Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Laserbearbeitung von Werkstücken, bevorzugt das Laserschneiden von metallischen Werkstücken. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Laserbearbeitungskopf mit einer Scannereinheit zum Ablenken des Laserstrahls innerhalb des Laserbearbeitungskopfes.

Stand der Technik

Techniken zur Ablenkung eines Laserstrahls in einem Laserbearbeitungskopf mittels Scannereinrichtungen sind beispielsweise aus der WO2019145536A1 bekannt. Ferner sind Systeme bekannt, bei denen die Ablenkung des Laserstrahls in zwei Raumrichtungen mittels nur eines beweglich gelagerten Spiegels erfolgt. Beispiele für derartige Einspiegelscanner sind in der DE10027148A1 und in der EP4000789A2 beschrieben.

Grundsätzliche Limitationen bei der Verwendung von Laserscannern zur Matenalbearbeitung bestehen hinsichtlich der Bewegungsgeschwindigkeit der strahlablenkenden optischen Elemente (insbesondere der Scannerspiegel), sowie bezüglich der Prozessstabilität bei steigender Laserleistung, insbesondere aufgrund steigender thermischer Belastung der optischen Elemente. Auch die Verschmutzungsanfälligkeit der Scannersysteme spielt in diesem Zusammenhang eine wichtige Rolle.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Stand der Technik zu verbessern. Insbesondere soll eine Steigerung der Ablenkungsgeschwindigkeit eines Laserstrahls durch eine Scannereinrichtung innerhalb eines Laserbearbeitungskopfes, insbesondere innerhalb eines Laserschneidkopfes, ermöglicht werden. Gleichzeitig soll die Anfälligkeit der empfindlichen Scannereinrichtungen bei hohen Laserleistungen im kW und multi-kW Bereich reduziert werden. Die Erfindung

Zur Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt ein Laserbearbeitungskopf bereitgestellt, der eine Scannereinheit umfasst, die in einem Strahlengang des Laserbearbeitungskopfes angeordnet ist und die einen Scannerspiegel aufweist, der um (wenigstens) zwei Rotationsachsen verkippbar gelagert ist. Ein Laserbearbeitungskopf ist typischerweise Teil einer Laserbearbeitungsanlage, wobei über den Laserbearbeitungskopf ein Laserstrahl fokussiert und auf ein zu bearbeitendes Werkstück gerichtet wird. Durch die Verkipp- Bewegung kann ein auf dem Scannerspiegel auftreffender Laserstrahl im Betrieb des Laserbearbeitungskopfes abgelenkt werden. Ein vordefinierter Verkippungswinkel des Scannerspiegels um jede der Rotationsachsen kann höchstens ±2°, vorzugsweise höchstens ±0,3°, um die Ruhelage betragen.

Die Scannereinheit ist derart in dem Laserbearbeitungskopf angeordnet, dass ein Laserstrahl, der den Strahlengang durchläuft, mit einem Einfallwinkel von höchstens 30°, bevorzugter höchstens 22,5°, noch bevorzugter höchstens 15°, gegenüber einer Flächennormalen des Scannerspiegels auf dem Scannerspiegel auftrifft. Der vorbestimmte Einfallwinkel des Laserstrahls auf den Scannerspiegel kann gegenüber der Ruhelage (bzw. Nullstellung) des Scannerspiegels gelten. Mit anderen Worten kann der Einfallwinkel des Laserstrahls auf dem Scannerspiegel im Betrieb des Laserbearbeitungskopfes maximal 32°, bevorzugt maximal 24,5°, noch bevorzugter maximal 17° betragen, wenn die maximale Auslenkung des Scannerspiegels gegenüber der Ruhelage 2° beträgt.

Durch den reduzierten Einfallwinkel des Laserstrahls auf dem Scannerspiegel kann die Projektion des Laserstrahls auf dem Scannerspiegel klein gehalten werden. Durch den vergleichsweise kompakten Strahlfleck kann der Scannerspiegel im Vergleich zu Systemen mit größeren Einfallwinkeln kleiner dimensioniert werden, wodurch sich auch seine Masse verringert. Je geringer die Masse des Scannerspiegels ist, desto schneller kann er beschleunigt bzw. abgebremst werden, desto größer ist also die Dynamik der Scannereinheit und desto höher ist die potenzielle Ablenkungsgeschwindigkeit des Laserstrahls. Gemäß einer bevorzugten Variante umfasst der Laserbearbeitungskopf ferner eine Kollimationseinheit die dazu ausgebildet ist einen in den Strahlengang eintretenden, divergierenden Laserstrahl zu kollimieren. Die Kollimationseinheit kann vorzugsweise eine Kollimationslinse sein, die vorzugsweise nach dem Eintritt des divergierenden Laserstrahls im Strahlengang des Laserbearbeitungskopfes angeordnet ist. Der Kollimationseinheit nachgelagert kann der Laserbearbeitungskopf eine Umlenkeinheit aufweisen, die dazu ausgebildet ist, den kollimierten Laserstrahl auf den Scannerspiegel umzulenken, sodass der kollim ierte Laserstrahl unter dem vorgegebenen Einfallwinkel auf den Scannerspiegel trifft. Die Umlenkeinheit kann vorzugsweise ein Umlenkspiegel sein. Der Umlenkspiegel kann vorzugsweise unter einem vorgegebenen, fixen Winkel im Strahlengang des Laserbearbeitungskopfes angeordnet sein. Der Scannereinheit nachgeordnet kann der Laserbearbeitungskopf ferner eine Fokussiereinheit, insbesondere eine Fokussierlinse, aufweisen, die dazu ausgebildet ist, den von der Scannereinheit abgelenkten Laserstrahl zu empfangen und auf ein Zielobjekt zu fokussieren. Das Zielobjekt kann insbesondere ein plattenöder rohrförmiges, insbesondere metallisches Werkstück sein. Der Laserstrahl kann beispielsweise auf die Oberfläche des Werkstücks fokussierbar sein. Strah leintritt und Strahlaustritt des Strahlengangs im Laserbearbeitungskopf sind typischerweise parallel oder senkrecht zueinander angeordnet. Durch die Anordnung der Umlenkeinheit im Strahlengang des Laserbearbeitungskopfes kann der vorgegebene Einfallwinkel auf den Scannerspiegel realisiert werden.

Die Kollimationseinrichtung kann vorzugsweise eine Kollimationsbrennweite von f < 100 mm, vorzugsweise von f « 70 mm aufweisen.

Vorzugsweise kann die Kollimationseinheit in einer Richtung längs- und/oder quer zum Strahlengang verschiebbar in dem Laserbearbeitungskopf angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Umlenkeinheit rotatorisch bzw. schwenkbar in dem Laserbearbeitungskopf gelagert sein. Der Laserstrahl kann der Optikanordnung mittels eines Lichtleitkabels zugeführt werden. Die Schnittstelle zwischen Lichtleitkabel und Optikanordnung, die insbesondere als Steckerbuchse ausgeführt sein kann, kann ebenfalls verschieblich angeordnet sein. Durch die einstellbare Anordnung der Eingangsschnittstelle, der Kollimationseinheit und/oder der Umlenkeinheit kann der Laserstrahl, insbesondere der Strahlschwerpunkt des Laserstrahls, exakt auf ein Zentrum des Scannerspiegels ausgerichtet werden. Dies unterstützt eine Aperturauslegung des Scannerspiegels mit engen Toleranzen, was die Größe und somit auch die Masse des Scannerspiegels günstig beeinflusst. Insbesondere können die Eingangsschnittstelle des Laserstrahls und/oder die Kollimationseinheit senkrecht bzw. lateral bezüglich des Strahlengangs verschiebbar sein und/oder die Umlenkeinheit kann rotatorisch gelagert sein. Die Scannereinheit kann vorzugsweise fest innerhalb des Laserbearbeitungskopfes, insbesondere auf einer durch eine Strahlaustrittsöffnung des Laserbearbeitungskopfes (insbesondere einer Schneiddüse) definierten Achse angeordnet sein. Alternativ kann auch die Scannereinheit verschieblich und/oder rotatorisch gelagert im Laserbearbeitungskopf angeordnet sein.

Zusätzlich zu den oben beschriebenen Varianten kann der Laserbearbeitungskopf vorzugsweise ferner eine Aufweitungseinheit bzw. Strahlaufweitungseinheit, insbesondere eine Aufweitungslinse umfassen. Die Aufweitungslinse kann vorzugsweise in Form einer Negativlinse ausgebildet sein. Die Aufweitungseinheit kann zwischen der Scannereinheit und der Fokussiereinheit angeordnet sein. Die Aufweitungseinheit kann vorzugsweise eine Brennweite zwischen f = -40 mm und f = -200 mm, insbesondere von f « -50 mm aufweisen. Eine derartige Anordnung mit Aufweitungseinheit bzw. Strahlaufweitungseinheit kann zur Einstellung eines vorbestimmten Abbildungsverhältnisses vorteilhaft sein, unter Einhaltung eines verhältnismäßig kleinen Strahldurchmessers vor der Strahlaufweitungseinheit. Ein kleiner Strahldurchmesser begünstigt wiederum die Auslegung einer kleinen Scannerspiegelapertur. Bei einer Ausführung des Laserbearbeitungskopfes als Laserschneidkopf zum Laserbrennschneiden oder Laserschmelzschneiden kann es beispielsweise gewünscht sein, dass die optische Gesamtbaugruppe ein Abbildungsverhältnis von 1 ,5 aufweist. Bei der Verwendung einer Kollimationseinheit mit vergleichsweise kurzer Brennweite (z.B. f=70 mm) würde dies bei Verwendung einer regulären und notwendigerweise ebenso entsprechend kurzbrennweitigen Fokussierlinse (z.B. f=105 mm) mehrere konstruktive Konflikte nach sich ziehen. Die werkstückseitige Schnittweite einer Fokussierlinsengruppe umfassend die Aufweitungseinheit und die anschließende Fokussiereinheit kann deshalb vorzugsweise so gestaltet sein, dass das letzte optische Element einen konstruktiv ausreichend großen Abstand zur Schneiddüse des Laserschneidkopfes aufweist.

Die Aufweitungseinheit kann in einer Richtung längs zu dem Strahlengang verschiebbar, vorzugsweise motorisch verschiebbar, in dem Laserbearbeitungskopf angeordnet sein. Dadurch kann die Fokuslage des Laserstrahls auf einfache Weise verändert werden. Ein Übersetzungsverhältnis zwischen der Verschiebung einer als Negativlinse ausgeführten Aufweitungseinheit kann beispielsweise so gewählt werden, dass eine Längsverschiebung der Negativlinse um ±5 mm eine Verschiebung der Fokuslage um +10 mm bis -30 mm bewirkt.

Die Scannereinheit kann vorzugsweise hängend in dem Laserbearbeitungskopf angeordnet sein. Mit anderen Worten kann die Reflexionsfläche des Scannerspiegels in einer bevorzugten Bearbeitungsposition im Betrieb des Laserbearbeitungskopfes wenigstens teilweise (in Schwerkraftrichtung) nach unten weisen. Durch diese hängende Anordnung der Scannereinheit im Laserbearbeitungskopf kann die Verschmutzungsanfälligkeit der Scannereinheit reduziert werden.

Die Kollimationseinheit kann vorzugsweise als Kollimationslinse ausgeführt sein. Die Kollimationslinse kann vorzugsweise stehend in dem Laserbearbeitungskopf angeordnet sein. Es versteht sich, dass sich diese Angabe auf eine bevorzugte Ausrichtung des Laserbearbeitungskopfes im Betrieb des Laserbearbeitungskopfes bezieht. Eine „stehende“ bzw. vertikale Anordnung der Kollimationslinse ist in der Regel weniger verschmutzungsanfällig als eine horizontale Anordnung.

Wie bereits weiter oben erwähnt kann der Laserbearbeitungskopf eine Anschlussbuchse zum Eintritt des Laserstrahls in den Strahlengang des Laserbearbeitungskopfes umfassen. Die Anschlussbuchse kann vorzugsweise waagerecht oder nach unten gerichtet am Laserbearbeitungskopf angeordnet sein. Auch hier ist die Lagebeschreibung wiederum bezogen auf die Ausrichtung des Laserbearbeitungskopfes in einem bevorzugten Betriebszustand. Besonders bevorzugt ist in diesem Zusammenhang eine waagerechte Ausrichtung der Anschlussbuchse, da diese sich in der Praxis als weniger kontaminationsanfällig herausgestellt hat. Zudem begünstigt eine horizontale Ausrichtung der Anschlussbuchse eine stehende Anordnung der Kollimationslinse. Insgesamt kann es also bevorzugt sein, wenn die Scannereinheit in einer sogenannten „Delta- Faltung“ in dem Laserbearbeitungskopf integriert ist. Die Anschlussbuchse ist dabei senkrecht zur Austrittsöffnung des Laserstrahls aus dem Laserbearbeitungskopf angeordnet. Nach dem Eintritt über die Anschlussbuchse wird der Laserstrahl kollim iert und anschließend über die Umlenkeinheit (beispielsweise um 60°) und die Scannereinheit (beispielsweise um 30°) zweimal umgelenkt.

Wie ebenfalls bereits weiter oben erwähnt, kann der Laserbearbeitungskopf vorzugsweise als Laserschneidkopf ausgebildet sein. Als Laserschneidkopf umfasst der Laserbearbeitungskopf zumindest eine Schneiddüse und eine Prozessgaszufuhr, wobei der Laserstrahl gemeinsam mit einem Prozessgas durch die Schneiddüse hindurch auf das zu bearbeitende Objekt, insbesondere ein platten- oder rohrförmiges, vorzugsweise metallisches, Werkstück gerichtet wird, und wobei der Laserstrahl durch die Scannereinheit innerhalb einer Austrittsöffnung der Schneiddüse, bewegbar ist. Das Bewegungsintervall, mit dem der Laserstrahl innerhalb der Austrittsöffnung der Schneiddüse bewegbar ist, kann bis zu 3 mm, vorzugsweise bis zu 2,5 mm in einer Richtung quer zur Düsenlängsachse betragen. Derart kleine Strahlablenkungen sind durch sehr kleine Bewegungen des Scannerspiegels realisierbar. Durch die kleinen Spiegelbewegungen ist auch die ellipsenförmige Ausdehnung der Strahlprojektion auf der Spiegeloberfläche begrenzt. Dadurch wiederum können die Spiegelabmessungen und damit die Spiegelmasse geringgehalten werden, wodurch die Dynamik bzw. die Geschwindigkeit der Spiegelbewegung gesteigert werden kann.

Zur Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe wird gemäß einem zweiten Aspekt eine Scannereinheit für einen Laserbearbeitungskopf nach einer der oben beschriebenen Varianten bereitgestellt. Die Scannereinheit umfasst einen Scannerspiegel. Der Scannerspiegel kann vorzugsweise einen kreisförmigen oder näherungsweise kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Die Scannereinheit umfasst ferner eine Antriebseinheit zum Verkippen des Scannerspiegels um (wenigstens) zwei Rotationsachsen. Die Rotationsachsen können vorzugsweise senkrecht zueinander angeordnet sein.

Ferner umfasst die Scannereinheit eine Blende, die an einer einem Laserstrahl im Betrieb der Scannereinheit zugewandten Reflexionsseite des Scannerspiegels angeordnet ist, wobei die Blende eine trichterförmige Innenwand aufweist, und wobei ein Neigungswinkel der Innenwand höchstens 30°, bevorzugt höchstens 22,5°, noch bevorzugter höchstens 15° gegenüber einer Flächennormalen des Scannerspiegels beträgt. Durch die Gestaltung der Blende wird beispielsweise Streustrahlung abgefangen und die auf dem Scannerspiegel auftreffende Projektion eines eingehenden Laserstrahls begrenzt. Ferner wird die Antriebseinheit von eingehender Laserstrahlung abgeschirmt und dadurch geschützt. Insgesamt werden dadurch die Voraussetzungen geschaffen, den Querschnitt des Scannerspiegels gering zu halten und dadurch seine Masse zu reduzieren und die Geschwindigkeit der Spiegelbewegungen zu erhöhen.

Der Scannerspiegel samt Fassung und die Antriebseinheit können beispielsweise ausgeführt sein wie in der EP4000789A2 beschrieben, wobei die Magnetpaare des Scannerantriebs vorzugsweise an der Spiegelfassung angeordnet sind.

Die Blende besteht vorzugsweise aus einem Material mit guten Wärmeleitungseigenschaften, beispielsweise aus einem Metall oder einer Metalllegierung. Insbesondere kann die Blende aus Stahl bestehen. Die Blende kann auf diese Weise zusätzlich zum Abtransport von Wärme genutzt werden, die beispielsweise durch Streustrahlung in das System gelangt. Die Fassung des Scannerspiegels und der Scannerantrieb können dadurch vor Überhitzung geschützt werden.

Die Apertur des Scannerspiegels kann vorzugsweise um den Faktor 1 ,2 bis 1 ,8, vorzugsweise um den Faktor 1 ,5, größer sein als die Projektionsfläche des Laserstrahls auf der Reflexionsfläche, wobei zur Bestimmung der Projektionsfläche beispielsweise die 2.-Momente-Methode herangezogen werden kann. Die Apertur des Scannerspiegels wird vorliegend insbesondere durch einen Innendurchmesser der Spiegelfassung vorgegeben. Durch die bevorzugte Mindestgröße der Apertur des Scannerspiegels gegenüber der Projektionsfläche des Laserstrahls kann Beugungseffekten und Erwärmung der Spiegelfassung durch Randfelder vorgebeugt werden.

Zur Gewährleistung der Bewegungsfreiheit des Scannerspiegels ist die Blende durch einen Spalt von der Oberfläche (Reflexionsfläche) des Scannerspiegels beabstandet. Der Spalt soll vorzugsweise so gering wie möglich gehalten werden und kann in einer neutralen Stellung bzw. Ruhestellung des Scannerspiegels beispielsweise < 10 mm, vorzugsweise < 1 ,5 mm, betragen. Durch die Minimierung des Spalts kann die Abschirmungswirkung der Blende maximiert werden.

Die Blende weist vorzugsweise eine Blendenöffnung auf, die kleiner ist als eine Apertur des Scannerspiegels. Auf diese Weise kann die Abschirmung der Spiegelfassung und der Antriebseinheit selbst bei einem dejustierten Laserstrahleinfall sichergestellt werden. Vorzugsweise können die Apertur des Scannerspiegels und die Blendenöffnung jeweils eine kreisförmige Kontur aufweisen, wobei die Apertur des Scannerspiegels größer ist als der minimale Innendurchmesser der Blendenöffnung. Die Apertur des Scannerspiegels kann dabei insbesondere durch den Innendurchmesser der Spiegelfassung vorgegeben sein, in der der Scannerspiegel gelagert ist.

Der Scannerspiegel kann vorzugsweise ein Spiegelsubstrat aus einem transparenten Material, insbesondere aus Quarzglas, umfassen. Eine Resttransmission von Laserstrahlung durch den Scannerspiegel, die beim Auftreffen eines Laserstrahls auf der Reflexionsfläche unvermeidbar ist, kann auf diese Weise gezielt zur Rückseite des Scannerspiegels hingeleitet werden. Einer seitlichen Wärmeabfuhr in Richtung der Spiegelfassung und der Antriebseinheit kann dadurch vorgebeugt werden. Das Spiegelsubstrat weist vorzugsweise ein Verhältnis zwischen Dicke zu Durchmesser von höchstens 1 :10 auf. Dadurch kann die notwendige Steifigkeit des Scannerspiegels gewährleistet werden. Beispielsweise kann der Scannerspiegel einen Durchmesser von 25 mm und eine Dicke von 2,5 mm aufweisen. Der Scannerspiegel kann ferner eine oxidische Interferenzbeschichtung aufweisen.

Die Scannereinheit kann ferner ein Wärmeabführelement aufweisen, das an einer Rückseite des Scannerspiegels angeordnet ist, wobei das Wärmeabführelement durch einen Spalt von der Rückseite des Scannerspiegels bzw. von der Fassungsmechanik beabstandet ist, der gerade so groß ist, dass eine freie Verkippung des Scannerspiegels samt Fassungsmechanik um die Rotationsachsen gewährleistet ist. Der Spalt zwischen dem Wärmeabführelement, das auch als Wärmesenke oder Kühlkörper bezeichnet werden kann, beträgt vorzugsweise höchsten 3 mm, vorzugsweise höchstens 1 mm, beispielsweise etwa 0,8 mm. Auf diese Weise wird einerseits die Bewegungsfreiheit des Scannerspiegels nicht beeinträchtigt, und andererseits ein Wärmeabtransport von dem Scannerspiegel über das Wärmeabführelement durch freie oder erzwungene Konvektion ermöglicht. Das Wärmeabführelement weist vorzugsweise einen konischen Abschnitt auf, an den sich ein zylindrischer Abschnitt anschließt, wobei der zylindrische Abschnitt in einer Ausnehmung angeordnet ist, die von der Rückseite des Scannerspiegels und von der Spiegelfassung ausgebildet ist, in der der Scannerspiegel gelagert bzw. befestigt ist. Ein seitlicher Abstand des Wärmeabführelements zu der Spiegelfassung kann vorzugsweise höchstens 3 mm, vorzugsweise höchstens 1 mm, beispielsweise ca. 0,8 mm betragen. Das Wärmeabführelement besteht vorzugsweise aus einem Material mit guten Wärmeleitungseigenschaften, insbesondere aus einem Metall oder einer Metalllegierung. Bevorzugt besteht das Wärmeabführelement aus Stahl. Das Wärmeabführelement trägt dazu bei, Wärme aus dem Scannerspiegel effizient abzuführen und insbesondere die filigrane Spiegelfassung und die Antriebseinheit (vgl. EP4000789A2) vor Beschädigungen durch thermische Überlastung zu schützen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Variante können die Blende und/oder das Wärmeabführelement aktiv kühlbar sein. Beispielsweise können die Blende und/oder der Kühlkörper jeweils einen oder mehrere Kühlkanäle aufweisen, wobei die Kühlkanäle von einem Kühlfluid durchströmbar sind. Durch eine aktive Kühlung kann der Wärmeeintrag in die Scannereinheit aufgrund von ungewollter Bestrahlung - etwa durch Streulicht im Strahlengang, durch gerichtete Reflexe von optischen Grenzflächen oder von Prozessrückwirkungen - noch effizienter abgeführt werden.

Ferner kann ein Kühlgas in dem Spalt zwischen dem Wärmeabführelement und der Einheit aus Scannerspiegel und Spiegelfassung zirkuliert werden, um die Kühlung der Komponenten weiter zu verbessern.

Zur Überwachung ihres Betriebszustands, kann die Scannereinheit mittels einer thermischen Sensorik, z.B. mittels Thermopile, berührungslos überwacht werden. Mittels des Thermopile kann beispielsweise die Rückseite des Scannerspiegels oder die Fassungsmechanik bzw. die Aufhängung des Scannerspiegels auf thermische Veränderungen überwacht werden. Bei einer Beobachtung der Fassungsmechanik kann die zu beobachtende Stelle vorzugsweise geschwärzt sein, um die Strahlungsemission an dieser Stelle zu erhöhen und zu definieren. Alternativ oder zusätzlich kann zur Überwachung des Betriebszustands der Scannereinheit eine Streulichtdiode im Strahlengang des einfallenden Laserstrahls angeordnet sein, die den Strahlengang überwacht und sehr schnell eine einsetzende Kontamination auf der Oberfläche des Scannerspiegels erkennen kann. Bei einem Partikeleinbrand steigt ein Messpegel der Streulichtdiode deutlich und sprunghaft an. Die Streulichtdiode kann vorzugsweise senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht auf die Reflexionsfläche des Scannerspiegels ausgerichtet sein.

Zur Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe wird gemäß einem dritten Aspekt eine Laserbearbeitungsanlage, insbesondere eine Laserschneidanlage, bereitgestellt. Die Laserbearbeitungsanlage umfasst zumindest: eine Laserstrahlquelle zur Bereitstellung eines Laserstrahls und einen Laserbearbeitungskopf gemäß einer der oben beschriebenen Varianten. Der Laserstrahl weist eine Leistung von wenigstens 0,3 kW , insbesondere von mehreren kW (beispielsweise wenigstens 4 kW oder auch 10 kW oder mehr) auf. Ferner beträgt ein Strahlparameterprodukt des Laserstrahls (beim Eintritt in den Laserbearbeitungskopf) höchstens 4 mm*mrad, vorzugsweise höchstens 2,5 mm*mrad. Durch die Verwendung des vorgeschlagenen Laserbearbeitungskopfes mit der vorgeschlagenen Scannereinheit ist die erfindungsgemäße Laserbearbeitungsanlage insbesondere zur Ablenkung hochbrillanter Laserstrahlung im Hochleistungsbereich geeignet.

Als Laserstrahlquelle wird vorzugsweise ein Festkörperlaser verwendet, insbesondere ein Scheibenlaser oder ein Faserlaser. Es können jedoch auch CO2 Laser oder Diodenlaser verwendet werden.

Die Strahlqualität des Laserstrahls sowie die Kollimationsbrennweite der Kollimationseinheit können vorzugsweise so gewählt werden, dass der Durchmesser des kollimierten Laserstrahls und somit auch der Durchmesser der Strahlprojektion auf der Oberfläche des Scannerspiegels geringgehalten wird. Beispielsweise kann das Strahlparameterprodukt etwa 2,5 mm*mrad bei einer Kollimationsbrennweite von f « 70 mm betragen.

Zur Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe wird gemäß einem vierten Aspekt ein Verfahren zum Laserstrahlschneiden bereitgestellt, bei dem ein Laserbearbeitungsstrahl gemeinsam mit einem Prozessgas durch die Schneiddüse eines Laserschneidkopfes auf die Oberfläche eines zu bearbeitenden Werkstücks gerichtet wird, wobei einer primären Vorschubbewegung des Laserschneidkopfes eine sekundäre Bewegung des Laserstrahls innerhalb der Schneiddüse überlagert wird, und wobei der Laserstrahl zur Erzeugung der Sekundärbewegung innerhalb des Laserschneidkopfes derart auf einen um (wenigstens) zwei Rotationsachsen verkippbaren Scannerspiegel gerichtet wird, dass ein Einfallwinkel des Laserstrahls auf dem Scannerspiegel höchstens 30°, bevorzugt höchstens 22,5°, noch bevorzugter höchstens 15° gegenüber einer Flächennormalen des Scannerspiegels beträgt.

Zusammenfassend bietet die vorliegende Erfindung insbesondere für das Laserschneiden Vorteile hinsichtlich Dynamik, Konturtreue, Wiederholgenauigkeit, Schmutzanfälligkeit, Kompaktheit und thermischer Beständigkeit bei der Auslenkung des Laserstrahls innerhalb der Schneiddüse gegenüber den bisher aus dem Stand der Technik bekannten Systemen, insbesondere gegenüber bisherigen Einspiegelscannern.

Ausführungsbeispiele

Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Laserschneidanlage zum Laserstrahlschneiden in einer schematischen, perspektivischen Ansicht;

Fig. 2a eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Laserschneidkopfes gemäß einer ersten Variante;

Fig. 2b eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Laserschneidkopfes gemäß einer zweiten Variante;

Fig. 3a eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Scannereinheit; und

Fig. 3b eine weitere Schnittdarstellung der Scannereinheit gemäß Figur 3a.

Figur 1 zeigt eine Laserbearbeitungsanlage in Form einer Laserschneidanlage 10. Die Laserschneidanlage 10 umfasst eine Laserstrahlquelle 12. Die Laserstrahlquelle 12 kann ein CO2-Laser, ein Festkörperlaser oder ein Diodenlaser sein. Auch, wenn die vorliegende Darstellung eine CO2-Laser Konfiguration zeigt, bei welcher der erzeugte Laserstrahl L über Umlenkspiegel zum Laserbearbeitungskopf - hier einem Laserschneidkopf 20 - geleitet wird, können als Strahlquellen Festkörperlaser, insbesondere Scheiben- oder Faserlaser, grundsätzlich bevorzugt sein. Bei Festkörperlasern wird der Laserstrahl 20 in der Regel mittels einer Lichtleitfaser (in Figur 1 nicht dargestellt) zum Laserschneidkopf 20 transportiert und über eine Anschlussbuchse in den Laserschneidkopf 20 eingespeist. Die Laserschneidanlage 10 umfasst ferner eine Schneidgaszufuhr 14, hier in Form einer Gasflasche 14, über welche ein Schneidgas, das in der Regel Stickstoff und/oder Sauerstoff enthält, über eine Leitung zum Laserbearbeitungskopf 20 transportiert und gemeinsam mit dem Laserstrahl L unter einem vorgegebenen Druck durch eine Schneiddüse auf ein zu bearbeitendes - hier plattenförmiges - Werkstück 30 gerichtet wird. Das Werkstück 30 ist zur Bearbeitung durch den Bearbeitungsstrahl aus Laserstrahl L und Schneidgasstrahl auf einer Werkstückauflage 20 gelagert. Durch eine Relativbewegung zwischen Werkstück 30 und Laserschneidkopf 20 wird das Werkstück 30, das vorzugsweise ein metallisches Werkstück 30 ist, lokal aufgeschmolzen und die entstandene Schmelze nach unten ausgetrieben, sodass ein Schnittspalt 32 in dem Werkstück 30 entsteht. Die Laserschneidanlage 10 umfasst ferner eine Steuerungseinrichtung, die programmiert ist, den Schneidkopf 20 entsprechend einer Schneidkontur relativ zum Werkstück 30 zu verfahren.

Figur 2a zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Laserschneidkopf 20 mit einem Strahlengang in sogenannter Z-Faltung. Der Strahlengang wird durch eine Optikanordnung innerhalb des Laserschneidkopfes 20 vorgegeben. Der Laserstrahl L tritt durch eine Eintrittsöffnung 21 in den Laserschneidkopf 20. Vorzugsweise kann die Eintrittsöffnung 21 als Anschlussbuchse für ein Lichtleitkabel ausgebildet sein, über welches der Laserstrahl L von einer Laserstrahlquelle zum Laserschneidkopf 20 transportiert wird. Der aus dem Lichtleitkabel austretende divergierende Laserstrahl L wird mittels einer Kollimationslinse 22 kollim iert. Der kollim ierte Laserstrahl L wird anschließend über einen Umlenkspiegel 23 derart umgelenkt, dass er unter einem vordefinierten Einfallwinkel auf den Scannerspiegel 242 einer Scannereinheit 24 gerichtet wird, die hängend im Laserschneidkopf 20 angeordnet ist. Die Scannereinheit 24 ist dazu eingerichtet, den Scannerspiegel 242 in einem vergleichsweise kleinen Bewegungsintervervall von bis zu ±2°, vorzugsweise von bis zu ±0,3°, gegenüber einer Ruhelage um zwei Rotationsachsen zu verkippen. Die Scannereinheit 24 umfasst auch eine Blende 246, die vor dem Scannerspiegel 242 angeordnet ist und die empfindliche Scannermechanik vor ungewollter Bestrahlung abschirmt. Der Laserstrahl L wird an dem Scannerspiegel 242 um einen Winkel a, der höchsten 60°, bevorzugt höchstens 45°, noch bevorzugter höchstens 30°, also das doppelte des erfindungsgemäßen Einfallwinkels beträgt, abgelenkt und auf eine Austrittsöffnung 28 des Laserschneidkopfes 20 gerichtet. Die Ablenkung kann abhängig von der Kippstellung des Scannerspiegels 242 leicht variieren. Auf dem Weg zur Austrittsöffnung 28, die vorzugsweise als Schneiddüse ausgebildet ist, wird der Laserstrahl L durch eine Negativlinse 25 zunächst aufgeweitet und anschließend durch eine Fokussierlinse 26 in Richtung der Austrittsöffnung 28 fokussiert, über die er den Laserschneidkopf 20 gemeinsam mit einem Schneidgasstrahl (nicht dargestellt) verlässt und als Schneidstrahl auf ein zu bearbeitendes Werkstück gerichtet wird.

Durch die gesteuerte Verkippung des Scannerspiegels 242 kann der Laserstrahl L in einem vorbestimmten Bewegungsintervall innerhalb der Austrittsöffnung 28, also innerhalb der Schneiddüse sehr schnell in einer Ebene (hier x-y-Ebene) quer zur Austrittsrichtung abgelenkt werden. Der primären Vorschubbewegung des Schneidstrahls während eines Schneidvorgangs kann also eine vergleichsweise kleine und schnelle Sekundärbewegung des Laserstrahls überlagert sein. Durch diese überlagerte sekundäre Pendelbewegung bzw. Scanner-Bewegung des Laserstrahls L kann der Schneidprozess gezielt beeinflusst werden, beispielsweise der Schnittspalt stellenweise verbreitert oder die Schnittfrontneigung verändert werden.

Die Steckeraufnahme des Steckerbuchse an der Eintrittsöffnung 21 des Laserschneidkopfes 20 und/oder die Kollimationslinse 22 können quer zum Strahlengang (hier in X-Richtung) verschiebbar sein. Ferner kann der Umlenkspiegel 23 rotatorisch gelagert sein und somit eine Neigungsjustage aufweisen. Dadurch kann der Laserstrahl L exakt auf ein Zentrum des Scannerspiegels 242 ausgerichtet werden. Die Negativlinse 25 kann entlang des Strahlengangs (hier in Z-Richtung) verschiebbar gelagert sein. Durch eine Verschiebung der Negativlinse 25 in Z- Richtung kann die Fokuslage Lf des Laserstrahls auf einfache Weise verändert werden.

Figur 2b zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Laserschneidkopf 20 der sich von dem Laserschneidkopf 20 gemäß Figur 2a durch die Anordnung der optischen Elemente und somit durch den Verlauf des Strahlengangs unterscheidet. Der Strahlengang gemäß Figur 2b beschreibt eine sogenannte „Delta-Faltung“. Wesentlicher Unterschied zu der Z-Faltung gemäß Figur 2a ist die Orientierung der Eintrittsöffnung 21 senkrecht (und nicht parallel) zur Austrittsöffnung 28. Eine waagerechte Anordnung der Eintrittsöffnung 21 ist in der Regel weniger kontaminationsanfällig als eine senkrechte Anordnung. Durch die waagerechte Anordnung der Eintrittsöffnung 21 ist die Kollimationslinse 22 stehend im Laserschneidkopf 20 orientiert. Eine stehende Anordnung der Kollimationslinse 22 ist ebenfalls weniger kontaminationsanfällig, da sich Partikel nicht so leicht auf der Linsenoberfläche ablegen können.

Die Figuren 3a und 3b zeigen jeweils eine erfindungsgemäße Scannereinheit 24 in einer Schnittansicht. Die Scannereinheit 24 umfasst einen Scannerspiegel 242, der seitlich in einer Spiegelfassung 243 gelagert ist. Die Einheit aus Scannerspiegel 242 und Spiegelfassung ist wiederum über eine mechanische Aufhängung in einem Rahmen 241 beweglich gelagert. Beispielsweise kann die Spiegelfassung 243 an vier gleichmäßig über ihren Umfang verteilten Stellen durch ein Festkörpergelenk aufgehangen sein. Eine Antriebseinheit 244 (hier durch gestrichelte Kästchen angedeutet) ist dazu eingerichtet, die Spiegelfassung 243 zusammen mit dem Scannerspiegel 242 um wenigstens zwei, vorzugsweise senkrecht zueinander orientierte Rotationsachsen mit hoher Frequenz zu verkippen. Der Scannerspiegel 242 samt Spiegelfassung 243 und die Antriebseinheit 244 können beispielsweise ausgeführt sein wie in der EP4000789A2 beschrieben, wobei die Magnetpaare des Scannerantriebs vorzugsweise an der Spiegelfassung 243 angeordnet sein können.

Die Scannereinheit 24 umfasst ferner eine Blende 246, die eine trichterförmige Innenwand 245 aufweist, wobei die Innenwand 245 gegenüber einer Flächennormalen des Scannerspiegels 242 (in einer Ruhelage des Scannerspiegels 242) einen maximalen Neigungswinkel von 30°, bevorzugt 22,5°, noch bevorzugter 15° aufweist. Der kleinste Öffnungsdurchmesser der Blende 246 auf der dem Scannerspiegel 242 zugewandten Seite ist kleiner als die Apertur des Scannerspiegels 242. Auf diese Weise können die Spiegelfassung 243 und der Scannerantrieb 244 wirksam durch die Blende abgeschirmt und vor ungewollter Bestrahlung geschützt werden. An der Rückseite des Scannerspiegels 242 ist eine Wärmeabführeinheit 248 in Form einer Wärmesenke 248 angeordnet. Die Blende 246 und die Wärmesenke 248 sind durch den seitlichen Rahmen 241 der Scannereinheit 24 miteinander verbunden. Zum Schutz vor Verschmutzungen der Antriebseinheit ist eine elastische Dichtungsmembrane 245 zwischen der Spiegelfassung 243 und dem seitlichen Rahmen 241 angeordnet.

Die Blende 246 und die Wärmesenke 248 sind jeweils durch einen schmalen Spalt von dem Scannerspiegel 242 und Spiegelfassung 243 beabstandet, um deren Bewegungsfreiheit beim Verkippen zu gewährleisten. Gleichzeitig sind die Abstände der Blende 242 und/oder der Wärmesenke 248 zu dem Scannerspiegel 242 und der Spiegelfassung 243 möglichst geringgehalten, um eine effiziente Wärmeabfuhr zu gewährleisten. Zur Verbesserung der Wärmeabfuhr aus dem Scannerspiegel 242 und/oder der der Spiegelfassung 243 bestehen die Blende 246 und die Wärmesenke 248 vorzugsweise aus Stahl oder einem anderen Material mit guten Wärmeleiteigenschaften. Ferner können die Blende 246 und die Wärmesenke 248 aktiv gekühlt sein. Letzteres begünstig die Einstellung von natürlicher Konvektion in dem geringen Luftspalt. Dazu können sie jeweils einen oder mehrere Kühlkanäle 247 aufweisen. Über Kühlfluidanschlüsse 249 können die Kühlkanäle an einen Kühlkreislauf angeschlossen sein, bei dem ein flüssiges oder gasförmiges Kühlfluid durch die Kühlkanäle strömt und dabei Wärme aus der Blende 246 und/oder der Wärmesenke 248 abgeführt wird.

Bezugszeichenliste

10 Laserschneidanlage

12 Laserstrahlquelle

14 Schneidgaszufuhr

16 Werkstückauflage

20 Laserschneidkopf

21 Eingangsöffnung

22 Kollimationslinse

23 Umlenkspiegel

24 Scannereinheit

241 Rahmen

242 Scannerspiegel

243 Spiegelfassung

244 Antriebseinheit

245 Dichtungsmembran

246 Blende

2462 Innenwand der Blende

247 Kühlkanal

248 Wärmeabführelement

249 Kühlfluidanschluss

25 Negativlinse26 Fokussierlinse

28 Austrittsöffnung

30 Werkstück

32 Schnittspalt

L Laserstrahl

L _f Fokus des Laserstrahls a Umlenkwinkel am Scannerspiegel