbesondere mindestens 60 % oder zu mindestens 80 % überlappen. Die Größe kann hier die Fläche oder bei dreidimensionalen Arbeitsfeldern beispielsweise die Fläche einer zweidimensionalen Projektion oder das Volumen sein. In dem entsprechenden Überlappungsbereich können besonders nützliche Prozess- oder Bearbeitungsstrategien angewendet werden, wie beispielsweise die gleichzeitige oder in besonders flexibel vorgebbaren zeitlichen Mustern oder Abfolgen oder Verhältnissen erfolgende Bearbeitung mittels mehrerer Teilstrahlen. Die hier vorgeschlagene Größe des Überlappungsbereichs kann damit effektiv und praktikabel eine entsprechend verbesserte Materialbearbeitung ermöglichen. Dies wird dadurch unterstützt, dass die verschiedenen Strahlwege oder Teilstrahlen durch den erfindungsgemäßen Aufbau des Bearbeitungskopfes in dem gesamten Überlappungsbereich besonders geringe Richtungs- oder Winkeldifferenzen aufweisen können. Damit kann eine kombinierte Bearbeitung unter Verwendung mehrerer Strahlwege bzw. Teilstrahlen an derselben Stelle oder an aneinander anschließenden Bereichen oder Konturen im Vergleich zu herkömmlichen Laserbearbeitungsanlagen besonders nutzbringend und praktikabel bzw. hochqualitativ angewendet werden. Gleichzeitig kann bei einer nicht vollständigen Überlappung der Arbeitsfelder die Möglichkeit bzw. eine entsprechende Flexibilität für entsprechend größere Bearbeitungsmuster bereitgestellt werden.In a further possible embodiment of the present invention, the deflection device is configured for scanning the deflection of the laser radiation from the various beam paths into individual, at least two-dimensionally extended working fields located within the processing area. The deflection device is designed, dimensioned, or configured such that at least two working fields overlap, and the size of the combined area of these working fields is at most twice the size of the overlapping area. In the embodiment of the present invention proposed here, the working fields can therefore overlap by at least 50%, in particular at least 60%, or at least 80%. The size can be the area or, in the case of three-dimensional working fields, for example, the area of a two-dimensional projection or the volume. Particularly useful process or processing strategies can be applied in the corresponding overlapping area, such as… The simultaneous processing, or processing in particularly flexible predefined temporal patterns, sequences, or ratios, using multiple partial beams. The proposed size of the overlap area can thus effectively and practically enable correspondingly improved material processing. This is supported by the fact that, due to the inventive design of the processing head, the various beam paths or partial beams can exhibit particularly small directional or angular differences throughout the entire overlap area. This allows for combined processing using multiple beam paths or partial beams at the same location or on adjacent areas or contours to be applied in a particularly beneficial, practical, and high-quality manner compared to conventional laser processing systems. At the same time, in the case of incomplete overlap of the working areas, the possibility and corresponding flexibility for larger processing patterns can be provided.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist der Bearbeitungskopf insgesamt, also über alle einzelnen Strahlwegen oder Abbildungspfade oder Optiken hinweg betrachtet wenigstens zwei Strahleingänge auf, die zu unabhängigen Scannern führen, die dazu eingerichtet sind, Laserstrahlung noch vor dem gemeinsamen Fokussierungselement in eine gemeinsame Fernfeldregion zu lenken bzw. zu überführen. Es können also die Zwischenabbildungen der Laserstrahlung mehrerer oder aller verschiedenen Strahlwege in einem gemeinsamen Fernfeld gesammelt werden. Die Scanner sind hier Ablenkungseinheiten zum scannenden Ablenken von Laserstrahlung in einem zumindest zweidimensional ausgedehnten Bereich. Die Scanner können insbesondere Teil der Ablenkeinrichtung bzw. die im Zusammenhang mit der Ablenkeinrichtung genannten Ablenkungseinheiten oder ein Teil von diesen sein. Die hier vorgeschlagene Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann ein besonders dichtes Zusammenführen der Strahlwege bzw. der verschiedenen Teilstrahlen und damit besonders kleine Richtungs- oder Winkelunterschiede der Strahlwege bzw. Teilstrahlen auf dem jeweils zu bearbeitenden Material oder Werkstück ermöglichen. Insbesondere kann dies auch mit oder für mehr als zwei Strahlwege bzw. Teilstrahlen möglich sein. Der Bearbeitungskopf kann dann also insgesamt betrachtet mehr als zwei, beispielsweise drei oder vier oder mehr Strahleingänge aufweisen, die jeweils zu einem unabhängig steuerbaren Scanner führen. Der Bearbeitungskopf kann beispielsweise auch ein eine oder mehr Strahlkombinierungseinrichtungen aufweisen, um verschiedene Strahlwege bzw. Teilstrahlen zu kombinieren, also einander zu überlagern, beispielsweise mittels oder in Form von CBC (Coherent Beam Combining). Dadurch kann eine kompakte Strahlführung und/oder eine Erzeugung von komplexen Intensitätsprofilen ermöglicht werden. Ebenso hier - aber ebenso in anderen Ausgestaltungen oder Weiterbildungen der Erfindung - mittels CBC Laserstrahlung bzw. ein Laserstrahl auf mehrere Strahlwege bzw. in mehrere Teilstrahlen aufgeteilt werden. Dazu kann beispielsweise die Strahlaufbereitungseinrichtung für CBC eingerichtet sein bzw. eine CBC-Einrichtung oder ein CBC-Element aufweisen.In a further possible embodiment of the present invention, the processing head as a whole, i.e., considering all individual beam paths or imaging paths or optics, has at least two beam inputs leading to independent scanners. These scanners are configured to deflect or transfer laser radiation into a common far-field region before it reaches the common focusing element. Thus, the intermediate images of the laser radiation from several or all different beam paths can be collected in a common far field. Here, the scanners are deflection units for scanning and deflecting laser radiation in an area of at least two dimensions. The scanners can, in particular, be part of the deflection device or the deflection units mentioned in connection with the deflection device, or a part thereof. The embodiment of the present invention proposed here can enable a particularly dense merging of the beam paths or the various partial beams, and thus particularly small directional or angular differences of the beam paths or partial beams on the material or workpiece being processed. In particular, this can also be possible with or for more than two beam paths or partial beams. The processing head can therefore have more than two, for example three, four, or more beam inputs, each leading to an independently controllable scanner. The processing head can also have one or more beam combining devices to combine, i.e., superimpose, different beam paths or partial beams, for example, by means of or in the form of coherent beam combining (CBC). This enables compact beam guidance and/or the generation of complex intensity profiles. Likewise, here—but also in other embodiments or further developments of the invention—laser radiation or a laser beam can be split into multiple beam paths or into multiple partial beams by means of CBC. For this purpose, the beam conditioning device can, for example, be configured for CBC or include a CBC device or element.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist der Bearbeitungskopf dazu eingerichtet, Laserstrahlung wenigstens zweier Strahlwege, insbesondere von zwei verschiedenen Strahleingängen, durch Ausnutzung wenigstens einer inhärenten Strahlungseigenschaft bzw. Strahleigenschaft zusammenzuführen, beispielsweise in der Zwischenabbildung bzw. in derselben Fernfeldregion der Ablenkeinrichtung und/oder in dem Bearbeitungsbereich. Eine solche inhärente Strahlungseigenschaft kann also insbesondere eine von der Propagationsrichtung unabhängige bzw. verschiedene Strahlungseigenschaft sein. Beispielsweise kann als eine solche Strahlungseigenschaft die Wellenlänge oder das Spektrum und/oder die Polarisation und/oder die Phase der Laserstrahlung ausgenutzt werden. Dieses Ausnutzen der Strahlungseigenschaft zum Zusammenführen der Laserstrahlung verschiedener Strahlungswege bzw. verschiedener Teilstrahlen kann insbesondere bedeuten, dass die Laserstrahlung auf ein optisches Element gelenkt wird, das Laserstrahlung in Abhängigkeit von der ausgenutzten Strahlungseigenschaft ablenkt, also in seinem Verhalten bzw. seiner Beeinflussung der Laserstrahlung sensitiv oder selektiv bezüglich der ausgenutzten Strahlungseigenschaft ist. Solche optischen Elemente können unterschiedliche bzw. unterschiedlich starke Ablenkungen darauf auftreffender Laserstrahlung mit verschiedenen Werten der ausgenutzten Strahlungseigenschaft gleichzeitig und ohne mechanische Bewegung ermöglichen. Damit kann ein besonders einfacher Aufbau und ein besonders robuster Betrieb des Bearbeitungskopfes ermöglicht werden. Es kann hier ein kollineares Zusammenführen der Laserstrahlung verschiedener Strahlwege bzw. verschiedener Teilstrahlen ermöglicht werden. Dadurch kann eine zumindest nahezu ideale Überlagerung der Laserstrahlung bzw. Teilstrahlen erreicht werden. Dies wiederum bedeutet, dass die verschiedenen Strahlwege bzw. Teilstrahlen dann entsprechend keine oder nur besonders geringe Richtungs- oder Winkelunterschiede in dem Bearbeitungsbereich aufweisen können. Dies kann wie auch an anderer Stelle beschrieben eine besonders hohe Bearbeitungsqualität ermöglichen.In a further possible embodiment of the present invention, the processing head is configured to combine laser radiation from at least two beam paths, in particular from two different beam inputs, by utilizing at least one inherent radiation property, for example in the intermediate image or in the same far-field region of the deflection device and/or in the processing area. Such an inherent radiation property can therefore be, in particular, a radiation property independent of or different from the propagation direction. For example, the wavelength or spectrum and/or the polarization and/or the phase of the laser radiation can be used as such a radiation property. This utilization of the radiation property for combining the laser radiation from different beam paths or different partial beams can, in particular, mean that the laser radiation is directed onto an optical element that deflects the laser radiation depending on the utilized radiation property, i.e., that its behavior or its influence on the laser radiation is sensitive or selective with respect to the utilized radiation property. Such optical elements can simultaneously and without mechanical movement enable different deflections of incident laser radiation with varying values of the utilized radiation property, regardless of the degree of deflection. This allows for a particularly simple design and robust operation of the processing head. Collinear merging of laser radiation from different beam paths or partial beams is possible, resulting in a near-ideal superposition of the laser radiation or partial beams. This, in turn, means that the different beam paths or partial beams exhibit no or only very slight differences in direction or angle within the processing area. As described elsewhere, this can lead to exceptionally high processing quality.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist der Bearbeitungskopf so ausgelegt bzw. eingerichtet, dass damit die Laserstrahlung mehrerer oder aller verschiedenen Strahlwege so in dem Bearbeitungsbereich zusammenführbar ist, dass sich dort die Propagationsrichtungen um höchstens das Fünffache des Divergenzwinkels der Laserstrahlung eines Strahlwegs und/oder um höchstens 20° unterscheiden. Mit anderen Worten kann der Differenzwinkel, also die Winkeldifferenz zwischen den Teilstrahlen bzw. deren Propagationsrichtungen oder Winkeln einen Betrag von höchstens 20° aufweisen. Dadurch kann erreicht oder sichergestellt werden, dass die verschiedenen Teilstrahlen bzw. die entlang der entsprechenden verschiedenen Strahlungswege geführte Laserstrahlung nicht zu signifikanten unterschiedlichen Bearbeitungsergebnissen führt, wozu es bei unterschiedlichen Auftreffwinkeln bzw. entsprechend größeren Winkel- oder Richtungsunterschieden kommen kann.In another possible embodiment of the present invention, the processing head The system is designed and configured so that the laser radiation from several or all different beam paths can be combined in the processing area in such a way that the propagation directions differ by no more than five times the divergence angle of the laser radiation of a single beam path and/or by no more than 20°. In other words, the difference angle, i.e., the angular difference between the partial beams or their propagation directions or angles, can have a maximum value of 20°. This ensures that the different partial beams or the laser radiation guided along the corresponding different beam paths do not lead to significantly different processing results, which can occur with different angles of incidence or correspondingly larger differences in angle or direction.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist in mindestens einem der Strahlwege, insbesondere in mehreren oder allen Strahlwegen, in bestimmungsgemäßer Propagationsrichtung vor dem gemeinsamen Fokussierungselement, insbesondere unmittelbar vor diesem, eine Relaisoptik angeordnet. Eine solche Relaisoptik kann ein optisches Relaissystem oder eine Teleskopoptik sein, womit ein reales Bild erneut als um 180° gedrehtes reales Bild abgebildet werden kann. Die Relaisoptik kann zusätzlich zu der an anderer Stelle genannten Zwischenoptik vorgesehen sein oder diese umfassen oder Teil der Zwischenoptik sein oder die Zwischenoptik bilden bzw. als die Zwischenoptik fungieren. Die hier vorgeschlagene Anordnung einer solchen Relaisoptik in dem Bearbeitungskopf kann die Verwendung von mechanischen bzw. geometrisch relativ großen Ablenkeinheiten, insbesondere Scannern, und gleichzeitig ein besonders nahes oder dichtes bzw. richtungsgleiches oder richtungsähnliches Zusammenführen oder Überlagern von in verschiedenen Strahlwegen geführter Laserstrahlung bzw. von verschiedenen Teilstrahlen ermöglichen.In a further possible embodiment of the present invention, a relay optic is arranged in at least one of the beam paths, in particular in several or all beam paths, in the intended propagation direction upstream of the common focusing element, and especially directly upstream of it. Such a relay optic can be an optical relay system or a telescopic optic, with which a real image can be reproduced as a real image rotated by 180°. The relay optic can be provided in addition to, or include, or be part of, the intermediate optic, or constitute or function as the intermediate optic. The arrangement of such a relay optic proposed here in the processing head can enable the use of mechanically or geometrically relatively large deflection units, in particular scanners, and simultaneously allow for a particularly close or dense, or directionally aligned or similar, merging or superimposition of laser radiation guided in different beam paths or of different partial beams.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die Strahlaufbereitungseinrichtung dazu eingerichtet, einen Strahlquerschnitt, also eine Größe und/oder Form des Strahlquerschnitts, und/oder eine in bestimmungsgemäßer Propagationsrichtung gegebene Lage der bzw. einer Strahltaille zu variieren, also auf verschiedene Werte bzw. Positionen einzustellen. Damit kann insbesondere der Strahlquerschnitt und/oder die Strahltaillenlage im Bereich des Bearbeitungsbereiche variiert bzw. eingestellt werden. Insbesondere kann die Strahlaufbereitungseinrichtung oder die damit verknüpfte Steuereinrichtung bzw. der Bearbeitungskopf insgesamt dazu eingerichtet sein, den Strahlquerschnitt und/oder die Strahltaillenlage dynamisch bzw. flexibel während des bestimmungsgemäßen Betriebs oder Einsatzes des Bearbeitungskopfes bzw. der damit ausgestatteten Laserbearbeitungsanlage zu variieren. Damit kann eine besonders flexible und genaue Materialbearbeitung oder eine Erzeugung von komplexen Bearbeitungsmustern ermöglicht werden. Beispielsweise können dadurch die bei unterschiedlichen Auftreffwinkeln bzw. bei unterschiedlichen Ablenkwinkeln der Laserstrahlung bezüglich des jeweils zu bearbeitenden Materials oder Werkstücks unterschiedlichen Strahlweglänge ausgeglichen werden. Somit kann über den gesamten Bearbeitungsbereich besonders zuverlässig eine konsistente Bearbeitungsqualität und/oder Bearbeitungsgeschwindigkeit erreicht werden.In a further possible embodiment of the present invention, the beam conditioning device is configured to vary the beam cross-section, i.e., the size and/or shape of the beam cross-section, and/or the position of the beam waist in the intended propagation direction, i.e., to adjust it to different values or positions. This allows, in particular, the beam cross-section and/or the beam waist position to be varied or adjusted within the processing area. Specifically, the beam conditioning device, the associated control unit, or the processing head as a whole can be configured to dynamically and flexibly vary the beam cross-section and/or the beam waist position during the intended operation or use of the processing head or the laser processing system equipped with it. This enables particularly flexible and precise material processing or the generation of complex processing patterns. For example, this allows for compensation of the different beam path lengths resulting from different angles of incidence or deflection of the laser radiation with respect to the material or workpiece being processed. This ensures that consistent processing quality and/or processing speed can be achieved particularly reliably across the entire processing area.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die Strahlaufbereitungseinrichtung dazu eingerichtet, insbesondere innerhalb wenigstens eines Strahlwegs, unterschiedliche Intensitätsprofile der Laserstrahlung und/oder unterschiedliche Ausrichtungen wenigstens eines Intensitätsprofils der Laserstrahlung einzustellen bzw. zu erzeugen. Mit anderen Worten kann hier also beispielsweise in einem bestimmten Strahlweg zu einem ersten Zeitpunkt ein erstes Intensitätsprofil und/oder eine erste Ausrichtung eines Intensitätsprofils und zu einem davon verschiedenen zweiten Zeitpunkt ein anderes zweites Intensitätsprofil und/oder eine andere zweite Ausrichtung eingestellt oder erzeugt werden. Solche verschiedenen Intensitätsprofile können beispielsweise ein Gaußprofil oder ein Flattop-Profil oder ein Ringprofil oder ein Multispotprofil oder dergleichen sein. Verschiedene Ausrichtungen eines Intensitätsprofils können beispielsweise unterschiedliche Rotationsstellungen oder Rotationswinkel des Intensitätsprofils um die Strahlachse, also die Propagationsrichtung bedeuten. Beispielsweise kann ein Strahl- bzw. Intensitätsprofil eine Vorzugsrichtung aufweisen. Diese kann dann beispielsweise relativ zu einer Bewegungsrichtung oder Trajektorie, in oder entlang welcher der Laserstrahl bzw. ein entsprechender Laserspot über ein zu bearbeitendes Material oder Werkstück geführt wird, ausgerichtet, also insbesondere in der Ebene des Materials oder Werkstücks rotiert werden. Dazu kann beispielsweise ein im Strahlengang bzw. Strahlweg angeordnetes strahlformendes Element, wie etwa ein diffraktiv-optisches Element, rotiert werden. Ebenso kann die Ausrichtung des Strahl- bzw. Intensitätsprofils verändert oder angepasst werden mittels sogenannter Bildrotatoren. Ein solcher kann beispielsweise ein im jeweiligen Strahlengang bzw. Strahlweg angeordnetes drehbar gelagertes Dove-Prisma oder dergleichen sein oder umfassen. Insbesondere dann, wenn mangelnde Dynamik einer Strahlmanipulation die Anwendung oder Komponenten beeinträchtigen könnte, kann der erfindungsgemäße Bearbeitungskopf die Strahlmanipulation, also etwa die das Intensitätsprofil oder dessen Ausrichtung dann aufprägen, also eine entsprechende Einstellung dann ausführen, wenn der betreffende Strahlweg nicht mit Leistung beaufschlagt wird, also keine oder nur abgeschwächte Laserstrahlung führt. Eine solche mangelnde Dynamik kann trägheitsbedingt oder auf Grund zwischenzeitlich undefinierter Parameter gegeben sein. Durch die mehreren Strahlwege des Bearbeitungskopfes kann damit die Bearbeitung eines jeweiligen Materials oder Werkstücks während einer entsprechenden Einstellung oder Anpassung in einem Strahlweg, insbesondere zumindest nahezu unterbrechungsfrei, über einen anderen Strahlweg fortgesetzt werden.In a further possible embodiment of the present invention, the beam conditioning device is configured to set or generate different intensity profiles of the laser radiation and/or different orientations of at least one intensity profile of the laser radiation, particularly within at least one beam path. In other words, for example, a first intensity profile and/or a first orientation of an intensity profile can be set or generated in a specific beam path at a first time, and a different second intensity profile and/or a different second orientation can be set or generated at a second time that differs from the first. Such different intensity profiles can be, for example, a Gaussian profile, a flat-top profile, a ring profile, a multispot profile, or the like. Different orientations of an intensity profile can, for example, mean different rotation positions or rotation angles of the intensity profile about the beam axis, i.e., the propagation direction. For example, a beam or intensity profile can have a preferred direction. This can then be aligned, for example, relative to a direction of movement or trajectory in or along which the laser beam or a corresponding laser spot is guided over a material or workpiece to be processed, i.e., rotated in the plane of the material or workpiece. For this purpose, a beam-shaping element arranged in the beam path, such as a diffractive optical element, can be rotated. Likewise, the orientation of the beam or intensity profile can be changed or adjusted by means of so-called image rotators. Such a rotatably mounted Dove prism or the like, arranged in the respective beam path, can be or comprise such a rotatably mounted element. Particularly when insufficient dynamics of beam manipulation could impair the application or components, the processing head according to the invention can perform the beam manipulation. This means that the intensity profile or its orientation is only applied when the relevant beam path is not receiving power, i.e., when it carries no or only attenuated laser radiation. Such a lack of dynamics can be due to inertia or temporarily undefined parameters. Thanks to the processing head's multiple beam paths, the processing of a given material or workpiece can continue, at least almost uninterrupted, via another beam path while a corresponding setting or adjustment is being made in one beam path.
Ebenso kann die Strahlaufbereitungseinrichtung dazu eingerichtet sein, die eingehende Laserstrahlung in unterschiedlichen Weisen so auf die verschiedenen Strahlwege aufzuteilen und/oder die Ausrichtungen oder Lagen der verschiedenen Strahlwege anzupassen, dass sich ausgangsseitig, insbesondere in dem Bearbeitungsbereich unterschiedliche Intensitätsprofile ergeben. Dies kann beispielsweise erreicht werden, in dem die Strahllage und/oder die Vorzugsrichtung bzw. Propagationsrichtung in einem oder mehr Strahlwegen variiert wird. Dazu kann je nach verwendeter Technik beispielsweise eine Stärke oder ein Gradient eines elektrischen Feldes in einem EOM und/oder eine in einem AOD verwendete Schallfrequenz und/oder ein Kippwinkel eines reflektierenden oder diffraktiven oder refraktiven optischen Elements oder dergleichen entsprechend variiert werden. Die Einstellbarkeit unterschiedlicher Intensitätsprofile kann eine besonders genaue und flexible Materialbearbeitung für unterschiedliche Anforderungen oder Bearbeitungsaufgaben ermöglichen. Damit können dann beispielsweise verschiedene Bearbeitungsaufgaben mittels desselben Bearbeitungskopfes und damit besonders schnell und effizient durchgeführt werden.Similarly, the beam conditioning system can be configured to distribute the incoming laser radiation in different ways across the various beam paths and/or to adjust the orientations or positions of the different beam paths so that different intensity profiles result at the output, particularly in the processing area. This can be achieved, for example, by varying the beam position and/or the preferred direction or propagation direction in one or more beam paths. Depending on the technology used, this can be accomplished, for example, by varying the strength or gradient of an electric field in an EOM (Electro-Optical Microscope) and/or an acoustic frequency used in an AOD (Automatic Optical Optical Scope) and/or a tilt angle of a reflective, diffractive, or refractive optical element, or the like. The adjustability of different intensity profiles can enable particularly precise and flexible material processing for diverse requirements or processing tasks. This allows, for example, different processing tasks to be performed using the same processing head, thus enabling particularly fast and efficient operation.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist die Strahlaufbereitungseinrichtung wenigstens einen Absorberausgang für Laserstrahlung auf. Die Strahlaufbereitungseinrichtung ist dann dazu eingerichtet, die eingehende Laserstrahlung zeitweise und/oder anteilig, also bei entsprechender Ansteuerung in diesen Absorberausgang zu leiten. Ein solcher Absorberausgang kann auch als Dump-Ausgang bezeichnet werden. Der Absorberausgang kann zumindest ein Teil eines der Strahlwege sein oder es kann wenigstens einer der Strahlwege zu dem Absorberausgang führen. Beispielsweise kann ein solcher Absorberausgang einen Absorber für Laserstrahlung umfassen oder enthalten. Ebenso kann dem Absorberausgang in einer den erfindungsgemäßen Bearbeitungskopf umfassenden Laserbearbeitungsanlage ein Absorber für Laserstrahlung bzw. eine entsprechende Strahlfalle nachgeordnet sein. In den Absorberausgang gelenkte bzw. durch den Absorberausgang ausgegebenes Laserstrahlung kann in dem Absorber absorbiert werden, sodass sie dann also nicht zu dem jeweils zu bearbeitenden Material bzw. nicht in den Bearbeitungsbereich gelangt.In a further possible embodiment of the present invention, the beam conditioning device has at least one absorber output for laser radiation. The beam conditioning device is then configured to direct the incoming laser radiation temporarily and/or partially, i.e., upon appropriate control, into this absorber output. Such an absorber output can also be referred to as a dump output. The absorber output can be at least part of one of the beam paths, or at least one of the beam paths can lead to the absorber output. For example, such an absorber output can include or contain an absorber for laser radiation. Likewise, in a laser processing system comprising the processing head according to the invention, an absorber for laser radiation or a corresponding beam trap can be arranged downstream of the absorber output. Laser radiation directed into or emitted through the absorber output can be absorbed in the absorber, so that it does not reach the material being processed or the processing area.
Die Steuereinrichtung kann dazu eingerichtet sein, die Strahlaufbereitungseinrichtung entsprechend anzusteuern, sodass bei Bedarf in den Bearbeitungskopf eingestrahlte Laserstrahlung ganz oder teilweise in den Absorberausgang läuft. Damit kann der Bearbeitungskopf mit einer kontinuierlichen Laserquelle genutzt werden und dennoch eine Erzeugung nicht-kontinuierlicher Bearbeitungsmuster ermöglichen, ohne die Laserquelle zwischenzeitlich abzuschalten. Damit kann die Laserquelle dann in einem fixen Arbeitspunkt und somit besonders effizient und konsistent betrieben werden. Hier kann also die Laserquelle dauerhaft und konstant betrieben werden, was beispielsweise thermische und/oder elektrische Stresseffekte in der Laserquelle sowie zusätzlichen Verschleiß aufgrund von Ein- und Ausschaltvorgängen der Laserquelle vermeiden oder reduzieren kann. Ebenso können damit besonders gleichmäßige bzw. konsistente Eigenschaften der Laserstrahlung erreicht werden, was zu einer verbesserten Bearbeitungsqualität oder Bearbeitungskonsistenz beitragen kann. Ebenso kann das Schalten oder Aufteilen der Laserstrahlung auf verschiedene Strahlwege einschließlich eines zu dem Absorberausgang führenden Strahlwegs hier gegebenenfalls schneller ausführbar sein als es durch ein Ausschalten und Einschalten der Laserquelle sowie gegebenenfalls damit verbundener weiterer Komponenten ermöglicht werden könnte. Somit kann durch die hier vorgeschlagene Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung letztlich ein weiter verbesserter Materialdurchsatz bzw. eine weiter verbesserte Bearbeitungsgeschwindigkeit und/oder eine besonders konsistente Bearbeitungsqualität ermöglicht werden. Die Strahlaufbereitungseinrichtung kann hier als Strahlweiche ausgestaltet sein oder eine Strahlweiche umfassen. Insbesondere kann die Strahlaufbereitungseinrichtung hier also wenigstens einen Eingang, wenigstens einen Absorberausgang und wenigstens zwei davon verschiedene zum Ausgeben von Laserstrahlung zu Materialbearbeitung vorgesehene Ausgänge aufweisen.The control unit can be configured to control the beam conditioning unit accordingly, so that, if required, laser radiation directed into the processing head flows completely or partially into the absorber output. This allows the processing head to be used with a continuous laser source while still enabling the generation of non-continuous processing patterns without having to switch off the laser source. This allows the laser source to be operated at a fixed operating point, resulting in particularly efficient and consistent operation. Thus, the laser source can be operated continuously and consistently, which can, for example, avoid or reduce thermal and/or electrical stress effects in the laser source, as well as additional wear due to switching the laser source on and off. This also allows for particularly uniform and consistent properties of the laser radiation, which can contribute to improved processing quality and consistency. Similarly, switching or splitting the laser radiation onto different beam paths, including a beam path leading to the absorber output, can potentially be performed faster here than by switching the laser source and any associated components off and on. Thus, the embodiment of the present invention proposed here can ultimately enable a further improved material throughput, a further improved processing speed, and/or a particularly consistent processing quality. The beam conditioning device can be configured as a beam switch or include a beam switch. In particular, the beam conditioning device can have at least one input, at least one absorber output, and at least two different outputs for emitting laser radiation for material processing.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Laserbearbeitungsvorrichtung bzw. Laserbearbeitungsanlage, die wenigstens eine Laserquelle zum Erzeugen und Ausgeben oder Bereitstellen wenigstens eines - kontinuierlichen und/oder modulierbaren und/oder gepulsten - Laserstrahls sowie einen dieser in bestimmungsgemäßer Propagationsrichtung des Laserstrahls nachgeordneten erfindungsgemäßen Bearbeitungskopf aufweist. Die erfindungsgemäße Laserbearbeitungsanlage kann insbesondere die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Bearbeitungskopf genannte Laserbearbeitungsanlage sein oder dieser entsprechen. Die Laserbearbeitungsanlage kann mehrere erfindungsgemäße Bearbeitungsköpfe aufweisen. Die Laserbearbeitungsanlage kann dann nicht nur eingerichtet sein für eine Variation oder Steuerung verschiedener Eigenschaften und/oder Propagationswege der Laserstrahlung innerhalb eines Bearbeitungskopfes bzw. einer Optik, sondern ebenso für ein, insbesondere während einer Bearbeitung dynamisches, Schalten oder Wechseln zwischen verschiedenen Bearbeitungsköpfen bzw. Optiken. So kann dann beispielsweise Laserstrahlung einer Laserquelle zwischen verschiedenen Bearbeitungsköpfen hin und her geschaltet oder auf mehrere Bearbeitungsköpfe aufgeteilt bzw. verteilt werden. Ebenso kann Laserstrahlung mehrere Laserquellen mittels mehrerer Bearbeitungsköpfe besonders flexibel gesteuert bzw. abgelenkt werden. Durch mehrere Bearbeitungsköpfe kann also gegebenenfalls ein weiter verbesserter Flexibilität und/oder Qualität der Bearbeitung ermöglicht werden.The present invention also relates to a laser processing device or laser processing system, comprising at least one laser source for generating and outputting or providing at least one continuous and/or modulatable and/or pulsed laser beam, and a processing head according to the invention arranged downstream of this laser beam in the intended propagation direction. The laser processing system according to the invention can, in particular, perform the following functions: The laser processing system referred to as the processing head according to the invention may be related to or correspond to the laser processing system. The laser processing system can have several processing heads according to the invention. The laser processing system can then be configured not only for varying or controlling different properties and/or propagation paths of the laser radiation within a processing head or optic, but also for switching or changing between different processing heads or optics, particularly dynamically during processing. For example, laser radiation from a laser source can be switched back and forth between different processing heads or split or distributed among several processing heads. Likewise, laser radiation from several laser sources can be controlled or deflected with particular flexibility by means of several processing heads. Thus, multiple processing heads can potentially enable further improved flexibility and/or quality of the processing.
In einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die Laserbearbeitungsanlage dazu eingerichtet, zumindest oder nur zeitweise unterschiedliche Strahleigenschaften in wenigstens zwei oder allen verschiedenen Strahlwegen zu erzeugen. Solche Strahleigenschaften können beispielsweise unterschiedliche Repetitionsraten und/oder Laserpulsdauern und/oder Laserpulsenergien und/oder Fokuslagen und/oder Polarisationen sein. Damit kann eine entsprechend größere Flexibilität der Laserbearbeitungsanlage erreicht und beispielsweise eine Erzeugung von besonders komplexen Bearbeitungsmustern oder eine besonders hohe Bearbeitungsgenauigkeit ermöglicht werden. Mit einer solcherart eingerichteten Laserbearbeitungsanlage können also beispielsweise verschiedene Bearbeitungsverfahren realisiert oder verschiedene Bearbeitungsanforderungen erfüllt werden oder beispielsweise dynamisch auf sich verändernde Bedingungen während des Betriebs reagiert werden. Beispielsweise kann die Repetitionsrate je nach Vorschubgeschwindigkeit des zu bearbeitenden Materials oder Werkstücks angepasst werden. Ebenso kann beispielsweise in einem Hauptbearbeitungsstrahl eine größere Laserpulsenergie eingestellt werden als in einem diesem nachlaufenden sekundären Bearbeitungsstrahl, was ein optimiertes Wärmemanagement bzw. einen optimierten Temperaturgradienten innerhalb des bearbeiteten Materials oder Werkstücks ermöglichen kann.In one possible embodiment of the present invention, the laser processing system is configured to generate different beam properties in at least two or all of the different beam paths, either temporarily or at least temporarily. Such beam properties can include, for example, different repetition rates, laser pulse durations, laser pulse energies, focus positions, and/or polarizations. This allows for greater flexibility of the laser processing system and enables, for example, the generation of particularly complex processing patterns or particularly high processing accuracy. With a laser processing system configured in this way, various processing methods can be implemented, different processing requirements can be met, or the system can react dynamically to changing conditions during operation. For example, the repetition rate can be adjusted depending on the feed rate of the material or workpiece being processed. Similarly, a higher laser pulse energy can be set in a main processing beam than in a secondary processing beam following it, which can enable optimized thermal management or an optimized temperature gradient within the processed material or workpiece.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Materialbearbeitung mittels der erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsanlage. In dem Verfahren wird ein jeweils zu bearbeitendes Material bzw. Werkstück in dem Bearbeitungsbereich positioniert. Mittels der Laserbearbeitungsanlage wird dann Laserstrahlung erzeugt und auf das Material bzw. Werkstück gelenkt, um dieses in vorgegebener Weise zu bearbeiten. In dem Verfahren kann auch eine Relativbewegung zwischen der Laserbearbeitungsanlage bzw. deren Bearbeitungskopf einerseits und dem zu bearbeitendes Material bzw. Werkstück andererseits erzeugt werden. Dazu kann die Laserbearbeitungsanlage eine entsprechende Verfahr- oder Verstelleinrichtung aufweisen.The present invention also relates to a method for material processing using the laser processing system according to the invention. In this method, the material or workpiece to be processed is positioned in the processing area. Laser radiation is then generated by the laser processing system and directed onto the material or workpiece to process it in a predetermined manner. The method can also generate relative movement between the laser processing system or its processing head on the one hand and the material or workpiece to be processed on the other. For this purpose, the laser processing system can have a corresponding traversing or adjusting device.
Weitere Merkmale der Erfindung können sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung sowie anhand der Zeichnung ergeben. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung und/oder in den Figuren allein gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.Further features of the invention may become apparent from the following description of the figures and from the drawings. The features and combinations of features mentioned above in the description, as well as the features and combinations of features shown below in the description of the figures and/or in the figures themselves, can be used not only in the combinations specified, but also in other combinations or individually, without departing from the scope of the invention.
Die Zeichnung zeigt in:
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1 eine schematische Darstellung einer Laserbearbeitungsanlage und eines damit bearbeiteten Werkstücks; -
2 eine ausschnittweise schematische Darstellung zur Veranschaulichung einer ersten Variante einer Strahlaufbereitungseinrichtung der Laserbearbeitungsanlage; -
3 eine ausschnittweise schematische Darstellung zur Veranschaulichung einer zweiten Variante einer Strahlaufbereitungseinrichtung der Laserbearbeitungsanlage; -
4 eine ausschnittweise schematische Darstellung zur Veranschaulichung einer dritten Variante einer Strahlaufbereitungseinrichtung der Laserbearbeitungsanlage; -
5 eine ausschnittweise schematische Darstellung zur Veranschaulichung einer möglichen Ausgestaltung der Laserbearbeitungsanlage; -
6 eine ausschnittweise schematische Darstellung zur Veranschaulichung einer ersten Variante einer Abbildungsoptik der Laserbearbeitungsanlage; -
7 eine ausschnittweise schematische Darstellung zur Veranschaulichung einer zweiten Variante einer Abbildungsoptik der Laserbearbeitungsanlage; -
8 eine ausschnittweise schematische Darstellung zur Veranschaulichung einer dritten Variante einer Abbildungsoptik der Laserbearbeitungsanlage; -
9 eine ausschnittweise schematische Darstellung zur Veranschaulichung einer unabhängigen Teilstrahlablenkung in der Laserbearbeitungsanlage; und -
10 eine ausschnittweise schematische Darstellung zur Veranschaulichung einer unabhängigen Teilstrahlablenkung in der Laserbearbeitungsanlage mit kleinen Winkeldifferenzen der Teilstrahlen im Bearbeitungsbereich.
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1 a schematic representation of a laser processing system and a workpiece processed with it; -
2 a partial schematic representation to illustrate a first variant of a beam preparation device of the laser processing system; -
3 a partial schematic representation to illustrate a second variant of a beam preparation device of the laser processing system; -
4 a partial schematic representation to illustrate a third variant of a beam preparation device of the laser processing system; -
5 a partial schematic representation to illustrate a possible design of the laser processing system; -
6 a partial schematic representation to illustrate a first variant of an imaging optic for the laser processing system; -
7 a partial schematic representation to illustrate a second variant of an imaging optic for the laser processing system; -
8 a partial schematic representation to illustrate a third variant of an imaging optic for the laser processing system; -
9 a partial schematic representation to illustrate an independent gigen partial beam deflection in the laser processing system; and -
10 A partial schematic representation illustrating independent partial beam deflection in the laser processing system with small angular differences of the partial beams in the processing area.
Gleiche oder funktionsgleiche Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Identical or functionally equivalent elements are marked with the same reference symbols in the figures.
Die Laserbearbeitungsanlage 1 umfasst auch einen Bearbeitungskopf 6. Dieser ist der Laserquelle 3 in bestimmungsgemäßer Strahlausbreitungs- bzw. Propagationsrichtung des Laserstrahls 4 und des Zusatzlaserstrahls 5 nachgeordnet. Die Laserstrahlen 4, 5 können also in einen Strahleingang oder in verschiedene Strahleingänge des Bearbeitungskopfes 6 eingestrahlt werden. Von dort aus können die Laserstrahlen 4, 5 in dem Bearbeitungskopf 6 in eine Strahlaufbereitungseinrichtung 7 gelangen. Die Strahlaufbereitungseinrichtung 7 kann eingehende Laserstrahlung bzw. die eingehenden Laserstrahlen 4, 5 aufbereiten, also insbesondere auf verschiedene Strahlwege auf- oder verteilen bzw. in verschiedene entsprechende Teilstrahlen aufteilen oder auch in einer oder mehr Eigenschaften modifizieren. Die Strahlaufbereitungseinrichtung 7 kann hier also insbesondere die eingehende Laserstrahlung, also den Laserstrahl 4 und/oder den Zusatzlaserstrahl 5 und/oder weitere eingehende Laserstrahlen, beispielsweise in einen ersten Teilstrahl 8, einen zweiten Teilstrahl 9 und einen dritten Teilstrahl 10 bzw. entsprechende Strahlwege aufteilen. Dabei kann insbesondere die Aufteilung der Laserstrahlung, also beispielsweise der Intensität und/oder der Leistung, auf die verschiedenen Teilstrahlen 8, 9, 10 im Betrieb mit dynamisch variiert werden. Beispielsweise kann hier der Laserstrahl 4 in den ersten Teilstrahl 8 und den zweiten Teilstrahl 9 aufgeteilt werden, während der dritte Teilstrahl 10 dem Zusatzlaserstrahl 5 entsprechen kann. Ebenso sind aber andere Aufteilungen oder Mischungen der Laserstrahlung aus den Laserstrahlen 4, 5 möglich.The laser processing system 1 also includes a processing head 6. This is positioned downstream of the laser source 3 in the intended beam propagation direction of the laser beam 4 and the auxiliary laser beam 5. The laser beams 4 and 5 can therefore be directed into one or more beam inputs of the processing head 6. From there, the laser beams 4 and 5 can enter a beam conditioning unit 7 within the processing head 6. The beam conditioning unit 7 can process the incoming laser radiation or the incoming laser beams 4 and 5, in particular by directing or distributing them along different beam paths, splitting them into different partial beams, or modifying one or more properties. The beam conditioning unit 7 can therefore, in particular, split the incoming laser radiation, i.e., laser beam 4 and/or the auxiliary laser beam 5 and/or further incoming laser beams, for example, into a first partial beam 8, a second partial beam 9, and a third partial beam 10, or corresponding beam paths. In particular, the distribution of the laser radiation, i.e., the intensity and/or power, among the different partial beams 8, 9, 10 can be dynamically varied during operation. For example, laser beam 4 can be split into the first partial beam 8 and the second partial beam 9, while the third partial beam 10 can correspond to the auxiliary laser beam 5. However, other distributions or mixtures of the laser radiation from laser beams 4 and 5 are also possible.
Die Strahlaufbereitungseinrichtung 7 kann auch eingerichtet sein zum Einstellen des Strahlquerschnitts und der Taillenlage in Strahlpropagationsrichtung, insbesondere im Bereich des Werkstücks 2 und/oder zum Aufprägen überlagerter dynamischer Strahlbewegungen oder Strahllagenveränderungen der Teilstrahlen 8, 9, 10 innerhalb einzelner Strahlwege und/oder zur Strahlformung. Eine Erzeugung der Teilstrahlen 8, 9, 10 und/oder deren Modulation kann beispielsweise mittels phased-Array-Technik realisiert werden. Beispielsweise kann dazu CBC und/oder ein sogenanntes Lichtventil oder dergleichen eingesetzt werden. Insbesondere kann die Strahlaufbereitungseinrichtung 7 eingerichtet sein für eine variable bzw. steuerbare Umordnung von Energie bzw. Leistung zwischen mehreren oder allen erzeugbaren Teilstrahlen 8, 9, 10. Dies bedeutet, dass Energie oder Leistung eines eingehenden Laserstrahls mal einem der Teilstrahlen 8, 9, 10 und mal einem anderen der Teilstrahlen 8, 9, 10 zugewiesen werden kann. Es können also unterschiedliche Aufteilungen bzw. Verteilungen nicht nur durch ausschließliches selektives Abschwächen der Teilstrahlen 8, 9, 10 erzeugt werden.The beam conditioning unit 7 can also be configured to adjust the beam cross-section and the waist position in the beam propagation direction, particularly in the area of the workpiece 2, and/or to impose superimposed dynamic beam movements or beam position changes of the partial beams 8, 9, 10 within individual beam paths, and/or for beam shaping. The generation of the partial beams 8, 9, 10 and/or their modulation can be achieved, for example, using phased-array technology. For this purpose, CBC and/or a so-called light valve or the like can be used. In particular, the beam conditioning unit 7 can be configured for a variable or controllable reallocation of energy or power between several or all of the generated partial beams 8, 9, 10. This means that the energy or power of an incoming laser beam can be assigned sometimes to one of the partial beams 8, 9, 10 and sometimes to another of the partial beams 8, 9, 10. Therefore, different divisions or distributions cannot be generated solely by selectively attenuating the partial beams 8, 9, 10.
Ebenso kann die Laserbearbeitungsanlage 1 beispielsweise eine steuerbare Strahlweiche, insbesondere eine Hochgeschwindigkeitsstrahlweiche umfassen. Diese kann beispielsweise zwischen der Laserquelle 3 und dem Bearbeitungskopf 6 angeordnet oder Teil der Laserquelle 3 oder Teil des Bearbeitungskopfes 6, insbesondere Teil der Strahlaufbereitungseinrichtung 7, sein. Die von der Laserquelle 3 ausgegeben Laserstrahlung kann dann also in diese Strahlweiche eingestrahlt werden und darin verschiedenen Ausgängen der Strahlweiche zugewiesen werden. Aus einem oder mehr Ausgängen der Strahlweiche austretende Laserstrahlung kann dann einem oder mehr Strahleingängen des Bearbeitungskopfes 6 zugeführt werden. Eine solche Strahlweiche bzw. Hochgeschwindigkeitsstrahlweiche kann insbesondere für Umschaltgeschwindigkeiten bzw. Umschaltdauern zwischen verschiedenen Ausgängen von höchstens 10 µs bzw. eine entsprechende Umschaltfrequenz von wenigstens 100 kHz eingerichtet sein.Similarly, the laser processing system 1 can, for example, include a controllable beam splitter, in particular a high-speed beam splitter. This can, for example, be arranged between the laser source 3 and the processing head 6, or be part of the laser source 3 or part of the processing head 6, in particular part of the beam splitter. The laser radiation emitted by the laser source 3 can then be directed into this beam switch and assigned to different outputs of the beam switch. Laser radiation emerging from one or more outputs of the beam switch can then be fed to one or more beam inputs of the processing head 6. Such a beam switch, or high-speed beam switch, can be configured, in particular, for switching speeds or switching times between different outputs of at most 10 µs or a corresponding switching frequency of at least 100 kHz.
Der Bearbeitungskopf 6 umfasst oder enthält auch eine Ablenkeinrichtung 11. Damit können die darin eingehenden Teilstrahlen 8, 9, 10 in einem hier schematisch angedeuteten Ablenkungsbereich 12 steuerbar abgelenkt oder ausgelenkt werden. Dabei kann eine Ablenkung oder Auslenkung in verschiedenen Richtungen, insbesondere eine 3D-Ablenkung bzw. 3D-Auslenkung möglich sein.The processing head 6 includes or contains a deflection device 11. This allows the incoming partial beams 8, 9, 10 to be controlled and deflected within a deflection range 12, which is shown schematically here. Deflection or deflection in various directions, in particular 3D deflection or 3D deflection, is possible.
Die Ablenkeinrichtung 11 kann mehrere, insbesondere unabhängig voneinander bzw. individuell steuerbare Ablenkeinheiten umfassen, die jeweils wenigstens einem der Teilstrahlen 8, 9, 10 eine Richtungs- bzw. Winkeländerung aufprägen können. Solche Ablenkeinheiten können beispielsweise Galvoscanner sein, die besonders große Arbeitsfelder bei guter Scangeschwindigkeit und Leistungstauglichkeit aufweisen. Ebenso können die Ablenkeinheiten beispielsweise jeweils einen oder mehr Piezo-Kippspiegel umfassen. Eine Ablenkeinheit kann eine Ablenkung in zwei Richtungen ermöglichen. Allgemein können die Ablenkeinheiten jeweils wenigstens einen Winkel- oder Ablenkungsbereich 12 von wenigstens 10 mrad, insbesondere von wenigstens 20 mrad oder wenigstens 50 mrad oder wenigstens 200 mrad, adressieren, insbesondere mit einer möglichen kontinuierlichen Rate oder Geschwindigkeit von wenigstens 10 °/s.The deflection device 11 can comprise several deflection units, in particular independently or individually controllable ones, each of which can impose a change in direction or angle on at least one of the partial beams 8, 9, 10. Such deflection units can, for example, be galvo scanners that have particularly large working fields with good scanning speed and performance. Likewise, the deflection units can each comprise, for example, one or more piezoelectric tilting mirrors. A deflection unit can enable deflection in two directions. In general, the deflection units can each address at least one angular or deflection range 12 of at least 10 mrad, in particular of at least 20 mrad, at least 50 mrad, or at least 200 mrad, in particular with a possible continuous rate or speed of at least 10 °/s.
Der Ablenkeinrichtung 11 nachgeordnet umfasst der Bearbeitungskopf 6 eine Fokussierungsoptik oder Fokussierungseinrichtung 13. Diese Fokussierungseinrichtung 13 umfasst wenigstens ein gemeinsames Fokussierungselement 14, durch welches alle Teilstrahlen 8, 9, 10 laufen oder auf welches alle Teilstrahlen 8, 9, 10 treffen. Das Fokussierungselement 14 kann insbesondere eine fokussierende Linse sein oder umfassen. Ebenso kann das Fokussierungselement 14 reflektieren ausgebildet sein oder wenigstens eine für die Laserstrahlung reflektierende Komponente oder einen reflektierenden Bereich aufweisen. Die Fokussierungseinrichtung 13 kann einen Strahlausgang des Bearbeitungskopfes 6 bilden. Nach Verlassen der Fokussierungseinrichtung 13 können die Teilstrahlen 8, 9, 10 also als nächstes auf das Werkstück 2 treffen. Obwohl das Werkstück 2 hier außerhalb der Laserbearbeitungsanlage 1 angeordnet ist, kann diese ebenso eine interne Aufnahme für ein zu bearbeitendes Werkstück 2 aufweisen. Durch Steuerung insbesondere der Ablenkeinrichtung 11, also der Ablenkwinkel, um welche die Teilstrahlen 8, 9, 10 abgelenkt werden, und/oder durch Steuerung der Strahlaufbereitungseinrichtung 7, also beispielsweise einer Variation der Ausrichtung oder Lage der einzelnen Strahlwege können die Teilstrahlen 8, 9, 10 ausgangsseitig des Bearbeitungskopfes 6 in einem hier schematisch angedeuteten Scanbereich 15, insbesondere in einem 2D- oder 2,5D-Bereich, bewegt werden. Der Scanbereich 15 kann insbesondere mit einer Oberfläche des jeweils zu bearbeitenden Werkstücks 2 zusammenfallen. Insbesondere können einige oder alle der Teilstrahlen 8, 9, 10 bzw. die entsprechenden einzelnen Strahlwege innerhalb einem einzigen Fernfeldbereich der Fokussierungseinrichtung 13 oder des Fokussierungselement 14 zusammengeführt werden. Die Teilstrahlen 8, 9, 10 können durch die Fokussierungseinrichtung 13 zumindest im Wesentlichen senkrecht zur jeweils zu bearbeitenden Oberfläche des Werkstücks 2 auf dieses geführt werden, also beispielsweise höchstens mit einer Winkelabweichung von 10° oder 20° zur Senkrechten bzw. zur optischen Achse. Dies ist gleichbedeutend mit einem entsprechend nahen Zusammenführen der Teilstrahlen 8, 9, 10 im Fernfeld der Fokussierungseinrichtung 13 bei quasi telezentrischen Optiken.Downstream of the deflection device 11, the processing head 6 includes a focusing optic or focusing device 13. This focusing device 13 comprises at least one common focusing element 14 through which all partial beams 8, 9, 10 pass or onto which all partial beams 8, 9, 10 strike. The focusing element 14 can, in particular, be or comprise a focusing lens. Likewise, the focusing element 14 can be designed to reflect or have at least one component or area that reflects the laser radiation. The focusing device 13 can form a beam output of the processing head 6. After leaving the focusing device 13, the partial beams 8, 9, 10 can then strike the workpiece 2. Although the workpiece 2 is located outside the laser processing system 1, the system can also have an internal receptacle for a workpiece 2 to be processed. By controlling, in particular, the deflection device 11, i.e., the deflection angles by which the partial beams 8, 9, 10 are deflected, and/or by controlling the beam conditioning device 7, i.e., for example, by varying the orientation or position of the individual beam paths, the partial beams 8, 9, 10 can be moved on the output side of the processing head 6 within a scan area 15, shown schematically here, in particular in a 2D or 2.5D area. The scan area 15 can, in particular, coincide with a surface of the workpiece 2 to be processed. In particular, some or all of the partial beams 8, 9, 10 or the corresponding individual beam paths can be combined within a single far-field area of the focusing device 13 or the focusing element 14. The partial beams 8, 9, 10 can be guided by the focusing device 13 at least substantially perpendicular to the surface of the workpiece 2 to be processed, i.e., for example, with a maximum angular deviation of 10° or 20° from the perpendicular or the optical axis. This is equivalent to a correspondingly close convergence of the partial beams 8, 9, 10 in the far field of the focusing device 13 in quasi-telecentric optics.
Die Laserbearbeitungsanlage 1 weist hier auch eine Steuereinrichtung 16 auf. Diese ist zumindest zum Steuern des Bearbeitungskopfes 6, insbesondere zum synchronisierten bzw. aufeinander abgestimmten Steuern der Strahlaufbereitungseinrichtung 7 und der Ablenkeinrichtung 11, eingerichtet. Ebenso kann die Steuereinrichtung 16 zum Steuern der Laserquelle 3 und/oder zum Erfassen von Betriebssignalen der Laserquelle 3 als Basis oder Grundlage für das darauf abgestimmte Steuern des Bearbeitungskopfes 6 eingerichtet sein. Dazu weist die Steuereinrichtung 16 hier schematisch angedeutet einen Prozessor 17 und einen Datenspeicher 18 auf. Teile oder Komponenten der Steuereinrichtung 16 können ebenso räumlich verteilt angeordnet sein, beispielsweise integriert in die Laserquelle 3 und/oder die Strahlaufbereitungseinrichtung 7 oder dergleichen. Entstammt wenigstens ein Teil der Laserstrahlung oder Laserstrahlen, die dem Bearbeitungskopf 6 zugeführt wird bzw. werden, der genannten schaltbaren Strahlweiche, so kann die Steuereinrichtung 16 auch zum Steuern dieser Strahlweiche eingerichtet sein. Die Steuereinrichtung 16 kann also insbesondere mehrere Einrichtungen oder Komponenten der Laserbearbeitungsanlage 1 übergreifend bzw. koordiniert, also aufeinander abgestimmt oder miteinander synchronisiert steuern.The laser processing system 1 also includes a control unit 16. This unit is configured at least for controlling the processing head 6, in particular for the synchronized or coordinated control of the beam conditioning unit 7 and the deflection unit 11. The control unit 16 can also be configured for controlling the laser source 3 and/or for acquiring operating signals from the laser source 3 as a basis for the coordinated control of the processing head 6. For this purpose, the control unit 16 includes, as schematically indicated here, a processor 17 and a data memory 18. Parts or components of the control unit 16 can also be spatially distributed, for example, integrated into the laser source 3 and/or the beam conditioning unit 7, or the like. If at least part of the laser radiation or laser beams supplied to the processing head 6 originates from the aforementioned switchable beam divider, the control unit 16 can also be configured to control this beam divider. The control unit 16 can therefore, in particular, control or coordinate several devices or components of the laser processing system 1 across multiple systems or components, i.e. Control them in a coordinated manner or synchronized with each other.
Eine Vielzahl von scannerbasierten Laserapplikationen lassen sich durch Einsatz eines Scanners, also einer gesteuerten scannenden Ablenkung der Laserstrahlung über ein in mindestens zwei Raumrichtungen ausgedehntes Arbeitsfeld verbessern oder überhaupt erst realisieren, wenn damit mehrere unabhängig voneinander manipulierbare Teilstrahlen 8, 9, 10 mit überlappenden Arbeitsfeldern auf das jeweils zu bearbeitende Werkstück 2 gerichtet werden können. Dies kann insbesondere der Fall sein, wenn sich für die mehreren Teilstrahlen 8, 9, 10 unabhängig die Leistungs- oder Energiebeaufschlagung und/oder die Ausrichtung und/oder die Strahlform dynamisch kontrollieren, hier also mittels der Steuereinrichtung 16 steuern lässt.A multitude of scanner-based laser applications can be improved, or even realized, by using a scanner—that is, a controlled scanning deflection of the laser radiation over a working field extending in at least two spatial directions—if several independently manipulable partial beams 8, 9, 10 with overlapping working fields can be directed onto the workpiece 2 to be processed. This can be the case, in particular, if the power or energy input and/or the orientation and/or the beam shape of the several partial beams 8, 9, 10 can be dynamically controlled independently, i.e., controlled by the control unit 16.
So können beim Trennen mittels Laserstrahlung mehrere in Konturrichtung aufeinanderfolgende Teilstrahlen 8, 9, 10 genutzt werden, um die Geschwindigkeit und/oder die Qualität zu steigern. Insbesondere kann es nützlich sein, den Abstand und die Anzahl von entsprechenden Laserspots auf dem Werkstück 2 sowie deren Leistungsverteilung im laufenden Prozess, also während der Bearbeitung zu variieren. Weiterhin kann es nützlich sein, die Laserspotgröße in Konturrichtung bzw. entlang einer Bearbeitungskontur zu variieren und/oder einen Versatz eines oder mehrerer der Teilstrahlen 8, 9, 10 quer oder in einem Winkel zur Konturrichtung und/oder zur Propagationsrichtung aufzuprägen bzw. zu erzeugen, um eine Gratbildung an der Kontur bzw. einer entsprechenden Schnittkante zu reduzieren. Dies kann sowohl für geradlinige als auch für gekrümmte Konturen, also Bearbeitungsbahnen nützlich bzw. mit der hier vorgeschlagenen Laserbearbeitungsanlage 1 möglich sein. Auch zum Laserschweißen oder für die laserbasierte generative Fertigung bietet sich die Nutzung mehrerer Teilstrahlen 8, 9, 10 bzw. mehrerer entsprechender Laserspots auf oder in dem jeweiligen Material oder Werkstück 2, insbesondere in einem gemeinsamen bzw. überlappenden Schmelz- oder Prozessvolumen an. Zur Steigerung des Durchsatzes kann es ebenso nützlich sein, unabhängige Prozesszonen oder Teile von Arbeitsfeldern zu erlauben oder zu realisieren, in denen mittels der Laserbearbeitungsanlage 1 gleichzeitig und/oder sequenziell eine Bearbeitung des Werkstücks 2 oder mehrerer Werkstücke 2 möglich ist. Beim Laserbohren kann es sich anbieten, mehrere der Teilstrahlen 8, 9, 10 gleichzeitig oder zeitversetzt zu nutzen, um separierte, also räumlich voneinander beabstandete Bohrungen schneller herzustellen. Beispielsweise kann mit dem ersten Teilstrahl 8 eine erste Stelle bearbeitet werden und währenddessen der zweite Teilstrahl 9 bzw. eine entsprechende Ablenkeinheit umpositioniert und gegebenenfalls beschleunigt wird, um dann nach abgeschlossener Bearbeitung der ersten Stelle beispielsweise den ersten Teilstrahl 8 deaktivieren und die entsprechende Laserleistung auf den Strahlweg für den zweiten Teilstrahlen 9 umzuschalten, um damit nahezu unterbrechungsfrei eine andere zweite Stelle zu bearbeiten.Thus, when cutting with laser radiation, several successive partial beams 8, 9, 10 in the contour direction can be used to increase speed and/or quality. In particular, it can be useful to vary the distance and number of corresponding laser spots on the workpiece 2, as well as their power distribution, during the ongoing process, i.e., during processing. Furthermore, it can be useful to vary the laser spot size in the contour direction or along a processing contour and/or to impose or generate an offset of one or more of the partial beams 8, 9, 10 transversely or at an angle to the contour direction and/or the propagation direction in order to reduce burr formation on the contour or a corresponding cut edge. This can be useful for both straight and curved contours, i.e., processing paths, and is possible with the laser processing system 1 proposed here. For laser welding or laser-based additive manufacturing, the use of multiple partial beams 8, 9, 10 or multiple corresponding laser spots on or within the respective material or workpiece 2 is advantageous, particularly in a common or overlapping melting or process volume. To increase throughput, it can also be beneficial to allow or implement independent process zones or sections of work areas in which the workpiece 2 or multiple workpieces 2 can be processed simultaneously and/or sequentially using the laser processing system 1. For laser drilling, it can be advantageous to use several of the partial beams 8, 9, 10 simultaneously or with a time delay to produce separated, i.e., spatially spaced, holes more quickly. For example, the first partial beam 8 can be used to process a first point, while the second partial beam 9 or a corresponding deflection unit is repositioned and, if necessary, accelerated, so that after processing the first point, the first partial beam 8 can be deactivated and the corresponding laser power switched to the beam path for the second partial beam 9, in order to process another second point almost without interruption.
Vorliegend wird dies durch die Laserbearbeitungsanlage 1 ermöglicht, die es erlaubt, bei Bereitstellung mindestens eines Eingangsstrahls, hier also etwa des Laserstrahls 4, mehrere unabhängig in einem Überlappungsbereich von Arbeitsfeldern in einem Bearbeitungsbereich 38 (siehe
Optional können zwischen dem zweiten Polarisator 21 und dem Absorber 22 beispielsweise eine Halbwellenplatte 24 und ein weiterer umlenkender Polarisator 21 angeordnet werden. Damit kann ein weiterer Strahlweg bzw. der dritte Teilstrahl 10 erzeugt werden.Optionally, a half-wave plate 24 and another deflecting polarizer 21 can be arranged between the second polarizer 21 and the absorber 22. This allows for the generation of an additional beam path or the third partial beam 10.
Die Schalteinrichtungen 20 können optional sein. Beispielsweise könnte der Laserstrahl 4 nach dem Eingang 19 direkt auf den ersten Polarisator 21 treffen, nach welchem beispielsweise nur die Halbwellenplatte 24 und ein weiterer Polarisator 21 und gegebenenfalls der Absorber 22 oder beispielsweise nur ein Umlenkspiegel angeordnet sein können. Die für die Aufteilung oder Zuteilung der Laserstrahlung auf die verschiedenen Strahlwege an den Polarisatoren 21 relevante Polarisation kann dann bereits in der Laserquelle 3 erzeugt oder aufgeprägt werden bzw. worden sein. Ebenso können Kombinationen möglich sein. Soll keine Laserstrahlung ausgegeben, also dem Werkstück 2 zugeführt werden, so kann beispielsweise 100 % der durch den Eingang 19 eingehenden Laserstrahlung in den Absorber 22 gelenkt oder die Laserquelle 3 zeitweise abgeschaltet werden.The switching devices 20 can be optional. For example, the laser beam 4 could strike the first polarizer 21 directly after the input 19, after which, for example, only the half-wave plate 24 and another polarizer 21, and optionally the absorber 22, or perhaps only a deflecting mirror, could be arranged. The polarization relevant for splitting or allocating the laser radiation to the various beam paths at the polarizers 21 can then already be generated or applied in the laser source 3. Combinations are also possible. If no laser radiation is to be emitted, i.e., supplied to the workpiece 2, then, for example, 100% of the laser radiation entering through the input 19 can be directed into the absorber 22, or the laser source 3 can be temporarily switched off.
In
Die Strahlwege bzw. die Teilstrahlen 8, 9, 10 können auf verschiedene entsprechend der Abstände der Strahlwege versetzt angeordnete Umlenkelemente, also beispielsweise Spiegel 26 treffen, um ausgangsseitig der Strahlaufbereitungseinrichtung 7 die entsprechenden verschiedenen Strahlwege bzw. Teilstrahlen 8, 9, 10 auszugeben oder bereitzustellen. Auch hier kann der Absorber 22 vorgesehen sein. Dieser kann beispielsweise so angeordnet sein, dass bei Inaktivität bzw. einer Neutralstellung der Schalteinrichtung 20 der Laserstrahl 4 ohne Ablenkung oder Verlagerung an den Spiegeln 26 vorbei direkt in den Absorber 22 läuft, beispielsweise unter zentraler Durchstrahlung des Optikelements 25, also entlang von dessen optische Achse.The beam paths or partial beams 8, 9, 10 can strike various deflecting elements, such as mirrors 26, arranged offset according to the distances between the beam paths, in order to output or provide the corresponding different beam paths or partial beams 8, 9, 10 at the output side of the beam conditioning unit 7. The absorber 22 can also be provided here. This absorber can be arranged, for example, such that when the switching device 20 is inactive or in a neutral position, the laser beam 4 passes directly into the absorber 22 without deflection or displacement by the mirrors 26, for example, with central illumination of the optical element 25, i.e., along its optical axis.
In
Zur weiteren Veranschaulichung zeigt
Die einzelnen Teilstrahlen 8, 9, 10, 36 können durch entsprechende Steuerung der Einzelstrahlscanner 29 - gegebenenfalls in Kombination mit entsprechender Steuerung der Ablenkelemente 35 - insbesondere individuell, aber miteinander koordiniert bzw. aufeinander abgestimmt über das jeweils zu bearbeitende Werkstück 2 bzw. den Bearbeitungsbereich 38 geführt bzw. gescannt werden.The individual partial beams 8, 9, 10, 36 can be guided or scanned over the workpiece 2 or the processing area 38, in particular individually but in a coordinated manner, by appropriate control of the individual beam scanners 29 - if necessary in combination with appropriate control of the deflection elements 35.
Zur weiteren Veranschaulichung zeigt
In
Insgesamt zeigen die beschriebenen Beispiele wie ein Multistrahlscanner für mehrere Laserstrahlen realisiert und in einem entsprechenden Lasersystem zur Materialbearbeitung angewendet werden kann.Overall, the examples described show how a multi-beam scanner for multiple laser beams can be implemented and used in a corresponding laser system for material processing.
BEZUGSZEICHENLISTEREFERENCE MARK LIST
- 11
- LaserbearbeitungsanlageLaser processing system
- 22
- Werkstückworkpiece
- 33
- Laserquellelaser source
- 44
- Laserstrahllaser beam
- 55
- ZusatzlaserstrahlAdditional laser beam
- 66
- BearbeitungskopfProcessing head
- 77
- StrahlaufbereitungseinrichtungBeam processing unit
- 88
- erster Teilstrahlfirst partial beam
- 99
- zweiter Teilstrahlsecond partial beam
- 1010
- dritter Teilstrahlthird partial beam
- 1111
- AblenkeinrichtungDeflection device
- 1212
- AblenkungsbereichDistraction zone
- 1313
- FokussierungseinrichtungFocusing device
- 1414
- FokussierungselementFocusing element
- 1515
- ScanbereichScan area
- 1616
- SteuereinrichtungControl unit
- 1717
- Prozessorprocessor
- 1818
- DatenspeicherData storage
- 1919
- EingangEntrance
- 2020
- SchalteinrichtungSwitching device
- 2121
- PolarisatorPolarizer
- 2222
- Absorberabsorber
- 2323
- absorbierte Laserstrahlungabsorbed laser radiation
- 2424
- HalbwellenplatteHalf-wave plate
- 2525
- OptikelementOptical element
- 2626
- SpiegelMirror
- 2727
- StrahlkombinationseinrichtungBeam combination device
- 2828
- EingangsstrahlenbündelIncoming beam
- 2929
- EinzelstrahlscannerSingle-beam scanner
- 29a29a
- erster Scannerspiegelfirst scanner mirror
- 29b29b
- zweiter Scannerspiegelsecond scanner mirror
- 3030
- erster Strahlwegfirst beam path
- 3131
- ZwischenoptikIntermediate optics
- 3232
- FernfeldregionFar field region
- 3333
- zweiter Strahlwegsecond beam path
- 3434
- dritter Strahlwegthird beam path
- 3535
- Ablenkelementedistraction elements
- 3636
- vierter Teilstrahlfourth partial beam
- 3737
- vierter Strahlwegfourth beam path
- 3838
- BearbeitungsbereichProcessing area
- 3939
- BearbeitungsstelleProcessing point
- 4040
- DifferenzwinkelDifferent angle
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES CONTAINED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- US 6 462 306 B1 [0003]US 6 462 306 B1 [0003]
- EP 1 987 911 A1 [0004]EP 1 987 911 A1 [0004]
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| Publication number | Publication date |
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| WO2025229005A1 (en) | 2025-11-06 |
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