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WO2014009150A1 - Anordnung zum erzeugen von bohrungen oder schweissnähten mittels eines laserstrahls und einer laserstrahlablenkvorrichtung mit zwei x-y- scannern - Google Patents

Anordnung zum erzeugen von bohrungen oder schweissnähten mittels eines laserstrahls und einer laserstrahlablenkvorrichtung mit zwei x-y- scannern Download PDF

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WO2014009150A1
WO2014009150A1 PCT/EP2013/063329 EP2013063329W WO2014009150A1 WO 2014009150 A1 WO2014009150 A1 WO 2014009150A1 EP 2013063329 W EP2013063329 W EP 2013063329W WO 2014009150 A1 WO2014009150 A1 WO 2014009150A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
unit
arrangement according
scanner
laser beam
laser
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2013/063329
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Markus Guggenmos
Martin Hartmann
Dmitry BADYOKOV
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Arges GmbH
Original Assignee
Arges GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Arges GmbH filed Critical Arges GmbH
Publication of WO2014009150A1 publication Critical patent/WO2014009150A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Definitions

  • the invention relates to an arrangement for producing bores or welds by means of a laser beam or a plurality of laser beams in a 2D and / or 3D topology according to claim 1.
  • Drilling, cutting or welding equipment in which holes or contours are cut or parts are cut out using bundled light energy in the form of a laser beam in a given sample are known.
  • Recent applications in the field of laser-based drilling and cutting devices require the simultaneous drilling of several holes. This applies both to two-dimensional (2D) machining pieces, such as flat sheets, and to three-dimensional (3D) machining pieces, such as curved car doors or aircraft parts such as turbine covers.
  • the distance between the drilling and cutting device and the machining piece may vary due to the shape of the machining piece or the arrangement of the part to be machined. If a maximum depth is to be observed for the holes to be produced, it is necessary at each machining time to know the distance between the drilling, cutting or welding device and the workpiece to be machined or the 2D or 3D topology.
  • This z. B. be made before the processing of the workpiece surface scans, the data of the scanning process can be stored in a database.
  • such a scanning or scanning process is associated with a long processing time, which greatly delays the entire processing process. Since the surface or arrangement of the parts to be machined can vary, it is necessary for this, upstream of the actual machining process, Scanning for each individual part to be machined so that the total processing time of a production line is unreasonably slowed down.
  • the object of the invention is achieved by an arrangement for producing holes or welds by means of a laser beam or multiple laser beams according to the combination of features according to claim 1, wherein the dependent claims represent at least expedient refinements and developments.
  • the arrangement according to the invention is based on at least one fiber laser source, a diagnostic unit and a laser beam deflecting device, wherein the laser beam deflecting device has two X / Y scanners.
  • X / Y scanner in the present case scanning heads or Laserstrahlablenkvorraumen be referred to with two mirrors, which allow a deflection of the laser beam and the laser beams in both the X and Y direction of a coordinate system.
  • the two X / Y scanners are connected in series, ie that one or more laser beam (s) first enter into a first X / Y scanner and are deflected therein in order to leave the first X / Y scanner within a second X / Y scanner to be redirected.
  • the two X / Y scanners shown are thus connected in series, the X / Y scanner, which serves as the first deflection device in chronological order, is referred to as the first X / Y scanner and the X / Y scanner, which the Laser beam or the multiplicity of laser beams following it deflects, as second X / Y scanner is called.
  • the series connection mentioned in this context does not exclude that between the two X / Y scanners still other components may be located.
  • the aperture of the first X / Y scanner is expediently smaller than the aperture of the second X / Y scanner.
  • the first X / Y scanner preferably has a relatively small aperture of 11-16 mm, whereas the second X / Y scanner has a larger aperture of at least 45-55 mm.
  • a negative lens is disposed between the first X / Y scanner and the second X / Y scanner. These lenses break laser beams away from the optical axis, so by preceding deflection of the laser beam or beams in the first X / Y scanner and subsequent deflection of the laser beam or beams in the second X / Y scanner, the laser beam or beams can be positioned uniformly in the X, Y and Z direction and at the same time the penetration depth of the laser beam into the part to be machined can be controlled.
  • the negative lens works in the present case as translator and serves the Nachposition réelle of the beam focus in the Z direction. After the negative lens, a beam expander is further provided. The negative lens or translator forms together with the Strahlaufweiter a telescope unit.
  • a collimator unit In front of the X / Y scanner are a collimator unit and / or at least one wedge prism.
  • the wedge prism which is also called wedge, a pendulum or spiral movement of the laser beam can be caused.
  • the disclosed device further comprises a coaxial autofocusing measurement unit, which coaxially emits a sensor beam through the second X / Y scanner onto the processing piece to detect the distance between the processing piece and the arrangement and, depending on the distance or the material thickness at the corresponding impact point of the sensor beam on the workpiece, the focus of the laser beam or the array of, for example, four or seven laser beams nachzuleit and control such that a desired hole depth is achieved or the material particularly gentle in the respective region of the processing piece to drill through.
  • the arrangement therefore has a special optics with infinite Rayleigh length.
  • the coaxial determination of the distance between the machining piece and the arrangement can be determined exactly at the machining point.
  • the coaxial determination of the distance takes place centrally with respect to all the laser beams. Subsequently, for example, in a drilling process, an orthogonal pattern having a predetermined hole diameter and a predetermined hole depth is introduced at the measured processing point or around the measured point.
  • the dynamic focus adjustment is performed by a compensation movement of the aforementioned negative lens.
  • the coaxial autofocus surveying unit is expediently integrated into the diagnostic device.
  • the coaxial autofocus surveying unit is, for example, an OCT unit or an OCT laser microscope, which performs optical coherence tomography.
  • the tomography is based on a temperature-insensitive interferometry principle, which, for example, can also be used on opaque surfaces and at the same time can show the structure of the material to be processed.
  • this imaging method is particularly advantageous in laser processing, since the light of the laser beam does not interfere with the imaging process. Also, a measurement within a welding point is possible. Furthermore, due to the 100 Hz - 200 kHz versions, an OCT laser microscope is characterized by particularly fast working times with regard to the measurement frequencies, so that the autofocusing process only takes a small amount of time with regard to the overall machining process. If, for example, carbon fiber materials are processed, with the aid of an OCT laser microscope egg ne high-resolution image of the workpiece to be machined or the already machined part are created.
  • the fast dynamic readjustment of the laser beam focus can also be done on the basis of other measuring methods for detecting the distance between the workpiece and the exit point of the laser beam or the laser beams from the second X / Y scanner.
  • This is z. B. by means of a time-of-flight measurement method or a triangulation method possible.
  • the arrangement may accordingly have a time-of-flight unit, ie a time-of-flight camera, or a triangulation unit.
  • the coaxial autofocusing surveying unit such.
  • the OCT laser microscope the time-of-flight camera or the triangulation unit, an autofocusing unit.
  • the fiber laser source may be an ultrashort pulse laser.
  • so-called femtolaser with a seeder are preferably used here.
  • the possible laser sources set out here are not an exhaustive list.
  • the diagnostic unit has a 3D projection unit with at least one camera.
  • the diagnostic unit has a plasma emission spectrometry unit.
  • a plasma emission spectrometry unit On the basis of such a unit z. B. be recognized whether in a workpiece to be machined, which consists of several materials, but only portions of the workpiece to be processed with a selected material, portions of the workpiece with other material not to be machined in the focus area of the laser beam or the laser beams are, so a drilling or welding process can be interrupted as quickly as possible at this processing point.
  • a turbine casing consists for example of a honeycomb structure made of aluminum, which are covered on both sides with a carbon fiber composite material, wherein holes are to be introduced into the carbon fiber composite material. However, it should be no replacement or Schica The aluminum structure comes so that a laser drilling process is interrupted when the laser beam hits aluminum. This can be detected by means of a plasma emission spectrometry unit.
  • the laser beam deflecting device ie both X / Y scanners, can be attached to a positioning unit. It may be z. B. act a robot arm.
  • the diagnostic unit and / or the fiber laser source are attached to the positioning unit together with the laser beam deflecting device, which, as already mentioned, is for example a robot arm.
  • the diagnostic device with a reference point tracking unit, which detects reference points of the workpiece to be machined and geometrically in relation to the determined position of the reference point, for example, the course of a weld or the position of holes influenced.
  • a reference point tracking unit or edge tracking unit monitors, for example, in a welding process in car doors, the outer edge of a car door to be applied
  • the first X / Y scanner may be replaced by a single baffle. All other individual components of the arrangement according to the invention are consistent in this embodiment. Also variations regarding the number of possible wedge prisms are possible.
  • the illustrated arrangement With the aid of the illustrated arrangement according to the invention it is possible in summary to operate a dynamic autofocusing and diagnostic process, which is not performed before or after the machining process but during the machining process, namely during the drilling of holes or the application of a weld.
  • the illustrated arrangement always determines the current distance of the arrangement according to the invention or of the second X / Y scanner for a short time before carrying out the next machining process to the machining point with simultaneous accuracy of 10 - 20 pm.
  • the negative lens is moved and the focus of the laser beam or the laser beams automatically adjusted.
  • FIG. 3 shows a third embodiment of the invention with two wedge prisms
  • Fig. 4 shows a fourth embodiment of the invention with a baffle plate
  • Fig. 5 shows a fifth embodiment of the invention with a baffle and two wedge prisms.
  • laser beams 2 initially emerge from a fiber bundle 1 in order to be guided through a collimation unit or collimation optics for the purpose of a parallel beam path.
  • a collimation unit or collimation optics for the purpose of a parallel beam path.
  • the collimator unit for example, four laser beams are guided in parallel.
  • the four laser beams are guided into the first X / Y scanner 4 or laser head. Due to this, according to the laser beam image, it is possible to guide the individual laser beams not only in a circle but for example along a teardrop-shaped contour.
  • a telescope unit 5 is arranged, wherein the telescope unit 5 consists of a translator or a negative lens 6 and a beam expander 7.
  • the negative lens 6 can be shifted as shown by arrows.
  • the diagnostic unit has, for example, a coaxial autofocusing unit, so that the distance between the arrangement and the workpiece 9 can be detected at any time during the laser processing process.
  • the coaxial autofocusing unit transmits a sensor beam to the workpiece 9 through the second X / Y scanner 8 to detect the distance between the workpiece and the assembly.
  • the focus of the laser beams is tracked and controlled so that a desired borehole depth is achieved.
  • the aperture of the first X / Y scanner 4 is smaller than the aperture of the second X / Y scanner 8, so that the first X / Y scanner 4 as a small-aperture X / Y scanner and the second X / Y scanner 8 may be referred to as a large-aperture X / Y scanner of the inventive arrangement.
  • a wedge prism 10 is additionally provided in addition to the components already shown in FIG.
  • the wedge prism is located between the collimator unit 3 and the first X / Y scanner.
  • the laser beams 2 are thus guided to the wedge prism or the wedge plate 10 after the collimator unit 3.
  • the wedge plate 10 can rotate, so that the laser beams 2 can be deflected accordingly.
  • a pendulum or helical movement of the laser beam can be caused.
  • the second wedge plate 11 can also be rotatable so that the movement paths of the laser beams 2 are widened or enlarged on a round contour.
  • the laser beams 2 emanating from a fiber bundle 1 are first guided to a collimator unit 3 and then guided parallel to a first wedge plate 10.
  • the laser beams, four laser beams in the present case are guided to a deflection plate 12, where they are in turn directed in the direction of a telescope unit 5.
  • the telescope unit 5 consists of a displaceable in an axis negative lens 6 and a beam-Avemweiter 7. Subsequently, the laser beams enter the large-aperture X / Y scanner 8, to then be deflected onto the workpiece 9, where they carry out the laser processing to be able to.
  • deflection plate 12 that after a first wedge plate 10, a second wedge plate 11, which in turn can be rotated, is arranged. This is thus arranged between the first wedge plate 10 and the baffle plate 12 and causes an expansion of the movement paths of the oscillating moving laser beams. It is again referred to the respective representations of the laser beam images at the respective time when passing various components in the inventive arrangement.
  • the deflector plate embodiments may also include a coaxial autofocus surveying unit, a diagnostic unit, etc. The attachments to a positioning unit is possible.

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Description

ANORDNUNG ZUM ERZEUGEN VON BOHRUNGEN ODER SCHWEISSNÄHTEN MITTELS EINES LASERSTRAHLS UND EINER LASERSTRAHLABLENKVORRICHTUNG
MIT ZWEI X-Y- SCANNERN
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Erzeugen von Bohrungen oder Schweißnähten mittels eines Laserstrahls oder mehrerer Laserstrahlen in einer 2D- und/oder 3D-Topologie gemäß Patentanspruch 1.
Bohr-, Schneid- oder Schweißeinrichtungen, bei denen unter Verwendung gebündelter Lichtenergie in Form eines Laserstrahls in eine vorgegebene Probe Löcher oder Konturen geschnitten oder Teile ausgeschnitten werden, sind bekannt. Neueste Anwendungsgebiete im Bereich von lasergestützten Bohr- und Schneideinrichtungen setzen ein gleichzeitiges Bohren mehrerer Bohrungen voraus. Dies gilt sowohl bei zweidimensionalen (2D) Bearbeitungsstücken, wie zum Beispiel flachen Blechen, als auch bei dreidimensionalen (3D) Bearbeitungsstücken, wie zum Beispiel gebogenen Autotüren oder Flugzeugteilen wie bspw. Turbinenabdeckungen.
Bei den zu bearbeitenden Teilen kann der Abstand zwischen der Bohr- und Schneideinrichtung und dem Bearbeitungsstück auf Grund der Form des Bearbeitungsstückes oder der Anordnung des zu bearbeitenden Teiles variieren. Sofern für die zu erzeugenden Bohrungen eine maximal aufzuweisende Tiefe einzuhaltenist, ist es notwendig zu jedem Bearbeitungszeitpunkt den Abstand zwischen der Bohr-, Schneid- oder Schweißeinrichtung und dem zu bearbeitenden Werkstück bzw. der 2D- oder 3D-Topologie zu kennen. Hierbei können z. B. vor der Bearbeitung des Werkstückes Flächenabtastungen vorgenommen werden, wobei die Daten des Abtastungsvorganges in einer Datenbank gespeichert werden können. Ein derartiger Abtast- bzw. Scanvorgang geht jedoch mit einer langen Bearbeitungszeit einher, welche den gesamten Bearbeitungsprozess stark verzögert. Da die Oberfläche bzw. Anordnung der zu bearbeitenden Teile variieren können, ist es notwendig diesen, dem eigentlichen Bearbeitungsvorgang vorgelagerten, Abtastvorgang für jedes einzelne zu bearbeitende Teil durchzuführen, sodass die Gesamtbearbeitungszeit einer Produktionslinie unzumutbar verlangsamt wird.
Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte Anordnung zum Erzeugen von Bohrungen oder Schweißnähten zur Verfügung zu stellen, wobei die Anordnung derart ausgebildet ist, dass der Abstand zwischen einer 2D- oder 3D-Topologie und der Bohr-, Schneid- oder Schweißeinrichtung schnellstmöglich erfasst werden kann und gleichzeitig optional mehrere Laserstrahlen zur Verfügung gestellt werden können.
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch eine Anordnung zum Erzeugen von Bohrungen oder Schweißnähten mittels eines Laserstrahls oder mehrerer Laserstrahlen gemäß der Merkmalskombination nach Patentanspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen darstellen.
Die erfindungsgemäße Anordnung geht von mindestens einer Faserlaserquelle, einer Diagnoseeinheit sowie einer Laserstrahlablenkvorrichtung aus, wobei die Laserstrahlablenkvorrichtung zwei X/Y-Scanner aufweist.
Als X/Y-Scanner werden im vorliegenden Fall Scanköpfe bzw. Laserstrahlablenkvorrichtungen mit zwei Spiegeln bezeichnet, welche eine Ablenkung des Laserstrahls bzw. der Laserstrahlen sowohl in X- als auch in Y-Richtung eines Koordinatensystems ermöglichen. Die beiden X/Y-Scanner sind in Reihe geschaltet, d. h. dass ein oder mehrere Laserstrahl(en) zunächst in einen ersten X/Y-Scanner eintreten und darin umgelenkt werden um nach dem Austritt aus dem ersten X/Y- Scanner innerhalb eines zweiten X/Y-Scanner umgelenkt zu werden. Die beiden aufgezeigten X/Y-Scanner sind also in Reihe geschaltet, wobei der X/Y-Scanner, welcher in zeitlicher Reihenfolge als erste Ablenkvorrichtung dient, als erster X/Y- Scanner bezeichnet wird und der X/Y-Scanner, welcher den Laserstrahl oder die Vielzahl von Laserstrahlen im Anschluss daran ablenkt, als zweiter X/Y-Scanner bezeichnet wird. Die in diesem Zusammenhang genannte Reihenschaltung schließt nicht aus, dass zwischen den beiden X/Y-Scannern noch weitere Bauteile befindlich sein können. Die Apertur des ersten X/Y-Scanners ist zweckmäßigerweise kleiner als die Apertur des zweiten X/Y-Scanners.
Der erste X/Y-Scanner weist vorzugsweise eine relativ kleine Apertur von 11 - 16 mm auf, wohingegen der zweite X/Y-Scanner eine größere Apertur von mindestens 45 - 55 mm aufweist.
Zwischen dem ersten X/Y-Scanner und dem zweiten X/Y-Scanner ist des Weiteren eine Negativlinse bzw. Zerstreuungslinse angeordnet. Diese Linsen brechen Laserstrahlen von der optischen Achse weg, sodass durch vorhergehende Ablenkung des Laserstrahls bzw. der Laserstrahlen im ersten X/Y-Scanner und nachfolgende Ablenkung des Laserstrahls bzw. der Laserstrahlen im zweiten X/Y-Scanner, der Laserstrahl bzw. die Laserstrahlen gleichmäßig in X-, Y- und Z- ichtung positioniert werden können und gleichzeitig die Eindringtiefe des Laserstrahls in das zu bearbeitende Teil gesteuert werden kann. Die Negativlinse arbeitet im vorliegenden Fall als Fokustranslator und dient der Nachpositionierung des Strahlfokus in Z-Richtung. Nach der Negativlinse ist des Weiteren ein Strahlaufweiter vorgesehen. Die Negativlinse bzw. der Fokustranslator bildet zusammen mit dem Strahlaufweiter eine Teleskopeinheit.
Vor dem X/Y-Scanner sind eine Kollimatoreinheit und/oder mindestens ein Keilprisma befindlich. Mit Hilfe des Keilprismas, welches auch Wedge genannt wird, kann eine Pendel- bzw. Wendelbewegung des Laserstrahls hervorgerufen werden.
Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Anordnung zum Erzeugen von Bohrungen oder Schweißnähten ist es möglich nicht nur runde Bohrungen sondern auch ellipsenförmige bis tränenförmige Bohrungen in ein Material einzubringen. Auch die Anordnung von zwei Keilprismen nach der Kollimatoreinheit bzw. vor dem ersten X/Y-Scanner ist denkbar.
Die dargelegte erfindungsgemäße Vorrichtung weist des Weiteren eine koaxiale Autofokussiervermessungseinheit auf, welche durch den zweiten X/Y-Scanner hindurch koaxial einen Sensorstrahl auf das Bearbeitungsstück aussendet, um den Abstand zwischen dem Bearbeitungsstück und der Anordnung zu erfassen und um, abhängig vom Abstand oder der Materialdicke am entsprechenden Auftreffpunkt des Sensorstrahls auf dem Bearbeitungsstück, den Fokus des Laserstrahls oder des Arrays von bspw. vier oder sieben Laserstrahlen nachzuführen und derart zu steuern, dass eine gewünschte Bohrlochtiefe erreicht wird oder das Material besonders schonend im jeweiligen Bereich des Bearbeitungsstückes durchzubohren. Die Anordnung verfügt demnach über eine Sonderoptik mit unendlicher Rayleighlänge.
Bei einem einzigen Laserstrahl kann die koaxiale Ermittlung des Abstandes zwischen Bearbeitungsstück und der Anordnung genau im Bearbeitungspunkt ermittelt werden. Bei einem Array von Laserstrahlen findet die koaxial Ermittlung des Abstandes mittig bezüglich aller Laserstrahlen statt. Anschließend wird bspw. bei einem Bohrprozess ein orthogonales Muster mit vorgegebenem Lochdurchmesser und vorgegebener Lochtiefe am ausgemessenen Bearbeitungspunkt bzw. um den vermessenen Punkt herum eingebracht.
Die dynamische Fokusnachstellung erfolgt durch eine Kompensationsbewegung der erwähnten Negativlinse.
Die koaxiale Autofokussiervermessungseinheit ist zweckmäßigerweise in die Diagnoseeinrichtung integriert.
Bei der koaxialen Autofokussiervermessungseinheit handelt es sich beispielsweise um eine OCT-Einheit bzw. ein OCT-Laser-Mikroskop, welches eine optische Kohärenztomographie durchführt. Die Tomographie basiert auf einem temperaturunempfindlichen Interferometrie-Prinzip, welches bspw. auch bei opaken Oberflächen eingesetzt werden kann und gleichzeitig die Struktur des zu bearbeitenden Materials aufzeigen kann.
Daher ist dieses Abbildungsverfahren bei Laserbearbeitungen von besonderem Vorteil, da das Licht des Laserstrahls nicht störend auf das Abbildungsverfahren Einfluss nimmt. Auch eine Vermessung innerhalb eines Schweißpunktes ist möglich. Des Weiteren zeichnet sich ein OCT-Laser-Mikroskop aufgrund von 100 Hz - 200 kHz Ausführungen bzgl. der Messfrequenzen durch besonders schnelle Arbeitszeiten aus, sodass der Autofokussiervorgang bezüglich des Gesamtbearbei- tungsvorganges lediglich eine kleine Zeitspanne einnimmt. Werden beispielsweise Carbonfasermaterialien bearbeitet, kann mit Hilfe eines OCT-Laser-Mikroskops ei ne hoch aufgelöste Abbildung des zu bearbeitenden Werkstückes oder des bereits bearbeiteten Teiles erstellt werden.
Die schnelle dynamische Nachjustierung des Laserstrahlfokuses kann auch auf Grundlage anderer Messverfahren zur Erfassung des Abstandes zwischen dem Werkstück und dem Austrittspunkt des Laserstrahls oder der Laserstrahlen aus dem zweiten X/Y-Scanner erfolgen. Dies ist z. B. mit Hilfe eines Time-of-Flight- Messverfahrens oder eines Triangulations-Verfahrens möglich. Die Anordnung kann diesbezüglich entsprechend eine Time-of-Flight-Einheit, also eine Time-of- Flight-Kamera, oder eine Triangulationseinheit aufweisen.
Zusammen mit der beschriebenen Negativlinse bildet die koaxiale Autofokussier- vermessungseinheit, wie z. B. das OCT-Laser-Mikroskop, die Time-of-Flight- Kamera oder die Triangulationseinheit, eine Autofokussiereinheit.
Bei der Faserlaserquelle kann es sich um einen Ultrakurzpulslaser handeln. Insbesondere werden hier sog. Femtolaser mit einem Seeder bevorzugt eingesetzt. Des Weiteren ist es denkbar einen fasergekoppelten Laser einzusetzen. Bei den hier dargelegten möglichen Laserquellen handelt es sich nicht um eine abschließende Aufzählung.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Diagnoseeinheit eine 3D-Projektionseinheit mit mindestens einer Kamera auf.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Diagnoseeinheit eine Plasma-Emissionsspektrometrie-Einheit auf. Auf Grundlage einer derartigen Einheit kann z. B. erkannt werden, ob bei einem zu bearbeitenden Werkstück, welches aus mehreren Materialien besteht, jedoch nur Teilbereiche des Werkstückes mit einem ausgewählten Material bearbeitet werden sollen, Teilbereiche des Werkstückes mit anderem nicht zu bearbeitenden Material im Fokusbereich des Laserstrahls oder der Laserstrahlen liegen, sodass ein Bohr- oder Schweißprozess an diesem Bearbeitungspunkt schnellstmöglich unterbrochen werden kann. Eine Turbinenverkleidung besteht beispielsweise aus einer Bienenwabenstruktur aus Aluminium, welche beidseitig mit einem Carbonfaserverbundwerkstoff abgedeckt sind, wobei in den Carbonfaserverbundwerkstoff Bohrungen eingebracht werden sollen. Allerdings soll es zu keiner Ablösung oder Schwä chung der Aluminiumstruktur kommen, sodass ein Laserbohrprozess unterbrochen werden soll, wenn der Laserstrahl auf Aluminium trifft. Dies kann mittels einer Plasma-Emissionsspektrometrie-Einheit detektiert werden.
Außerdem ist es mit Hilfe eines OCT-Laser-Mikroskops möglich, beim Vermessen des Abstandes zwischen dem Bearbeitungspunkt und dem zweiten X/Y-Scanner die Oberfläche und die darunter liegenden Schichten zu untersuchen, wobei erkannt werden kann, ob unter dem Bearbeitungspunkt besagte Aluminium-Struktur liegt, sodass der Bearbeitungspunkt entsprechend versetzt werden kann.
Des Weiteren sei darauf hingewiesen, dass die Laserstrahlablenkvorrichtung, also beide X/Y-Scanner an einer Positioniereinheit angebracht sein können. Dabei kann es sich z. B. um einen Roboterarm handeln. In einer weitergebildeten Ausbildungsform der Erfindung sind auch die Diagnoseeinheit und/oder die Faserlaserquelle zusammen mit der Laserstrahlablenkvorrichtung an der Positioniereinheit befestigt, bei welcher es sich wie bereits erwähnt beispielsweise um einen Roboterarm handelt.
Auch eine stationäre Positionierung der erfindungsgemäßen Anordnung zum Erzeugen von Bohrungen und Schweißnähten ist möglich. Hierbei muss jedoch eine Vorrichtung vorgesehen sein, welche das Werkstück gemäß den auszuführenden Laserbearbeitungsvorgängen bewegt. Bei der Einarbeitung von Löchern in eine Turbinenverkleidung ist es beispielsweise möglich, die Turbinenverkleidung auf Rollen zu bewegen.
Außerdem ist es zweckmäßig, die Diagnoseeinrichtung mit einer Referenzpunktverfolgungseinheit zu versehen, welche Referenzpunkte des zu bearbeitenden Werkstückes detektiert und geometrisch in Relation zu der ermittelten Position des Referenzpunktes beispielsweise den Verlauf einer Schweißnaht oder die Position von Bohrungen beeinflusst. Eine derartige Referenzpunktverfolgungseinheit bzw. Kantenverfolgungseinheit überwacht beispielsweise bei einem Schweißpro- zess bei Autotüren die äußere Kante eine Autotür um eine aufzubringende
Schweißnaht in einem gleichbleibenden Abstand von der Außenkante der Autotür zu platzieren. Da Autotüren aufgrund des Herstellungsprozesses und der Lagerung jeweils einer geringen Abweichung von Normmaßen unterliegen, ist eine dynamische Kantenverfolgung von großem Vorteil hinsichtlich der exakten Positio nierung der aufzubringenden Schweißnaht und bezüglich der schnellen Erfassung des Kantenverlaufes. Des Weiteren können hierdurch Produktionsfehler am Kantenverlauf festgestellt werden. Dies kann zu einer Aussortierung des Werkstückes führen oder zu einem geänderten Verlauf der Schweißnaht, um somit die fehlerhaften Teilbereiche der Autotür mit der Schweißnaht zu umfahren.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann der erste X/Y-Scanner durch eine einzelne Umlenkplatte ersetzt werden. Alle anderen einzelnen Bauteile der erfindungsgemäßen Anordnung sind bei dieser Ausführungsform gleichbleibend. Auch Variationen bzgl. der Anzahl von möglichen Keilprismen sind möglich.
Mit Hilfe der dargestellten erfindungsgemäßen Anordnung ist es zusammenfassend möglich einen dynamischen Autofokussierungs- und Diagnoseprozess zu betreiben, welcher nicht vor oder nach dem Bearbeitungsprozess sondern während des Bearbeitungsprozess, nämlich während dem Bohren von Löchern oder dem Aufbringen einer Schweißnaht, durchgeführt wird. Hingegen bekannter Erfassungsverfahren zum Ermitteln von 2D- und/oder 3D-Topologien, welche vor dem Bearbeitungsprozess flächendeckend durchgeführt werden, ermittelt die dargestellte Anordnung immer kurzzeitig vor dem Durchführen des nächsten Bearbeitungsprozesses die aktuelle Entfernung der erfindungsgemäßen Anordnung bzw. des zweiten X/Y-Scanners zum Bearbeitungspunkt bei gleichzeitiger Genauigkeit von 10 - 20 pm. Mit Hilfe der ermittelten Daten wird die Negativlinse bewegt und der Fokus des Laserstrahl oder der Laserstrahlen automatisiert nachgestellt.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben, die anhand der Abbildungen näher erläutert werden. Hierbei zeigen:
Fig. 1 eine erste Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 2 eine zweite Ausführungsform der Erfindung mit einem Keilprisma,
Fig. 3 eine dritte Ausführungsform der Erfindung mit zwei Keilprismen,
Fig. 4 eine vierte Ausführungsform der Erfindung mit einer Umlenkplatte und Fig. 5 eine fünfte Ausführungsform der Erfindung mit einer Umlenkplatte und zwei Keilprismen.
In der nachfolgenden Beschreibung werden für gleiche und gleich wirkende Teile dieselben Bezugsziffern verwendet.
Gemäß Fig. 1 treten aus einem Faserbündel 1 zunächst Laserstrahlen 2 aus, um zum Zwecke eines parallelen Strahlenverlaufs durch eine Kollimationseinheit bzw. Kollimationsoptik geführt zu werden. Neben den einzelnen Bauteilen der erfindungsgemäßen Anordnung befindet sich eine Darstellung des jeweiligen Abbilds der Laserstrahlen. Nach der Kollimatoreinheit sind die bspw. vier Laserstrahlen parallel geführt. Gemäß erster Ausführungsform der Erfindung werden die vier Laserstrahlen in den ersten X/Y-Scanner 4 bzw. Laserkopf geführt. Aufgrund dessen ist es gemäß Laserstrahlenabbild möglich die einzelnen Laserstrahlen nicht nur im Kreis sondern beispielsweise entlang einer tränenförmigen Kontur zu führen.
Nach dem ersten X/Y-Scanner 4 ist eine Teleskopeinheit 5 angeordnet, wobei die Teleskopeinheit 5 aus einem Fokustranslator bzw. einer Negativlinse 6 und einem Strahlaufweiter 7 besteht. Die Negativlinse 6 kann wie durch Pfeile dargestellt verschoben werden.
Anschließend werden die Laserstrahlen in einen zweiten X/Y-Scanner 8 geführt um von dort aus auf ein Werkstück 9 abgelenkt zu werden. Die nicht dargestellte Diagnoseeinheit weist bspw. eine koaxiale Autofokussiereinheit auf, sodass zu jedem Zeitpunkt des Laserbearbeitungsprozesses der Abstand zwischen der Anordnung und dem Werkstück 9 detektiert werden kann. Die koaxiale Autofokussiereinheit sendet durch den zweiten X/Y-Scanner 8 hindurch einen Sensorstrahl auf das Werkstück 9 aus, um den Abstand zwischen dem Werkstück und der Anordnung zu erfassen. Abhängig vom beschriebenen Abstand oder der Materialdicke am entsprechenden Auftreffpunkt des Sensorstrahl auf dem Werkstück 9 wird der Fokus der Laserstrahlen nachgeführt und derart gesteuert, dass eine gewünschte Bohrlochtiefe erreicht wird.
Die Apertur des ersten X/Y-Scanners 4 ist kleiner als die Apertur des zweiten X/Y- Scanners 8, sodass der erste X/Y-Scanner 4 auch als kleinaperturiger X/Y-Scanner und der zweite X/Y-Scanner 8 als großaperturiger X/Y-Scanner der erfindungsgemäßen Anordnung bezeichnet werden kann.
Gemäß in Fig. 2 dargestellter Ausführungsform der Erfindung ist zu den bereits in Fig. 1 dargestellten Bauteilen zusätzlich ein Keilprisma 10 vorgesehen. Das Keilprisma befindet sich zwischen der Kollimatoreinheit 3 und dem ersten X/Y- Scanner. Die Laserstrahlen 2 werden folglich nach der Kollimatoreinheit 3 auf das Keilprisma bzw. die Keilplatte 10 geführt. Wie in der Zeichnung angedeutet, kann sich die Keilplatte 10 drehen, sodass die Laserstrahlen 2 entsprechend abgelenkt werden können. Mit Hilfe der drehbaren Keilplatte 10 kann eine Pendel- bzw. Wendelbewegung des Laserstrahls hervorgerufen werden.
Wie in Fig. 3 dargestellt, ist es des Weiteren denkbar nach einer ersten Keilplatte 10 eine zweite Keilplatte 11 anzuordnen. Diese zweite Keilplatte 11 ist somit zwischen der ersten Keilplatte 11 und dem ersten X/Y-Scanner angeordnet. Bzgl. der Wirkung der zweiten Keilplatte 11 sei auf das Abbild der Laserstrahlen verwiesen. Gemäß Fig. 3, kann auch die zweite Keilplatte drehbar sein, sodass die Bewegungswege der Laserstrahlen 2 auf einer runden Kontur aufgeweitet bzw. vergrößert werden.
In Fig. 4 wird eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung dargestellt, wobei in dieser Ausführung, der erste kleinaperturige X/Y-Scanner durch eine Umlenkplatte 12 ersetzt wird. Der verbleibenden Bauteile der Anordnung stimmen mit den Bauteilen gemäß Fig. 2 überein. D. h., dass die von einem Faserbündel 1 ausgehenden Laserstrahlen 2 zunächst zu einer Kollimatoreinheit 3 geführt werden und anschließend parallel zu einer ersten Keilplatte 10 geführt werden. Nach Austritt aus der drehbaren Keilplatte 10 werden die Laserstrahlen, im vorliegenden Fall vier Laserstrahlen, zu einer Umlenkplatte 12 geführt, wo sie wiederum in Richtung einer Teleskopeinheit 5 gelenkt werden. Die Teleskopeinheit 5 besteht aus einer in einer Achse verschiebbaren Negativlinse 6 und einem Strahl-aufweiter 7. Anschließend gelangen die Laserstrahlen in den großaperturi- gen X/Y-Scanner 8, um anschließend auf das Werkstück 9 abgelenkt zu werden, um dort die Laserbearbeitung durchführen zu können.
Gemäß Fig. 5 ist es auch bei einer Ausführungsform mit Umlenkplatte 12 möglich, dass nach einer ersten Keilplatte 10 eine zweite Keilplatte 11, welche wiederum gedreht werden kann, angeordnet ist. Diese ist somit zwischen der ersten Keilplatte 10 und der Umlenkplatte 12 angeordnet und bewirkt ein Aufweiten der Bewegungswege der sich pendelnd bewegenden Laserstrahlen. Es wird wiederum auf die jeweiligen Darstellungen der Laserstrahlabbildungen zum jeweiligen Zeitpunkt beim Passieren verschiedener Bauteile in der erfindungsgemäßen Anordnung verwiesen. Selbstverständlich können auch die Ausführungsformen mit Umlenkplatte eine koaxiale Autofokussiervermessungseinheit, eine Diagnoseeinheit etc. aufweisen. Auch die Anbringungen an einer Positioniereinheit ist möglich.
Figure imgf000012_0001

Claims

Ansprüche Anordnung zum Erzeugen von Bohrungen oder Schweißnähten mittels eines Laserstrahls oder mehrerer Laserstrahlen (2) in oder auf einer 2D und/oder 3D-Topologie,
umfassend mindestens eine Faserlaserquelle, eine
Laserstrahlablenkvorrichtung und eine Diagnoseeinheit, wobei die Laserstrahlablenkvorrichtung zwei X/Y-Scanner (4; 8) aufweist, welche in Reihe geschaltet sind. Anordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Apertur des ersten X/Y-Scanners (4) kleiner ist als die Apertur des zweiten X/Y-Scanners (8). Anordnung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
der erste X/Y-Scanner (4) eine Apertur von 11 - 16 mm aufweist. Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3
dadurch gekennzeichnet, dass
der zweite X/Y-Scanner (8) eine Apertur von 45 mm - 55 mm aufweist. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
zwischen dem ersten X/Y-Scanner (4) und dem zweiten X/Y-Scanner (8) ein Fokustranslator (6) und ein Strahlaufweiter (7) befindlich ist. Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
vor dem ersten X/Y-Scanner (4) eine Kollimatoreinheit (3) und/oder mindestens ein Keilprisma (10) befindlich ist. Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Anordnung eine koaxiale Autofokussiervermessungseinheit umfasst. Anordnung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
die koaxiale Autofokussiervermessungseinheit in die Diagnoseeinrichtung integriert ist. Anordnung nach Anspruch 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
die koaxiale Autofokussiervermessungseinheit ein OCT-Laser-Mikroskop oder eine Time-of-Flight-Einheit oder einer Triangulations-Einheit aufweist, welche den Abstand zwischen der 2D und/oder 3D-Topologie und dem zweiten Scankopf ermittelt. Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüchen,
dadurch gekennzeichnet, dass
es sich bei der Faserlaserquelle um einen Ultrakurzpulslaser handelt. Anordnung nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
es sich bei der Faserlaserquelle um einen Femtolaser mit einem Seeder handelt. Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Diagnoseeinheit eine 3D-Projektionseinheit mit Kamera aufweist. Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Diagnoseeinheit eine Plasma-Emissionsspektrometrie-Einheit umfasst. Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Laserstrahlablenkvorrichtung an einer Positioniereinheit angebracht ist. Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Diagnoseeinheit eine Referenzpunktverfolgungseinheit aufweist. Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
der erste X/Y-Scanner durch eine Umlenkplatte (12) ersetzt ist.
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