Techni sches Anwendungsgebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine

Vorrichtung zur Erzeugung einer räumlich modulierbaren Leistungsdichteverteilung aus Laserstrahlung,

insbesondere zur Lasermaterialbearbeitung, bei der mehrere Laserstrahlen aus Lichtleitfasern mit einer optischen Anordnung und einer gemeinsamen Scan- einrichtung auf eine Zielebene gerichtet und über die Zielebene geführt werden können.

Im Bereich der Lasermaterialbearbeitung ist die Prozessgeschwindigkeit durch unterschiedliche Einflüsse begrenzt. Zum einen kann der Bearbeitungsprozess selbst die Geschwindigkeit begrenzen. Dies ist beispielsweise beim Prozess des selektiven Laserschmelzens (SLM) der Fall, bei dem die Umschmelzung des Metallpulvers in der Praxis mit einer maximalen Geschwindigkeit von ca. 1 m/s erfolgen kann. Zum anderen kann auch die verfügbare Laserleistung oder die Trägheit der Scaneinrichtung die Prozessgeschwindigkeit begrenzen. Eine Steigerung der Prozessgeschwindigkeit ist jedoch gerade bei Einsatz der Laserbearbeitung im industriellen Umfeld sehr wichtig.

Stand der Technik

Der bisher bei der Lasermaterialbearbeitung verfolgte Ansatz besteht darin, die Prozessgeschwindig- keit durch Parallelisierung, also gleichzeitige Bearbeitung mit mehreren Laserstrahlen, zu erhöhen. Für diese Parallelisierung sind unterschiedliche Techniken bekannt . So ist es beispielsweise bekannt, einen

Laserstrahl durch Beugung an einem diffraktiven

optischen Element (DOE) in mehrere Teilstrahlen

aufzuspalten und über einen Scanner auf das Werkstück zu richten. Die Teilstrahlen können hierbei jedoch nicht getrennt voneinander räumlich und zeitlich moduliert werden, so dass die Anwendungsbandbreite dieser Technik begrenzt ist.

Für eine breitere Anwendung wird auch eine

Bearbeitung auf Basis mehrerer, parallel angeordneter Diodenlaser vorgeschlagen. Die Strahlformung und

Führung erfolgt dabei jeweils für jeden Diodenlaser über ein eigenes optisches System und einen eigenen Galvanometerscanner.

Aus der DE 102013011676 A1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zur generativen Bauteilfertigung bekannt, bei denen in einem Bearbeitungskopf mehrere voneinander getrennte Laserstrahlen geführt und

nebeneinander und/oder überlappend auf die

Bearbeitungsebene gerichtet werden. Der Bearbeitungs- kopf wird mit Hilfe einer Bewegungseinrichtung über die Bearbeitungsebene bewegt, während die voneinander getrennten Laserstrahlen voneinander unabhängig in der Intensität moduliert werden können, um die gewünschte

Belichtungsgeometrie zu erhalten. Eine ähnliche Technik ist auch in der US 2017/0021454 A1 beschrieben. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur Erzeugung einer räumlich modulierbaren Leistungsdichteverteilung aus

Laserstrahlung anzugeben, die eine parallelisierte Lasermaterialbearbeitung ermöglicht und sich noch flexibler einsetzen lässt.

Darstellung der Erfindung

Die Aufgabe wird mit der Vorrichtung gemäß

Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sind Gegenstand der abhängigen

Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.

Die vorgeschlagene Vorrichtung weist entweder eine Faseranordnung aus mehreren in einer Faseraufnahme nebeneinander angeordneten Lichtleitfasern oder eine Aufnahmeeinrichtung für mehrere Faserstecker oder

Faserkollimatoren mit fest verbundenen Lichtleitfasern nebeneinander auf, wobei in allen Fällen Faser- austrittsflächen der Lichtleitfasern ein ein- oder zweidimensionales Array bilden. Die Vorrichtung weist weiterhin eine optische Anordnung, mit der aus den Faseraustrittsflächen der Lichtleitfasern austretende

Laserstrahlen auf eine Zielebene fokussierbar sind, und eine allen Laserstrahlen gemeinsame Scaneinrichtung auf, mit der die Laserstrahlen über die Zielebene geführt bzw. bewegt werden können. Die Vorrichtung zeichnet sich durch eine Dreheinrichtung aus, mit der zumindest die Faseraufnahme oder Aufnahmeeinrichtung oder eine aus dem ein- oder zweidimensionalen Array resultierende Verteilung der Laserstrahlen um eine parallel zu den Laserstrahlen verlaufende Achse, vorzugsweise um eine bezüglich der Verteilung der

Laserstrahlen zentrale Achse bzw. Symmetrieachse, drehbar ist.

Die vorgeschlagene Vorrichtung ermöglicht durch diesen Aufbau, die Leistungsdichteverteilung der

Laserstrahlung in Materialbearbeitungsprozessen, beispielsweise beim Materialabtrag mittels Ultrakurz- puls-Laserstrahlung oder beim selektiven Laserschmelzen oder Auftragsschweißen räumlich zu skalieren und auf diese Weise die Prozessgeschwindigkeit zu steigern. Die Lasermaterialbearbeitung wird dabei mit mehreren nebeneinander angeordneten, gegebenenfalls auch

zumindest teilweise überlappenden, Laserspots in der Zielebene durchgeführt, wobei die einzelnen

Laserstrahlen durch eine gemeinsame Strahlformung geführt und mittels einer gemeinsamen Scaneinrichtung, bspw. einer dynamischen Strahlablenkeinheit, über die Zielebene geführt werden, die bei der Lasermaterial- bearbeitung der Werkstückoberfläche entspricht. Die optische Ausgangsleistung der einzelnen Lichtleitfasern kann dabei über die zugrunde liegenden Laserquellen oder diesen vorgeschaltete Modulatoren individuell moduliert werden, so dass einzelne Laserspots für die Bearbeitung hinzu- oder abgeschaltet werden. Effektiv kann auf diese Weise z.B. die Gesamt-Spurbreite der in der Zielebene aus den einzelnen Laserspots erzeugten Intensitätsverteilung variiert werden.

Diese Intensitätsverteilung bzw. Leistungsdichte- verteilung in der Zielebene kann bei der vorge- schlagenen Vorrichtung durch die Dreheinrichtung gedreht und damit zusätzlich angepasst werden. Dies ist vor allem bei Erzeugung einer langgestreckten

Leistungsdichte- bzw. Intensitätsverteilung,

insbesondere durch Nutzung eines entsprechend

langgestreckt bzw. länglich ausgebildeten ein- oder mehrzeiligen Arrays der Faseraustrittsflächen der

Lichtleitfasern, von großem Vorteil, da beispielsweise die Gesamtspurbreite bei Führung der Intensitäts- verteilung in der Zielebene zunächst in einer und anschließend in der dazu senkrechten Richtung durch entsprechende Drehung des Intensitätsprofils

unverändert beibehalten werden kann.

Mit der Dreheinrichtung kann weiter die Drehung des Strahlprofils korrigiert werden, welche als

Nebeneffekt bei der Strahlablenkung durch drehende Spiegel (z.B. 2D-Galvanometer-Scanner) auftritt.

Mit der Dreheinrichtung kann ebenfalls die

Orientierung des Strahlprofils so eingestellt werden, dass eine Laserbearbeitung aus zwei orthogonalen

Richtungen möglich ist. Dies ist bei additiven

Fertigungsverfahren wie dem Selective Laser Melting (SLM) vorteilhaft, um die Festigkeit der additiv gefertigten Bauteile zu erhöhen.

Bei der Dreheinrichtung kann es sich

beispielsweise um eine Dreheinrichtung für die

Faseraufnahme oder die Aufnahmeeinrichtung für die Faserstecker oder Faserkollimatoren handeln, die diese dann mechanisch um eine vorzugsweise zentrale Achse dreht. Auch eine Dreheinrichtung für den gesamten

Bearbeitungskopf ist möglich. Eine weitere, besonders vorteilhafte Möglichkeit besteht darin, die Drehung über eine optische Einrichtung vorzunehmen, die im Strahlengang der Laserstrahlen angeordnet ist und entsprechend gedreht wird. Hierbei handelt es sich vorzugsweise um ein Dove-Prisma, das über eine

geeignete Mechanik um seine Längsachse drehbar

ausgebildet ist. Anstelle des Dove-Prismas lassen sich auch andere optische Anordnungen einsetzen, beispiels- weise eine geeignete Spiegelanordnung, die entsprechend drehbar ausgebildet ist. Die Drehung selbst wird vorzugsweise über einen geeigneten, beispielsweise elektromotorischen, Drehantrieb realisiert.

Bei der allen Laserstrahlen gemeinsamen

Scaneinrichtung kann es sich um ein konventionelles dynamisches Strahlablenksystem wie beispielsweise einen Galvanometer- oder Polygonscanner handeln. Auch ein Portalachssystem kann eingesetzt werden, mit dem die Laserstrahlen über die Zielebene bewegt werden. Die Scaneinrichtung kann auch aus einer Kombination

unterschiedlicher Scanner gebildet sein.

In einer Ausgestaltung der vorgeschlagenen

Vorrichtung wird eine Faseranordnung aus mehreren in einer Faseraufnahme nebeneinander verlaufenden

Lichtleitfasern eingesetzt. Die Lichtleitfasern sind dabei in der Faseraufnahme eng nebeneinander

angeordnet, wobei der Abstand der Faserkerne

vorzugsweise geringer als die vierfache Dicke des Fasermantels ist und vorzugsweise der doppelten Dicke des Fasermantels entspricht. In einer derartigen

Ausgestaltung weist die optische Anordnung dann vorzugsweise einen Kollimator und eine Fokussieroptik auf .

In einer vorteilhaften Weiterbildung befinden sich (in Strahlrichtung der Laserstrahlen) hinter den

Faseraustrittsflächen Mikrolinsen, die so angeordnet und dimensioniert sind, dass aus den Faseraustritts- flächen austretende Laserstrahlung jeweils benachbarter Lichtleifasern in einer ersten Ebene (in Strahlrichtung der Laserstrahlen) hinter den Mikrolinsen überlappt.

Auf diese Weise wird aus den einzelnen Laserstrahlen in dieser ersten Ebene eine zusammenhängende Intensitäts- verteilung erzeugt. Vorzugsweise wird diese zusammen- hängende Intensitätsverteilung dann mit Hilfe einer ersten Optik der optischen Anordnung verkleinert auf eine zweite Ebene abgebildet. Erst im Anschluss an diese zweite Ebene sind dann der Kollimator und die Fokussieroptik zur Fokussierung in Richtung der Ziel- ebene angeordnet. Auf dieser Weise wird in der

Zielebene trotz der Abstände der einzelnen Lichtleit- faserkerne in der Faseraufnahme und des damit

zusammenhängenden reduzierten Füllfaktors eine

zusammenhängende Intensitätsverteilung erreicht. Die Problematik eines geringen Füllfaktors tritt

insbesondere bei Nutzung von Singlemode-Fasern auf. Bei Nutzung von Multimodefasern ist aufgrund des höheren Durchmessers der Faserkerne bei gleichem Abstand zwischen den einzelnen Faserkernen der Füllfaktor deutlich höher, so dass in diesem Fall gegebenenfalls auf die Anordnung der Mikrolinsen und die erste

optische Anordnung vollständig verzichtet werden kann. Die Nutzung einer Faseraufnahme für viele eng beieinander liegende Lichtleitfasern hat den Nachteil, dass ein Austausch einzelner Fasern nicht oder nur mit sehr großem Aufwand möglich ist. In einer weiteren Ausgestaltung der vorgeschlagenen Vorrichtung wird daher eine Aufnahmeeinrichtung für mehrere Faserstecker oder Faserkollimatoren mit fest verbundenen Lichtleit- fasern, also für konventionelle Anschlüsse an Licht- leitfasern, insbesondere festverbundene Faser- kollimatoren oder standardisierte Faserstrecker (z.B. QBH) , eingesetzt. Im Anschluss an diese Aufnahmeein- richtung ist dann eine optische Einrichtung angeordnet, mit der der gegenseitige Abstand der aus den

Faseraustrittsflächen der Lichtleitfasern austretenden Laserstrahlen vor einem Eintritt in die optische

Anordnung und Scaneinrichtung reduziert wird. Dies kann beispielsweise durch eine geeignete Anordnung mehrerer Spiegel und/oder Prismen und/oder Linsen erfolgen.

Durch diese Skaliereinrichtung werden die großen

Abstände der Fasern aufgrund der konventionellen

Anschlüsse auf das für die vorgeschlagene Vorrichtung erforderliche Maß reduziert. Der besondere Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass die

Lichtleitfasern und Laser modular bleiben und bei

Bedarf schnell ausgetauscht werden können.

Die vorgeschlagene Vorrichtung eignet sich vor allem für die parallelisierte Lasermaterialbearbeitung. Selbstverständlich ist die Vorrichtung jedoch nicht auf den Bereich der Lasermaterialbearbeitung beschränkt und lässt sich auch für andere Anwendungen einsetzen, bei denen eine parallele Abtastung eines Objekts mit Laserstrahlung einer modulierbaren Leistungsdichte- verteilung erforderlich oder von Vorteil ist. Durch Nutzung eines gemeinsamen Strahlablenksystems bzw.

einer gemeinsamen Scaneinrichtung weist die Vorrichtung eine geringe Komplexität auf, die mechanisch weniger anfällig ist, einen geringeren Bauraum beansprucht und kostengünstiger zu realisieren ist als Anordnungen mit einer Vielzahl von Scaneinrichtungen. Bei Verwendung eines Polygonscanners, z.B. mit variierendem Kippwinkel der einzelnen Spiegelfacetten, kann eine erhebliche Steigerung beispielsweise von Abtrags-, Strukturier- oder Markierprozessen erzielt werden. Dies setzt eine entsprechende Modulierung der Strahlquellen voraus. Die Modulation kann z.B. über akusto- oder elektrooptische Schalter realisiert werden, die Frequenzen von über 1

MHz erreichen. Die Vorrichtung ist hinsichtlich der Art der Strahlquellen und somit auch hinsichtlich des

Einsatzgebietes flexibel. So können beispielsweise sowohl in Multimode-Fasern eingekoppelte Diodenlaser, Singlemode-Faserlaser als auch in photonische Fasern eingekoppelte Ultra-Kurzpuls-Laser verwendet werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die vorgeschlagene Vorrichtung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer

ersten Ausgestaltung der vorgeschlagenen Vorrichtung; Fig. 2 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Faseranordnung in der Faseraufnahme der ersten Ausgestaltung;

Fig. 3 eine schematische Darstellung der

Faseranordnung der Fig. 2 mit zusätzlichen Mikrolinsen;

Fig. 4 eine Querschnittsdarstellung der

Anordnung der Fig. 3;

Fig. 5 eine schematische Darstellung des

optischen Systems bis zum Kollimator bei der Ausgestaltung der Figuren 3 und 4;

Fig. 6 eine schematische Darstellung der

Leistungsdichteverteilungen in den in Fig. 5 dargestellten Ebenen;

Fig. 7 eine schematische Darstellung einer um die Symmetrieachse drehbaren Faser- anordnung;

Fig. 8 eine schematische Darstellung der

Faseranordnung mit der Dreheinrichtung;

Fig. 9 eine schematische Darstellung der

parallelen Bearbeitung unter Einsatz eines Polygon-Scanners;

Fig. 10 eine schematische Darstellung der

Bearbeitungsspuren auf dem Werkstück bei der Bearbeitung gemäß Fig. 9; Fig. 11 eine schematische Darstellung der parallelen Bearbeitung unter Einsatz eines Galvanometer-Scanners;

Fig. 12 eine schematische Darstellung der

parallelen Bearbeitung unter Einsatz eines Portal-Achssystems;

Fig. 13 eine schematische Darstellung zweier

Beispiele der parallelen Bearbeitung unter Nutzung der Dreheinrichtung;

Fig. 14 eine schematische Darstellung einer

zweiten Ausgestaltung der

vorgeschlagenen Vorrichtung;

Fig. 15 eine schematische Darstellung einer

dritten Ausgestaltung der

vorgeschlagenen Vorrichtung;

Fig. 16 eine schematische Darstellung der

Ausgestaltungen der Figuren 14 und 15 mit der anschließenden Strahlskalierung und Drehung mit Hilfe eines Dove- Prismas;

Fig. 17 eine zu Figur 16 senkrechte Ansicht der

Ausgestaltung der Figuren 14 und 15; und

Fig. 18 eine schematische Darstellung der

parallelen Bearbeitung beim Laserauftragsschweißen unter Einsatz einer Pulverdüse.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Die vorgeschlagene Vorrichtung ermöglicht

Lasermaterialbearbeitung mit mehreren nebeneinander angeordneten Laserspots, die durch eine gemeinsame Strahlformung geführt und mittels einer gemeinsamen Ablenk- bzw. Scaneinheit über das Werkstück geführt werden. Fig. 1 zeigt hierzu eine schematische

Darstellung einer ersten beispielhaften Ausgestaltung der vorgeschlagenen Vorrichtung. Dabei werden n

Lichtleitfasern F _i nebeneinander in einer ein- oder zweidimensionalen Faseranordnung angeordnet. Die aus diesen Fasern F _i austretenden Laserstrahlen 6

durchlaufen zunächst eine Dreheinrichtung 1, mit der die Verteilung der Laserstrahlen 6 um eine parallel zu den Laserstrahlen verlaufende Achse gedreht werden kann. Anschließend erfolgt eine Kollimation in einem Kollimator 2 und die dynamische Strahlablenkung bzw. Strahlführung mit einem Scanner 3. Die Fokussierung auf das Werkstück 5 erfolgt in diesem Beispiel über ein F- Theta-Obj ektiv 4. Die Dreheinrichtung 1 ist in diesem Beispiel mittels einer drehbaren optischen Einrichtung realisiert, kann jedoch auch durch Drehung der

Faseraufnahme oder auch zwischen Kollimator 2 und

Scanner 3 erfolgen.

Fig. 2 zeigt in Abbildung a) ein Beispiel für eine Anordnung der Lichtleitfasern F _i in einer Reihe in der Faseraufnahme A. Die Fasern sind in dieser Faser- aufnahme A eingebettet und weisen jeweils einen Mantel M und Kern K auf, wie in der rechten Abbildung b) der Figur ausschnittsweise vergrößert dargestellt ist. Die optische Ausgangsleistung I _i (t) der einzelnen

Lichtwellenleiter-Kanäle kann individuell moduliert werden, so dass einzelne Laserspots für die Bearbeitung hinzu- oder abgeschaltet werden können. Effektiv kann so z.B. die Gesamt-Spurbreite der Laserbearbeitung auf dem Werkstück variiert werden. Die Faserkerne sind in der Faseranordnung mit einem Abstand Δx bzw. Δy angeordnet, wobei die untere Grenze durch die Stärke des Mantels M der Fasern vorgegeben wird. Bei einem typischen Manteldurchmesser von ca. 200 μm und einem Singlemode-Faserkern- durchmesser von ca. 10 μm ergäbe sich bei einer

direkten Abbildung der Faserkerne K _i auf das Werkstück ein geringer Füllfaktor, d.h. große Lücken zwischen den Bearbeitungsspuren S _i auf dem Werkstück. In der

vorliegenden Ausgestaltung wird zur Lösung dieses Problems vor jeder Faser eine (Mikro- ) Linse ML

angebracht, wie dies in Fig. 3 schematisch angedeutet ist. Die Linsen ML _i dieser Linsenanordnung LA vor der Faseranordnung FA werden hierbei nahezu vollständig ausgeleuchtet. Die Strahlung hinter den Linsen wird jedoch nicht vollständig kollimiert, so dass in der

Ebene E ' hinter den Linsen ein nennenswerter Überlapp benachbarter Strahlungskegel auftritt. Dies ist in der Schnittdarstellung der Fig. 4 zu erkennen. Diese Figur zeigt die konfektionierte Faseranordnung FA mit der davor gesetzten Linsenanordnung LA. In der Nahfeld- Ebene E' liegt eine nahezu lückenlose Intensitäts- verteilung vor. E stellt hierbei die Austrittsebene der Laserstrahlung aus den Lichtleitfasern F _i dar. In der Ebene E' ist der Spotdurchmesser

vergrößert, beispielsweise um einen Faktor 10. Wird nun diese Ebene E ' durch ein kompaktes verkleinerndes Linsensystem, beispielsweise bestehend aus zwei Linsen L ₁ und L ₂ , um den Faktor 10 wiederum verkleinert, so liegt in der Ebene E'' eine nahezu lückenlose Multi- Spotverteilung mit hohem Füllfaktor und der

ursprünglichen lateralen Breite der Faseraustritts- flächen vor. Dieser Aufbau ist schematisch in Fig. 5 dargestellt. Die Leistungsdichteverteilung in den unterschiedlichen Ebenen E, E' und E'' zeigt Fig. 6 in den Teilabbildungen a) , b) und c) . Die Ebene E'' kann mit üblichen Kollimations- und F-Theta-Optiken in die Ebene E''' des Werkstücks abgebildet werden.

Die Mikrolinsen hinter den Faserfacetten (Faser- austrittsflächen) können zu einer (monolithischen) Linsenanordnung LA zusammengefasst werden, welche als Einheit an die Faseraufnahme A montiert werden kann.

Diese Anordnung von Fasern und Linsen wird im Folgenden als Linsen-Faser-Anordnung FLA bezeichnet. Die Linsen und die Linsenanordnung können z.B. aus Diamant

gefertigt werden. Damit können die Abmessungen des optischen Systems deutlich reduziert werden, da dieser Werkstoff aufgrund seiner hervorragenden thermischen Eigenschaften vergleichsbare hohe Leistungsdichten auf den optischen Flächen zulässt. Im Falle von Multimode-Fasern ist der Füllfaktor, also das Verhältnis von Kerndurchmesser zu Manteldurch- messer wesentlich größer, so dass gegebenenfalls auf die oben beschriebene Anordnung aus Mikrolinsen und die Optik zur Verkleinerung der Ebene E' verzichtet werden kann. Stattdessen können die Faserfacetten direkt - oder auch eine Ebene im Nahfeld der Facerfacetten - in die Ebene E''' des Werkstücks abgebildet werden, beispielsweise direkt über Kollimator KO und F-Theta- Linse .

Die Faseranordnung FA bzw. die Faser-Linsen- Anordnung ist im vorliegenden Beispiel mittels einer Dreheinrichtung bzw. Drehachse DA mindestens um 90° um die Symmetrieachse R (vgl. Fig. 8) drehbar, wie in Fig. 7 in den Teilabbildungen a) und c) schematisch

dargestellt ist. Durch diese Drehbarkeit sind die

Spuren S _i der Laserstrahlen auf dem Werkstück bei geeigneter Führung auf einfache Weise kreuzweise überlagerbar. Die kreuzweise Überlagerung ist z.B. beim SLM-Verfahren üblich, um die Bauteilfestigkeit zu erhöhen. Außerdem können durch die Drehung kontinuier- liche Multispot-Bahnkurven gefahren werden. Beide

Varianten sind beispielhaft in den beiden Teilab- bildungen a) und b) der Fig. 13 dargestellt. Ebenso kann durch die Drehung der Faseranordnung der effektive Spurabstand und die Gesamtspurbreite reduziert werden (vgl. Teilabbildungen b) und d) der Fig. 7), was insbesondere bei der Verwendung von Multimode-Fasern an Bedeutung gewinnt. Fig. 7 zeigt hierbei beispielhaft eine Drehung der Faseranordnung um einen Winkel θ =

45°. Ist die Faseranordnung in y-Richtung ausgerichtet, so ist der Spurabstand Δy für θ = 0° senkrecht zur Vorschubrichtung VR maximal. Bei einer Drehung um den Winkel θ > 0°bewirkt die Drehung entlang der

Vorschubrichtung VR eine Reduzierung der effektiven Spurbreite. Die einzelnen Spuren S _i liegen dann auch näher beieinander bzw. überlappen stärker. Wird die Faseranordnung FA komplett in Richtung der

Vorschubrichtung VR gedreht (θ = 90°), so werden alle Strahlquellen bzw. Spots in einer Spur überlagert. Dies kann z.B. genutzt werden, um ein Werkstück, bspw. ein Blech, nach einer Laser-Strukturierung mit höherer Leistungsdichte zu schneiden.

Die Herstellung der Faseranordnung FA kann

beispielsweis mit Hilfe des selektiven Laserätz-

Verfahrens (SLE) erfolgen. Dabei werden Kanäle in der bspw. aus Quarz gefertigten Faseraufnahme A erzeugt, in die die Lichtleitfasern dann eingesteckt und verklebt oder verschmolzen werden.

Es können gewöhnliche Multi-und Singlemode-Fasern und auch photonische Fasern (PCF) , z.B. Hohlkern- Fasern, bei der Vorrichtung verwendet werden. Damit lässt sich eine Vielzahl von Laserstrahlquellen nutzen, beispielsweise CW-Faserlaser für die additive Fertigung und Laserpolieren oder UKP-Laser für Materialabtrag und Strukturierung .

Die aus der Zielebene, z.B. von einem metallischen Werkstück, zurückreflektierte Strahlung kann zu einer

Erwärmung der Faseraufnahme A und der Fasern führen. Um die Wärme abzuführen kann die Faseraufnahme zusätzlich zu den Faserkanälen auch Kühlkanäle enthalten, welche ebenfalls mit dem SLE-Verfahren in die Faseraufnahme eingebracht werden können. Die Kühlkanäle können z.B. mit (gegebenenfalls gefärbtem) Wasser durchströmt werden. Um zu verhindern, dass reflektierte Strahlung in den Fasermantel zurückgekoppelt wird, können die Fasern mit der Faseraufnahme verklebt werden

(Modestripping) . Des Weiteren können auch Maßnahmen zur Unterdrückung von Rückreflexen in die Faseranordnung integriert werden, z.B. Antireflexverspiegelungen und gegebenenfalls Anspleißen eines entspiegelten

Quarzblocks .

Fig. 8 zeigt in den Teilabbildungen a) und b) eine schematische Darstellung der konfektionierten Linsen- und Faseranordnung FLA mit dem angebundenen Faserbündel FB, die mittels einer Drehachse DA um die Symmetrie- achse R rotierbar ist. Die Drehachse DA kann

beispielsweise elektromotorisch angetrieben werden. In Fig. 9 ist eine Ausführungsform zur parallelen

Materialbearbeitung mittels Polygonscanner PS

schematisch dargestellt. Die durch die Faser- und

Linsenanordnung FLA erzeugte Intensitätsverteilung (in Ebene E ' ) wird dabei über die Linsen L ₁ und L ₂

verkleinert (vgl. Figuren 5 und 6) und die

Laserstrahlen anschließend durch den Kollimator KO kollimiert. Die Fokussiereinzeit ZS ist variabel (z- Shift) , so dass in diesem Fall kein F-Theta-Obj ektiv erforderlich ist. Die Spiegelflächen bzw.

Spiegelfacetten SF _i des Polygonscanners PS sind mit ansteigendem Winkel verkippt. Die Multi-Zeile Z ₁ auf dem Werkstück WS wird mittels Spiegelfacette SF ₁ in Vorschubrichtung VR abgefahren (Teilabbildung a) der Fig. 9) . Die Multi-Zeile Z ₂ wird durch die verkippte Spiegelfacette SF ₂ abgefahren (Teilabbildung b) der Fig. 9) usw., wie dies in den Figuren 9 und 10

schematisch angedeutet ist. In Fig. 10, einer

Darstellung der Laserspuren auf dem Werkstück WS, werden hierbei die Spuren S ₁ ... S _n von links nach rechts in Vorschubrichtung VR durchfahren. Am Ende von Zeile Z ₁ erfolgt dann ein Strahlversatz zum Anfang von Zeile Z ₂ usw.

Während die Ausgestaltung der Figuren 9 und 10 vor allem für Oberflächenstrukturierung und Abtrag geeignet ist, zeigt Fig. 11 eine Ausführungsform für Anwendungen im Bereich des selektiven Laserschmelzens (SLM) . Hier wird die parallele Bearbeitung mittels Galvanometer-

Scanner GS dargestellt. Wie beim vorangehenden Beispiel erfolgt auch hier eine Vorfokussierung ohne F-Theta- Objektiv. Der Aufbau der Vorrichtung ist mit Ausnahme der unterschiedlichen Scaneinrichtung identisch dem der Figur 9. Durch Drehung der Faser- und Linsenanordnung

FLA mit Hilfe der Drehachse DA um 90° können bei dieser Ausführungsform orthogonale Spuren in der Prozessebene E''' (Oberfläche des Werkstücke WS) abgefahren werden, wie dies beispielhaft in den beiden Teilabbildungen a) und b) der Fig. 11 angedeutet ist. Dadurch kann z.B. die Bauteilfestigkeit bei SLM-Prozessen erhöht werden.

Eine dritte Ausführungsform, insbesondere für Anwendungen im Bereich des selektiven Laserschmelzens (SLM), ist beispielhaft in Teilabbildung a) der Fig. 12 dargestellt. In diesem Beispiel erfolgt die parallele Bearbeitung mittels eines Portalachs-Systems, bestehend aus den Linearachsen P _x , P _y und P _z . Die Laserstrahlung wird hierbei über das optische System OS auf das

Pulverbett PB geführt. Das (Metall- ) Pulver wird entlang der Spuren S _i verschmolzen. Durch die mittels Drehachse DA drehbare Faser- und Linsenanordnung können hierbei kontinuierliche Kurvenbahnen gefahren werden, wie dies in der rechten Teilabbildung b) der Figur 12 angedeutet ist .

Die vorgeschlagene Vorrichtung lässt sich auch für andere Anwendungen, beispielsweise zum Auftrags- schweißen einsetzen. Ein Beispiel für diese Anwendung ist in Figur 18 schematisch dargestellt. Die

Laserstrahlung aus der Faser- und Linsenanordnung FLA wird hierbei mittels der Linsen L ₁ , L ₂ und dem

optischen System OS durch eine geeignet ausgebildete Pulverdüse PD hindurch auf das Werkstück WS fokussiert, wie dies im linken Teil der Figur 18 dargestellt ist. Mittels eines gegebenenfalls räumlich modulierbaren Pulverstrahls PS wird dann der Materialauftrag MAT mit Hilfe der Laserstrahlung auf das Werkstück WS

aufgeschweißt . Dies ist im rechten Teil der Figur 18 in vergrößerter Darstellung angedeutet. Durch die

Modulation der einzelnen Faserkanäle kann die Breite des Materialauftrags eingestellt werden. Die Düse PD hat hierzu eine längliche Austrittsöffnung für das Pulver, um einen im Querschnitt entsprechend länglichen Pulverstrahl zu erzeugen. Die Dreheinrichtung für die Drehung der länglichen Verteilung der Laserstrahlung ist in der Figur nicht dargestellt. Die Düse PD wird hierbei synchron mit der Verteilung der Laserstrahlung gedreht, vorzugsweise durch Drehung des gesamten

Bearbeitungskopfes, der die Faser- und Linsenanordnung FLA, die Pulverdüse PD und die zwischenliegenden

Komponenten trägt.

Anstelle der Faseraufnahme mit den darin

eingebetteten Fasern kann die Strahlung auch aus

Lichtleitfasern mit konventionellen Anschlüssen zu einer Laserlinie kombiniert werden. Es kann sich hierbei beispielsweise um fest verbundene Faser- kollimatoren oder Standardstecker wie z.B. QBH handeln. Die vorgeschlagene Vorrichtung weist hierzu in einer vorteilhaften Ausgestaltung eine Aufnahmeeinrichtung für diese Standardstecker bzw. Faserkollimatoren auf. Figur 14 zeigt hierzu in schematischer Darstellung einen beispielhaften Aufbau bei Nutzung von

Fasersteckern 8 (obere Teilabbildung) bzw.

Faserkollimatoren 9 (untere Teilabbildung) mit fest verbundenen Lichtleitfasern F. In beiden Fällen ist im Anschluss an die Aufnahmeeinrichtung für die

Faserstecker bzw. Faserkollimatoren eine Einrichtung 7 zur Strahlskalierung erforderlich, um die weit

auseinander liegenden Laserstrahlen für die spätere Bearbeitung enger aneinander zu führen. Die weiteren Komponenten der Vorrichtung entsprechen denen, wie sie bereits in Verbindung mit Figur 1 kurz beschrieben wurden .

Figur 15 zeigt zwei Ausgestaltungen gemäß Figur

14, bei denen anstelle des Kollimators und des F-Theta- Objektivs eine Einrichtung 10 zur Fokussierung mit einem Fokusshifter eingesetzt wird.

In Figur 16 ist ein beispielhafter Aufbau für die Strahlskalierung- und Strahldrehung der Figuren 14 und

15, also einen Teil der Vorrichtung, nochmals

detaillierter dargestellt. Die aus den Fasersteckern FS1, FS2, FS3 bzw. damit verbundenen Fasern

austretenden Laserstrahlen 6 werden zunächst in den Kollimatoren KO1, KO2, KO3 kollimiert und über eine geeignete Spiegelanordnung mit den Spiegeln SP1, SP2 und SP3 zur Erhöhung des Strahl-Füllfaktors näher zueinander geführt. Eine weitere Skalierung in x- und y-Richtung erfolgt über die anschließend geeignet angeordneten Prismen Pr1 bis Pr4. Über das Dove-Prisma Pr5 in einer entsprechenden Drehachse DA wird dann eine Drehung der Strahlanordnung um die z-Achse ermöglicht. Fig. 17 zeigt den gleichen Aufbau nochmals aus der y- Richtung. Aus diesen Figuren ist ein beispielhafter Aufbau der Strahlskalierungseinrichtung aus den

Spiegeln SP1 bis SP3 und den Prismen Pr1 bis Pr4 zu erkennen, durch die die aus den Fasern austretenden Laserstrahlen 6 deutlich enger zueinander geführt werden . Die in Verbindung mit den Figuren 14 bis 17 dargestellten Ausgestaltungen haben den Vorteil, dass ein Austausch der Fasern und/oder der für die

Einkopplung in die Fasern eingesetzten Laser jederzeit schnell und auf einfache Weise möglich ist.

Bezugs zeichenliste

1 Dreheinrichtung

2 Kollimator

3 Scanner

4 F-Theta-Objektiv

5 Werkstück

6 Laserstrahlen

7 Einrichtung zur Strahlskalierung

8 Faserstecker

9 Faserkollimator

10 Fokussierung und Fokusshifter

F, F _i Lichtleitfasern

FA Faseranordnung

A Faseraufnähme

I _i (t) optische Ausgangsleistung

M Mantel

K Kern

LA Linsenanordnung

ML, ML _i Mikrolinse

E, E ' , E ", E " ' Ebenen

L ₁ , L ₂ Linsen

KO Kollimator

FLA Faser-Linsen-Anordnung

S _i Bearbeitungs spuren

DA Drehachse bzw. Dreheinrichtung

R Symmetrieachse

VR Vorschubrichtung

FB Faserbündel

ZS Fokussiereinheit

SF _i Spiegelfacetten

WS Werkstück Z _i Multi-Zeilen

PS Polygonscanner

GS Galvanometer-Scanner

Px, Py, Pz Linearachsen des Portal-Achssystems OS Optisches System

PB Pulverbett

FS1-FS3 Faserstecker

KO1-KO3 Kollimatoren

SP1-SP3 Spiegel

Pr1-Pr5 Prismen

PD Pulverdüse

PS Pulverstrahl

MΆT Material