IT201800005899A1 - Equipment for laser welding of plastic materials and related procedure. - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE dell’invenzione dal titolo: DESCRIPTION of the invention entitled:
"Apparecchiatura per saldatura laser di materiali plastici e relativo procedimento" "Equipment for laser welding of plastic materials and related procedure"
DESCRIZIONE DESCRIPTION
La presente invenzione riguarda in generale un’apparecchiatura per la saldatura laser di materiali plastici e un relativo procedimento di saldatura laser. The present invention generally relates to an apparatus for laser welding of plastic materials and a related laser welding process.
Settore tecnico Technical field
Le possibili applicazioni della presente invenzione comprendono, ma non sono limitate a, saldatura, taglio, incisione di materiali plastici, in particolare polimeri. Più in particolare, l’invenzione si presta ad essere applicata anche alla saldatura TTIr, ovvero la saldatura tramite attraversamento di infrarossi (“Through-Trasmission Infrared welding”) di due componenti plastici, dei quali uno trasparente, e verrà qui dettagliata facendo riferimento a questo particolare caso di applicazione, il quale è dato puramente a titolo di esempio e non è da intendersi in nessun modo come limitativo dell’ambito di applicazione della presente invenzione. Ad esempio, una tale tecnica produttiva è utilizzata nella realizzazione di gruppi ottici per automobili. Possible applications of the present invention include, but are not limited to, welding, cutting, etching of plastic materials, in particular polymers. More specifically, the invention lends itself to being applied also to TTIr welding, that is the welding by means of infrared crossing ("Through-Transmission Infrared welding") of two plastic components, one of which is transparent, and will be detailed here with reference to this particular application case, which is given purely by way of example and is not to be understood in any way as limiting the scope of application of the present invention. For example, such a production technique is used in the production of optical groups for automobiles.
Tecnica nota Known technique
Sono note apparecchiature di saldatura laser dotate di un numero n di sorgenti di luce laser che emettono un rispettivo numero di fasci di luce laser. Una pluralità di fibre ottiche riceve tali fasci di luce laser e li conduce lungo una linea, detta profilo di saldatura, definita su due corpi da saldare. Prima di raggiungere il profilo da saldare, il fascio di luce laser viene fatto passare tramite una guida luce riflettente e rastremata in maniera convergente in modo tale da concentrare il fascio di luce laser, e renderlo il più omogeneo possibile. Laser welding apparatuses are known which are provided with a number n of laser light sources which emit a respective number of laser light beams. A plurality of optical fibers receives these laser light beams and conducts them along a line, called welding profile, defined on two bodies to be welded. Before reaching the profile to be welded, the laser light beam is passed through a reflecting and tapered light guide in a convergent manner in such a way as to concentrate the laser light beam, and make it as homogeneous as possible.
Sintesi dell’invenzione Summary of the invention
Obiettivo della presente invenzione è di realizzare un’apparecchiatura per saldatura laser del tipo precedentemente descritto che permetta di ridurre le spese di installazione, manutenzione ed utilizzo della stessa e del procedimento di saldatura laser ad essa relativo. Objective of the present invention is to realize a laser welding equipment of the type described above which allows to reduce the costs of installation, maintenance and use of the same and of the related laser welding process.
Questo e altri scopi sono pienamente raggiunti secondo la presente invenzione grazie ad una apparecchiatura per saldatura laser avente le caratteristiche definite nell'annessa rivendicazione indipendente 1 e ad un procedimento di saldatura laser avente le caratteristiche definite nell’annessa rivendicazione indipendente 13. This and other purposes are fully achieved according to the present invention thanks to a laser welding equipment having the characteristics defined in the attached independent claim 1 and to a laser welding process having the characteristics defined in the attached independent claim 13.
Forme di realizzazione vantaggiose dell’invenzione sono specificate nelle rivendicazioni dipendenti, il cui contenuto è da intendersi come parte integrale e integrante della descrizione che segue. Advantageous embodiments of the invention are specified in the dependent claims, the content of which is to be understood as an integral and integral part of the following description.
In sintesi, l’invenzione si fonda sull'idea di realizzare una apparecchiatura per saldatura laser di materiali plastici, comprendente almeno una sorgente di luce laser atta ad emettere un fascio di luce laser, una pluralità di fibre ottiche stazionarie aventi ciascuna una estremità di ingresso e una estremità di uscita, in cui le estremità di ingresso sono atte a ricevere il fascio di luce laser e le estremità di uscita sono posizionate in modo da convogliare il fascio di luce laser verso uno o più corpi di materiale plastico da saldare, caratterizzato dal fatto di comprendere inoltre un sistema di orientamento selettivo del fascio di luce laser, interposto tra la sorgente di luce laser e la pluralità di fibre ottiche stazionarie, atto a inviare sequenzialmente il fascio di luce laser proveniente dalla sorgente di luce laser su estremità di ingresso delle fibre ottiche stazionarie. Secondo un altro aspetto, l’invenzione propone un procedimento di saldatura laser come definito nella rivendicazione 11. In summary, the invention is based on the idea of realizing an apparatus for laser welding of plastic materials, comprising at least one laser light source capable of emitting a laser light beam, a plurality of stationary optical fibers each having an input end and an output end, in which the input ends are adapted to receive the laser light beam and the output ends are positioned so as to convey the laser light beam towards one or more bodies of plastic material to be welded, characterized by furthermore comprising a selective orientation system of the laser light beam, interposed between the laser light source and the plurality of stationary optical fibers, able to sequentially send the laser light beam coming from the laser light source onto the input ends of the stationary optical fibers. According to another aspect, the invention proposes a laser welding process as defined in claim 11.
Il sistema di orientamento selettivo può comprendere un supporto mobile, ad esempio rotante, o traslante o oscillante, che incorpora una o più fibre ottiche di selezione. In alternativa, il sistema di orientamento selettivo può comprendere un sistema riflettente, con specchi comandati in modo rotante o traslante. The selective orientation system can comprise a mobile support, for example rotating, or translating or oscillating, which incorporates one or more selection optical fibers. Alternatively, the selective orientation system can comprise a reflecting system, with mirrors controlled in a rotating or translating manner.
Grazie ad una tale architettura del dispositivo di orientamento selettivo, si possono ridurre le spese di installazione, manutenzione ed utilizzo di una apparecchiatura per saldatura laser del tipo precedentemente descritto e del procedimento di saldatura laser ad essa relativo. Thanks to such an architecture of the selective orientation device, it is possible to reduce the costs of installation, maintenance and use of a laser welding apparatus of the type described above and of the laser welding process related thereto.
Breve descrizione dei disegni Brief description of the drawings
Ulteriori caratteristiche e vantaggi della presente invenzione risulteranno più chiaramente dalla descrizione dettagliata che segue, data a puro titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, in cui: Further characteristics and advantages of the present invention will become clearer from the following detailed description, given purely by way of non-limiting example, with reference to the attached drawings, in which:
la figura 1 è uno schema bidimensionale di una apparecchiatura per saldatura laser secondo una forma di realizzazione della presente invenzione; Figure 1 is a two-dimensional diagram of a laser welding apparatus according to an embodiment of the present invention;
la figura 2 è una vista prospettica esplosa della apparecchiatura per saldatura laser di figura 1; la figura 3 è uno schema bidimensionale di una apparecchiatura per saldatura laser secondo una ulteriore forma di realizzazione della presente invenzione; Figure 2 is an exploded perspective view of the laser welding apparatus of Figure 1; figure 3 is a two-dimensional diagram of a laser welding apparatus according to a further embodiment of the present invention;
la figura 4 è una vista prospettica esplosa della apparecchiatura per saldatura laser di figura 3; la figura 5 è uno schema bidimensionale di una apparecchiatura per saldatura laser secondo un’altra forma di realizzazione della presente invenzione; e le figure 6 e 7 sono rispettivamente uno schema bidimensionale e una vista prospettica di una apparecchiatura per saldatura laser secondo una forma di realizzazione ancora diversa della presente invenzione. Figure 4 is an exploded perspective view of the laser welding apparatus of Figure 3; Figure 5 is a two-dimensional diagram of a laser welding equipment according to another embodiment of the present invention; and Figures 6 and 7 are respectively a two-dimensional diagram and a perspective view of a laser welding apparatus according to a still different embodiment of the present invention.
Descrizione dettagliata Detailed description
Con riferimento inizialmente alle figure 1 e 2, una apparecchiatura per saldatura laser 10 secondo una forma di attuazione della presente invenzione può comprendere almeno una sorgente di luce laser 12, almeno un primo dispositivo ottico di focalizzazione 14, un sistema di orientamento selettivo 16 del fascio di luce laser, un secondo dispositivo ottico di focalizzazione 18 (opzionale), e una pluralità di fibre ottiche stazionarie 20 disposte tra il sistema di orientamento selettivo 16 ed un elemento guidaluce 24. With reference initially to Figures 1 and 2, a laser welding apparatus 10 according to an embodiment of the present invention can comprise at least one laser light source 12, at least one first optical focusing device 14, a selective beam orientation system 16 of laser light, a second optical focusing device 18 (optional), and a plurality of stationary optical fibers 20 arranged between the selective orientation system 16 and a light guide element 24.
La sorgente di luce laser 12 comprende un dispositivo atto a generare un fascio di radiazione luminosa coerente, ovvero un fascio di luce laser B, tramite un sistema di generazione di luce laser a diodo, noto di per sé (non mostrato). In particolare, la specifica modalità di generazione del fascio di luce laser non è limitante ai fini dell’implementazione della presente invenzione. The laser light source 12 comprises a device suitable for generating a beam of coherent light radiation, that is a beam of laser light B, by means of a diode laser light generation system, known per se (not shown). In particular, the specific mode of generation of the laser light beam is not limiting for the purposes of the implementation of the present invention.
In una forma di realizzazione, la sorgente di luce laser 12 può essere utilizzata in maniera continua. Secondo una forma di attuazione alternativa, la sorgente di luce laser 12 può essere spenta e riaccesa in maniera impulsata o secondo tempi di spegnimento e accensione predeterminati o programmabili, oppure modulata secondo una legge predeterminata o programmabile. In one embodiment, the laser light source 12 can be used continuously. According to an alternative embodiment, the laser light source 12 can be switched off and on again in a pulsed manner or according to predetermined or programmable switch-off and switch-on times, or modulated according to a predetermined or programmable law.
Il primo dispositivo ottico di focalizzazione 14 comprende almeno una lente o un sistema di lenti (non mostrata in dettaglio e di per sé nota), per permettere la focalizzazione del fascio di luce laser B, in arrivo dalla sorgente di luce laser 12, su uno specifico punto d’ingresso IP appartenente ad una superficie del sistema di orientamento selettivo 16. The first optical focusing device 14 comprises at least one lens or a system of lenses (not shown in detail and per se known), to allow focusing of the laser light beam B, arriving from the laser light source 12, on one specific IP entry point belonging to a surface of the selective orientation system 16.
Il sistema di orientamento selettivo 16 è un sistema a componenti miste ottiche-meccaniche, capace di ricevere un fascio di luce laser B da almeno un punto d’ingresso IP su una sua superficie e dirigerlo con precisione su almeno un punto obiettivo DP di ingresso delle fibre ottiche stazionarie 20. The selective orientation system 16 is a system with mixed optical-mechanical components, capable of receiving a beam of laser light B from at least one IP entry point on one of its surfaces and directing it precisely on at least one target DP entry point of the stationary optical fibers 20.
In particolare, il sistema di orientamento selettivo 16 può includere un sistema di riflessione, quale un sistema di specchi, o un meccanismo mobile, oscillante, rotante o traslante, quali ad esempio un tamburo rotante o un sistema di specchi a inclinazione variabile, o ancora un sistema di trasmissione ottica, quale ad esempio una o più fibre ottiche. In particular, the selective orientation system 16 can include a reflection system, such as a mirror system, or a movable, oscillating, rotating or translating mechanism, such as for example a rotating drum or a system of mirrors with variable inclination, or even an optical transmission system, such as for example one or more optical fibers.
Nell’esempio illustrato nella figura 1, il sistema di orientamento selettivo 16 riceve da un punto d’ingresso IP il fascio di luce laser B generato dalla sorgente di luce laser 12 e in uscita dal primo dispositivo ottico di focalizzazione 14 e lo invia su un punto obiettivo DP appartenente ad una superficie 22 che raccorda le estremità di ingresso delle fibre ottiche stazionarie 20. In the example illustrated in Figure 1, the selective orientation system 16 receives from an input point IP the laser light beam B generated by the laser light source 12 and exits from the first optical focusing device 14 and sends it to a objective point DP belonging to a surface 22 which connects the input ends of the stationary optical fibers 20.
Il secondo dispositivo ottico di focalizzazione 18, opzionale, può comprendere almeno una lente o un sistema di lenti (non mostrata in dettaglio e di per sé nota), per focalizzare il fascio di luce laser B, in arrivo dal sistema di orientamento selettivo 16 di luce laser 12, sul punto obiettivo DP all’ingresso delle fibre ottiche stazionarie 20. The second optical focusing device 18, optional, can comprise at least one lens or a system of lenses (not shown in detail and per se known), to focus the beam of laser light B, arriving from the selective orientation system 16 of laser light 12, on the target point DP at the inlet of the stationary optical fibers 20.
Secondo una forma di attuazione alternativa a quella illustrata nella figura 1, il dispositivo ottico di focalizzazione 18 può essere omesso. Secondo tale variante, il fascio di luce laser in uscita dal sistema di orientamento selettivo 16 si propaga verso almeno un punto obiettivo appartenente ad una superficie 22 che raccorda le estremità di ingresso delle fibre ottiche stazionarie 20, ed entra nelle fibre ottiche stazionarie 20 senza alcun ausilio di ulteriori elementi ottici. According to an alternative embodiment to that illustrated in Figure 1, the optical focusing device 18 can be omitted. According to this variant, the laser light beam leaving the selective orientation system 16 propagates towards at least one target point belonging to a surface 22 which connects the input ends of the stationary optical fibers 20, and enters the stationary optical fibers 20 without any use of additional optical elements.
In una prima forma di realizzazione, il sistema di orientamento selettivo 16 può comprendere un supporto mobile 26 avente una prima base o lato 26a ed una seconda base o lato 26b, opposte. Il sistema di orientamento selettivo 16 comprende almeno una fibra ottica di selezione 20a, avente una rispettiva estremità di ingresso IE1 posizionata sulla prima base 26a del supporto mobile 26 in modo da ricevere il fascio di luce laser B in uscita dal primo dispositivo ottico di focalizzazione 14, ed una rispettiva estremità di uscita OE1 posizionata sulla seconda di base 26b del supporto mobile 26. Il movimento del supporto mobile 26 può essere controllato in modo tale che l’estremità di uscita OE1 della fibra ottica di selezione 20a si allinea sequenzialmente con ciascuna delle rispettive estremità di ingresso IE della pluralità di fibre ottiche stazionarie 20. In questa maniera, il movimento del supporto mobile 26 permette di variare a piacere la posizione del punto obiettivo DP, orientando il fascio di luce laser B, in modo da illuminare sequenzialmente la pluralità di fibre ottiche stazionarie 20 tramite le loro rispettive estremità di ingresso IE. In a first embodiment, the selective orientation system 16 can comprise a movable support 26 having a first base or side 26a and a second base or side 26b, opposite. The selective orientation system 16 comprises at least one selection optical fiber 20a, having a respective input end IE1 positioned on the first base 26a of the mobile support 26 so as to receive the laser light beam B exiting from the first optical focusing device 14 , and a respective output end OE1 positioned on the second base 26b of the mobile support 26. The movement of the mobile support 26 can be controlled in such a way that the output end OE1 of the selection optical fiber 20a sequentially aligns with each of the respective input ends IE of the plurality of stationary optical fibers 20. In this way, the movement of the mobile support 26 allows the position of the target point DP to be varied at will, orienting the laser light beam B, so as to sequentially illuminate the plurality of stationary optical fibers 20 through their respective input ends IE.
In particolare, come mostrato in figura 2, il supporto mobile 26 può essere montato in maniera tale da ruotare attorno ad un suo asse z1, e la fibra ottica di selezione 20a può essere montata in modo che la sua estremità di ingresso IE1 giaccia sull’asse di rotazione z1, in questo esempio al centro della prima base 26a del supporto mobile 26, e la sua estremità di uscita OE1 giaccia in posizione decentrata rispetto all’asse z1 sulla seconda base 26b del supporto mobile 26. In questo modo, durante la rotazione del supporto mobile 26, l’estremità di uscita OE1 della fibra ottica di selezione 20a si allinea sequenzialmente con ciascuna delle rispettive estremità di ingresso IE della pluralità di fibre ottiche stazionarie 20. In particular, as shown in Figure 2, the movable support 26 can be mounted in such a way as to rotate around its axis z1, and the selection optical fiber 20a can be mounted so that its input end IE1 lies on the axis of rotation z1, in this example at the center of the first base 26a of the mobile support 26, and its outlet end OE1 lies in an off-center position with respect to the axis z1 on the second base 26b of the mobile support 26. In this way, during the rotation of the movable support 26, the output end OE1 of the selection optical fiber 20a sequentially aligns with each of the respective input ends IE of the plurality of stationary optical fibers 20.
In una ulteriore forma di realizzazione (non illustrata), il dispositivo di orientamento selettivo 16 può comprendere più di una fibra ottica di selezione 20a, ad esempio due fibre ottiche di selezione 20a. In tali ulteriori forme di realizzazione, le estremità di ingresso IE1 di ciascuna fibra ottica di selezione 20a sono posizionate sulla prima superficie di base 26a del supporto mobile 26 e ricevono un fascio di luce laser B da una rispettiva sorgente di luce laser 12, e le estremità di uscita OE1 di ciascuna fibra ottica di selezione 20a possono essere posizionate sulla seconda superficie di base 26b del supporto mobile 26 in maniera tale da essere angolarmente equi-spaziate su una stessa circonferenza centrata sull’asse longitudinale z1 del supporto mobile 26. In alternativa, le estremità di uscita OE1 delle due o più fibre ottiche di selezione 20a possono essere disposte a distanze radiali differenziate dall’asse longitudinale z1. In a further embodiment (not shown), the selective orientation device 16 can comprise more than one selection optical fiber 20a, for example two selection optical fibers 20a. In such further embodiments, the input ends IE1 of each selection optical fiber 20a are positioned on the first base surface 26a of the mobile support 26 and receive a laser light beam B from a respective laser light source 12, and the output ends OE1 of each selection optical fiber 20a can be positioned on the second base surface 26b of the mobile support 26 in such a way as to be angularly equidistant on the same circumference centered on the longitudinal axis z1 of the mobile support 26. Alternatively , the output ends OE1 of the two or more selection optical fibers 20a can be arranged at different radial distances from the longitudinal axis z1.
In una ulteriore forma di realizzazione, il dispositivo di orientamento selettivo 16 può oscillare lungo un piano o traslare lungo una linea, o compiere un moto combinato tra i precedenti, in funzione della distribuzione spaziale delle estremità di ingresso delle fibre ottiche stazionarie 20. In a further embodiment, the selective orientation device 16 can oscillate along a plane or translate along a line, or perform a combined motion between the previous ones, as a function of the spatial distribution of the input ends of the stationary optical fibers 20.
Nell’esempio delle figure 1 e 2, nelle quali il dispositivo di orientamento selettivo 16 compie una rotazione attorno all’asse z1, il fascio di luce laser B in uscita dalla estremità OE1 delle una o più fibre ottiche di selezione 20a descrive un cilindro o un cono, a seconda dell’orientamento dei tratti di uscita OE1, per cui le estremità di ingresso delle fibre ottiche stazionarie 20 sono disposte secondo una configurazione circolare. In the example of Figures 1 and 2, in which the selective orientation device 16 performs a rotation around the axis z1, the beam of laser light B exiting from the end OE1 of the one or more selection optical fibers 20a describes a cylinder or a cone, depending on the orientation of the output portions OE1, whereby the input ends of the stationary optical fibers 20 are arranged in a circular configuration.
Secondo un’altra forma di realizzazione (non illustrata), le estremità di ingresso delle fibre ottiche stazionarie 20 possono essere disposte secondo una configurazione lineare, e conseguentemente il movimento del dispositivo di orientamento selettivo 16 è controllato in modo oscillante o traslante per portare la posizione del punto obiettivo DP del fascio di luce laser B ad incidere sulle estremità di ingresso IE delle fibre ottiche stazionarie 20 secondo una sequenza predeterminata. According to another embodiment (not shown), the input ends of the stationary optical fibers 20 can be arranged according to a linear configuration, and consequently the movement of the selective orientation device 16 is controlled in an oscillating or translating way to bring the position of the target point DP of the laser light beam B to strike the input ends IE of the stationary optical fibers 20 according to a predetermined sequence.
In un’altra forma di realizzazione, il sistema di orientamento selettivo 16 può comprendere un sistema a specchi rotante 16. In another embodiment, the selective orientation system 16 may comprise a rotating mirror system 16.
Il sistema a specchi rotante 16, secondo una forma di realizzazione mostrata nelle figure 3 e 4, comprende un supporto orientabile 28, avente una pluralità di superfici laterali di supporto 30. Sulle superfici laterali di supporto 30 è posta almeno una superficie riflettente 32. Il supporto orientabile 28 può ruotare attorno ad un suo asse longitudinale z2. In questo modo, durante la rotazione del supporto 28, cambia l’angolo di con cui il fascio di luce laser B incide sulla superficie riflettente 32. Conseguentemente, il fascio laser riflesso dalla superficie riflettente 32 colpisce le estremità di ingresso IE della pluralità di fibre ottiche stazionarie 20 in maniera sequenziale. The rotating mirror system 16, according to an embodiment shown in Figures 3 and 4, comprises an orientable support 28, having a plurality of lateral support surfaces 30. At least one reflecting surface 32 is placed on the lateral support surfaces 30. orientable support 28 can rotate around its longitudinal axis z2. In this way, during the rotation of the support 28, the angle at which the laser light beam B hits the reflecting surface 32 changes. Consequently, the laser beam reflected from the reflecting surface 32 hits the input ends IE of the plurality of fibers stationary optics 20 in a sequential manner.
Il supporto orientabile 28 può presentare una sola superficie riflettente 32 ed essere movimentato in modo controllato e coordinato con l’emissione del fascio di luce laser B dalla sorgente 12 per illuminare le estremità di ingresso delle fibre ottiche stazionarie secondo una sequenza predeterminata o programmabile. The adjustable support 28 can have a single reflective surface 32 and be moved in a controlled and coordinated manner with the emission of the laser light beam B from the source 12 to illuminate the input ends of the stationary optical fibers according to a predetermined or programmable sequence.
Nella particolare forma di attuazione illustrata nelle figure 3 e 4, il supporto orientabile 28 può avere una forma di prisma retto a base poligonale, con superfici laterali di supporto 30 provviste ciascuna di una superficie riflettente 32 parallela all’asse longitudinale z2. Alternativamente, il supporto orientabile 28 può avere una forma di tronco di piramide a base poligonale, in modo che le superfici laterali di supporto 30 non siano parallele all’asse longitudinale z2. In the particular embodiment illustrated in figures 3 and 4, the orientable support 28 may have the shape of a right prism with a polygonal base, with lateral support surfaces 30 each provided with a reflecting surface 32 parallel to the longitudinal axis z2. Alternatively, the adjustable support 28 can have the shape of a truncated pyramid with a polygonal base, so that the lateral support surfaces 30 are not parallel to the longitudinal axis z2.
In una ulteriore forma di realizzazione (illustrata nella figura 5), il dispositivo di orientamento selettivo 16 può comprendere un blocco rotante dotato di due superfici riflettenti otticamente affacciate, le quali comprendono una superficie riflettente piana 17a ed una superficie riflettente a profilo parabolico 17b. Il blocco rotante permette di indirizzare sequenzialmente il fascio laser all’interno delle fibre ottiche stazionarie. La superficie riflettente a profilo parabolico 17b permette di focalizzare il fascio laser all’interno delle fibre ottiche stazionarie, ottenendo una buona efficienza di accoppiamento. Può essere prevista una fibra ottica 19 per convogliare e guidare la radiazione LASER B verso il dispositivo di orientamento selettivo 16. In a further embodiment (illustrated in Figure 5), the selective orientation device 16 can comprise a rotating block provided with two optically facing reflecting surfaces, which comprise a flat reflecting surface 17a and a reflecting surface with a parabolic profile 17b. The rotating block allows you to sequentially direct the laser beam inside the stationary optical fibers. The reflecting surface with parabolic profile 17b allows to focus the laser beam inside the stationary optical fibers, obtaining a good coupling efficiency. An optical fiber 19 can be provided to convey and guide the LASER B radiation towards the selective orientation device 16.
In una ulteriore forma di realizzazione (illustrata nelle figure 6 e 7), il dispositivo di orientamento selettivo 16 può comprendere una testa galvanometrica 34, capace di deflettere il fascio di luce laser B su due direzioni, e di scansionare le estremità di ingresso IE della pluralità di fibre ottiche stazionarie 20 volute. Le teste galvanometriche e le loro modalità di funzionamento sono note nella tecnica e pertanto non verranno qui descritte in dettaglio. In particolare, la testa galvanometrica 34 può indirizzare sequenzialmente il fascio di luce laser B su diverse estremità di ingresso IE delle fibre ottiche stazionarie 20, seguendo uno schema predeterminato, ad esempio programmato. In a further embodiment (illustrated in Figures 6 and 7), the selective orientation device 16 can comprise a galvanometric head 34, capable of deflecting the laser light beam B in two directions, and of scanning the input ends IE of the plurality of stationary optical fibers 20 desired. Galvanometric heads and their operating modes are known in the art and therefore will not be described in detail here. In particular, the galvanometric head 34 can sequentially direct the laser light beam B on different input ends IE of the stationary optical fibers 20, following a predetermined pattern, for example programmed.
Le fibre ottiche stazionarie 20 possono avere le rispettive estremità di ingresso IE vincolate ad una superficie di raccordo 22, mentre le rispettive estremità di uscita OE possono essere vincolate ad un elemento guidaluce 24. In particolare, il perimetro descritto dalle estremità di ingresso IE delle fibre ottiche stazionarie 20 sulla superficie di raccordo 22 può essere predefinito in maniera concorde col sistema di orientamento selettivo 16. Infatti, le estremità di ingresso IE delle fibre ottiche stazionarie 20 possono essere disposte, ad esempio, in cerchio, lungo un poligono, lungo una curva, lungo una retta o in forma di matrice. The stationary optical fibers 20 can have their respective input ends IE constrained to a connecting surface 22, while the respective output ends OE can be constrained to a light guide element 24. In particular, the perimeter described by the input ends IE of the fibers stationary optics 20 on the connecting surface 22 can be predefined in a manner concordant with the selective orientation system 16. In fact, the input ends IE of the stationary optical fibers 20 can be arranged, for example, in a circle, along a polygon, along a curve , along a straight line or in the form of a matrix.
L’elemento guidaluce 24, di per sé noto, può comprendere un blocco metallico che forma una trincea 36 passante con pareti riflettenti e affacciate. La trincea 36 può estendersi lungo un profilo da saldare, ed è di forma tale da concentrare il fascio di luce laser B in uscita dalle estremità di uscita OE della pluralità di fibre ottiche stazionarie 20 lungo il perimetro del profilo da saldare. The light guide element 24, per se known, can comprise a metal block that forms a trench 36 passing through with reflecting and facing walls. The trench 36 can extend along a profile to be welded, and is of such shape as to concentrate the laser light beam B exiting from the output ends OE of the plurality of stationary optical fibers 20 along the perimeter of the profile to be welded.
Analogamente al perimetro descritto dalle estremità di ingresso IE delle fibre ottiche stazionarie 20, il perimetro descritto dalle estremità di uscita OE delle fibre ottiche stazionarie 20 sull’elemento guidaluce 24 segue la forma della trincea 36. Similarly to the perimeter described by the input ends IE of the stationary optical fibers 20, the perimeter described by the output ends OE of the stationary optical fibers 20 on the light guide element 24 follows the shape of the trench 36.
In ulteriori forme di realizzazione, il numero di componenti dell’apparecchiatura per saldatura laser secondo la presente invenzione può variare. In particolare, è possibile utilizzare una pluralità di sorgenti di luce laser 12 variamente dislocate, nonostante la presente invenzione permetta vantaggiosamente di ridurre il numero di sorgenti laser ad un minimo. Analogamente, si possono predisporre una pluralità di primi dispositivi ottici di focalizzazione 14 ed opzionalmente secondi dispositivi ottici di focalizzazione 18, di fibre ottiche stazionarie 20 e di fibre ottiche di selezione 20a, di sistemi di orientamento selettivo 16 e di elementi guidaluce 24. In further embodiments, the number of components of the laser welding equipment according to the present invention can vary. In particular, it is possible to use a plurality of variously displaced laser light sources 12, although the present invention advantageously allows to reduce the number of laser sources to a minimum. Similarly, a plurality of first optical focusing devices 14 and optionally second optical focusing devices 18, stationary optical fibers 20 and selection optical fibers 20a, selective orientation systems 16 and light guide elements 24 can be provided.
Sarà ora descritto il funzionamento di una forma di realizzazione della presente invenzione, per come illustrata nelle figure 1 e 2. The operation of an embodiment of the present invention will now be described, as illustrated in Figures 1 and 2.
Un fascio di luce laser B viene generato dalla sorgente di luce laser 12 ed inviato, previa focalizzazione tramite il primo dispositivo ottico di focalizzazione 14, al punto di ingresso IP sulla prima superficie 26a del supporto mobile 26. In questo punto è localizzata l’estremità di ingresso IE1 della fibra ottica di selezione 20a. Il fascio di luce laser B si propaga nella fibra ottica di selezione 20a dalla sua estremità di ingresso IE1, e viene condotto fino all’estremità di uscita OE1. Contestualmente, il supporto mobile 26 ruota intorno al proprio asse z1. In questo modo, l’estremità di uscita OE1 viene sequenzialmente allineata di volta in volta con ciascuna delle estremità di ingresso IE della rispettiva pluralità di fibre ottiche stazionarie 20. Di conseguenza, il fascio di luce laser B colpisce di volta in volta ciascuna delle rispettive estremità di ingresso IE. Di qui in poi, il fascio di luce laser B viene trasportato dalla fibra ottica stazionaria 20 selettivamente colpita fino alla sua rispettiva estremità di uscita OE. Il fascio di luce laser B entra quindi nella trincea 36 dell’elemento guidaluce 24, e viene concentrato di volta in volta su una zona ristretta del profilo da saldare, in modo tale da scaldare localmente il materiale plastico e saldarlo. La larghezza della zona di focalizzazione è variabile in dipendenza di caratteristiche ottiche del fascio e della guidaluce o trincea 36. A beam of laser light B is generated by the laser light source 12 and sent, after focusing through the first optical focusing device 14, to the entry point IP on the first surface 26a of the mobile support 26. In this point the end is located. input IE1 of the selection optical fiber 20a. The beam of laser light B propagates in the selection optical fiber 20a from its input end IE1, and is conducted up to the output end OE1. At the same time, the movable support 26 rotates around its axis z1. In this way, the output end OE1 is sequentially aligned from time to time with each of the input ends IE of the respective plurality of stationary optical fibers 20. Consequently, the laser light beam B hits each of the respective IE input end. From here on, the laser light beam B is transported by the selectively struck stationary optical fiber 20 to its respective output end OE. The beam of laser light B then enters the trench 36 of the light guide element 24, and is concentrated each time on a restricted area of the profile to be welded, in such a way as to locally heat the plastic material and weld it. The width of the focusing zone is variable depending on the optical characteristics of the beam and of the light guide or trench 36.
Di seguito viene, invece, descritto il funzionamento di una ulteriore forma di realizzazione della presente invenzione, per come illustrata nelle figure 3 e 4. Instead, the operation of a further embodiment of the present invention is described below, as illustrated in Figures 3 and 4.
Un fascio di luce laser B viene generato dalla sorgente di luce laser 12 ed inviato, previa focalizzazione tramite il primo dispositivo ottico di focalizzazione 14, al punto di ingresso IP su una superficie laterale 30 del supporto orientabile 28. Su questa superficie è posta una superficie riflettente 32, che riflette il fascio di luce laser B, in funzione dell’angolo di incidenza dello stesso sulla superficie riflettente 32. Il fascio di luce laser B, una volta riflesso dalla superficie riflettente 32, viene dunque focalizzato dal secondo dispositivo ottico di focalizzazione 18. Contestualmente, il supporto orientabile 28 ruota intorno al proprio asse longitudinale z2. In questo modo, il fascio di luce laser B incide sulla superficie riflettente 32 con un angolo di incidenza che varia, e viene conseguentemente riflesso verso un punto diverso. Dunque, il fascio di luce laser B colpisce sequenzialmente di volta in volta ciascuna delle estremità di ingresso IE della rispettiva pluralità di fibre ottiche stazionarie 20. Di qui in poi, il fascio di luce laser B viene trasportato dalla fibra ottica stazionaria 20 selettivamente colpita fino alla sua rispettiva estremità di uscita OE. Il fascio di luce laser B entra quindi nella trincea 36 dell’elemento guidaluce 24, e viene concentrato di volta in volta su una zona del profilo da saldare, in modo tale da scaldare localmente il materiale plastico e saldarlo. Il secondo sistema ottico di focalizzazione 18, opzionale per la forma di realizzazione illustrata nelle figure 1 e 2, è preferibilmente presente nella forma di realizzazione delle figure 3 e 4. A beam of laser light B is generated by the laser light source 12 and sent, after focusing through the first optical focusing device 14, to the entry point IP on a lateral surface 30 of the orientable support 28. A surface is placed on this surface reflector 32, which reflects the beam of laser light B, as a function of the angle of incidence of the same on the reflecting surface 32. The beam of laser light B, once reflected by the reflecting surface 32, is therefore focused by the second optical focusing device 18. At the same time, the orientable support 28 rotates around its longitudinal axis z2. In this way, the beam of laser light B hits the reflecting surface 32 with a varying angle of incidence, and is consequently reflected towards a different point. Thus, the laser light beam B hits sequentially each time each of the input ends IE of the respective plurality of stationary optical fibers 20. From here on, the laser light beam B is transported by the selectively struck stationary optical fiber 20 until at its respective OE outlet end. The beam of laser light B then enters the trench 36 of the light guide element 24, and is concentrated each time on an area of the profile to be welded, in such a way as to locally heat the plastic material and weld it. The second optical focusing system 18, optional for the embodiment illustrated in Figures 1 and 2, is preferably present in the embodiment of Figures 3 and 4.
In una forma di realizzazione, la sorgente di luce laser 12 può essere spenta quando il dispositivo di orientamento selettivo 16 è in una configurazione per cui nessun fascio di luce laser B può raggiungere la trincea 36, e può essere riaccesa quando il dispositivo di orientamento selettivo 16 è in una configurazione per cui almeno un fascio di luce laser B può raggiungere una delle fibre ottiche stazionarie 20. In particolare, la sorgente di luce laser 12 può essere spenta nel periodo di tempo in cui il dispositivo di orientamento selettivo 16 è in una configurazione per cui il fascio di luce laser B viene riflesso o convogliato in un punto che non è su una estremità di ingresso IE di una qualsiasi delle fibre ottiche stazionarie 20. In one embodiment, the laser light source 12 can be turned off when the selective orienting device 16 is in a configuration whereby no laser light beam B can reach the trench 36, and can be turned on again when the selective orienting device 16 is in a configuration whereby at least one laser light beam B can reach one of the stationary optical fibers 20. In particular, the laser light source 12 can be switched off in the time period in which the selective orientation device 16 is in a configuration whereby the laser light beam B is reflected or conveyed to a point which is not on an input end IE of any of the stationary optical fibers 20.
In una ulteriore forma di realizzazione, la potenza della sorgente di luce laser 12 è regolabile in intensità, tra un valore minimo ed un valore massimo, secondo una legge predeterminata o programmabile, in modo da poter ottenere una migliore resa energetica e regolare l’intensità della radiazione del fascio di luce laser B in funzione della richiesta dei materiali da saldare. In a further embodiment, the power of the laser light source 12 is adjustable in intensity, between a minimum value and a maximum value, according to a predetermined or programmable law, so as to be able to obtain a better energy yield and adjust the intensity. of the radiation of the laser light beam B as a function of the demand for the materials to be welded.
Una apparecchiatura per saldatura laser secondo la presente invenzione ed il procedimento di saldatura laser ad essa relativo presentano numerosi vantaggi rispetto alla tecnica nota precedente. Infatti, grazie all’utilizzo di un dispositivo di orientamento selettivo è possibile ridurre, fino ad un minimo di una, il numero delle sorgenti di luce laser, con conseguente risparmio tanto sul costo di installazione dell’apparecchiatura quanto sul costo di manutenzione della stessa. An apparatus for laser welding according to the present invention and the laser welding process relating thereto have numerous advantages with respect to the prior known art. In fact, thanks to the use of a selective orientation device, it is possible to reduce the number of laser light sources to a minimum of one, resulting in savings both on the cost of installing the equipment and on the cost of maintaining it.
Inoltre, il minor numero di sorgenti di luce laser porta ad una riduzione della richiesta di potenza elettrica per l’attuazione del procedimento, con conseguente risparmio sul costo di operazione dell’apparecchiatura. Furthermore, the lower number of laser light sources leads to a reduction in the demand for electrical power for the implementation of the procedure, with consequent savings on the cost of operating the equipment.
L’eventuale possibilità di regolare la potenza o addirittura di attivare solo in maniera impulsata la sorgente di luca laser concorre ad una ulteriore riduzione dei costi di operazione. The possible possibility of adjusting the power or even activating the laser light source only in a pulsed manner contributes to a further reduction in the operating costs.
Sono stati descritti diversi aspetti e forme di realizzazione dell’apparecchiatura e del procedimento di saldatura laser. Si intende che ciascuna forma di realizzazione può essere combinata con qualsiasi altra forma di realizzazione. Inoltre, fermo restando il principio dell’invenzione, le forme di attuazione e i particolari di realizzazione potranno essere ampiamente variati rispetto a quanto è stato descritto e illustrato a puro titolo di esempio non limitativo, senza per questo fuoriuscire dall'ambito dell’invenzione come definita nelle annesse rivendicazioni. Various aspects and embodiments of the laser welding equipment and process have been described. It is understood that each embodiment can be combined with any other embodiment. Furthermore, without prejudice to the principle of the invention, the embodiments and construction details may be widely varied with respect to what has been described and illustrated purely by way of non-limiting example, without thereby departing from the scope of the invention as defined. in the attached claims.
Claims (14)
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Applications Claiming Priority (1)
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| IT102018000005899A IT201800005899A1 (en) | 2018-05-31 | 2018-05-31 | Equipment for laser welding of plastic materials and related procedure. |
Publications (1)
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| IT102018000005899A IT201800005899A1 (en) | 2018-05-31 | 2018-05-31 | Equipment for laser welding of plastic materials and related procedure. |
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