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Title:
DEVICE AND METHOD FOR PROTECTING A LASER OPTICAL ELEMENT
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/015963
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a device and a method for protecting a laser optical element (2), the device comprising at least one glass ribbon (4) that is mounted on a roll (3) and can be wound around same, for protecting the laser optical element. A section of the glass ribbon (4) can be guided in front of the laser optical element (2) for protection, particularly between the laser optical element and a workpiece to be machined. The device can comprise means (6) for detecting the number of particles on a section of the glass ribbon, such that the guiding of the glass ribbon can be continued according to the number of detected particles, i.e. in the event of heavy soiling.

Inventors:
WAGNER, Fabian (Taunusstraße 55, Mainz, 55118, DE)
ORTNER, Andreas (Mainzer Strasse 6L, Gau-Algesheim, 55435, DE)
Application Number:
EP2018/068093
Publication Date:
January 24, 2019
Filing Date:
July 04, 2018
Export Citation:
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Assignee:
SCHOTT AG (Hattenbergstraße 10, Mainz, 55122, DE)
International Classes:
H01S3/00; B23K26/70; F16P1/06
Foreign References:
EP2336050A12011-06-22
DE102006047794A12008-04-10
JPH0716795B21995-03-01
DE102012110971A12014-05-15
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Claims:
Patentansprüche

1. Vorrichtung zum Schutz einer Laseroptik,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Vorrichtung wenigstens ein auf einer Rolle gelagertes, abwickelbares Glasband zum Schutz der Laseroptik umfasst.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Vorrichtung wenigstens eine weitere Rolle zum Aufwickeln des Glasbandes umfasst.

3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Vorrichtung wenigstens eine Rolle zum Führen des Glasbandes umfasst.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Vorrichtung Mittel zum schrittweisen oder zum kontinuierlichen Führen des Glasbandes umfasst.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Vorrichtung Mittel zur Detektion der Anzahl von Partikeln auf wenigstens einem Abschnitt des Glasbandes umfasst, so dass das Glasband in Abhängigkeit der Anzahl der detektierten Partikel weitergeführt werden kann.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass das Glasband eine Dicke von 10 μιη bis 200 μιη aufweist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

dass das Glasband wenigstens eine Beschichtung umfasst, insbesondere wenigstens eine Antireflexbeschichtung, eine Antihaftbeschichtung oder eine Antikratzbeschichtung oder Kombinationen aus diesen

Beschichtungen.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

dass das Glasband aus Kalknatronglas, Borosilikatglas,

Borosilikatkronglas, alkalifreiem Glas oder Quarzglas besteht.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Vorrichtung Teil einer Vorrichtung zum Laserbearbeiten von Werkstücken, insbesondere von Metallen, Gläsern, Kunststoffen oder Kompositen aus diesen Werkstoffen ist.

10. Verfahren zum Schutz einer Laseroptik,

dadurch gekennzeichnet,

dass wenigstens ein auf einer Rolle gelagertes, abwickelbares Glasband zum Schutz der Laseroptik verwendet wird.

Description:
Vorrichtung und Verfahren zum Schutz einer Laseroptik Beschreibung Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Schutz einer Laseroptik sowie deren Verwendung.

Vorrichtungen und Verfahren zum Schutz einer Laseroptik, insbesondere zum Schutz vor äußeren Einflüssen (z.B. Verschmutzung, Materialspritzer,

Funken, Kratzer) beim Bearbeiten von Werkstücken mittels eines Laserstrahls, wie dem Filamentieren oder Trennen von Glas (z.B. DE 10 2012 110971 A1 ) oder dem Trennen, Schweißen, Gravieren von Metall, sind grundsätzlich bekannt.

Entsprechende Schutzgläser als Teil einer Vorrichtung oder eines

Verfahrens zum Schutz einer Laseroptik sind kommerziell erhältlich, z.B. bei

- Laser Components GmbH, Olching, Deutschland,

(http://www.lasercomponents.com/de/produkt/schutzglaeser/);

- SVS Schweißtechnik GmbH, Mülheim an der Ruhr, Deutschland, (http://svs-schweisstechnik.de/pages/laserschutzglaeser.php) ;

- GVB GmbH, Herzogenrath, Deutschland, (http://www.g-v- b.de/laserschutzglaeser.htm).

Bekannte Schutzgläser sind typischerweise etwa 0,5 mm dick und werden vor die Laseroptik geschraubt oder gesteckt. Werden diese Schutzgläser durch Staub verschmutzt oder beschädigt müssen sie gereinigt oder ausgetauscht werden, wodurch Stillstand der Laserbearbeitungsanlagen entsteht. Die

Verschmutzung ist abhängig vom Arbeitsabstand der Laseroptik zum Werkstück. Dies ist vor allem für Laseroptiken mit geringer Brennweite, insbesondere < 100 mm, der Fall. Oft wird versucht durch zusätzliche Luftschwerter vor den

Laseroptiken und/oder den Schutzgläsern die Verschmutzung zu reduzieren. Dadurch können aber anderen negative Effekte wie Verschleppung und

Verwirbelung der Umgebung entstehen. Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, den Stillstand von Laserbearbeitungsanlagen aufgrund von negativen äußeren Einflüssen, insbesondere durch eine Verschmutzung von Schutzgläsern, zu verringern oder gar zu vermeiden und dafür eine verbesserte Schutzvorrichtung und ein verbessertes Schutzverfahren für die Laseroptik bereitzustellen.

Gelöst wird die Aufgabe gemäß Anspruch 1 durch eine Vorrichtung zum Schutz einer Laseroptik, wobei die Vorrichtung wenigstens ein auf einer Rolle gelagertes, abwickelbares Glasband zum Schutz der Laseroptik umfasst.

Ein Abschnitt des Glasbands kann so leicht zum Schutz vor die Laseroptik geführt und angeordnet werden (ggf. auch in einem bevorzugten Winkel zum Laserstrahl bzw. zur Laseroptik (siehe beispielsweise Fig. 2)) und ist bei Bedarf, z.B. bei negativen äußeren Einflüssen, z.B. bei zu starker Verschmutzung oder bei Kratzern, einfach weiterführbar. So kann die Stillstandzeit verringert und die Lebenszeit von Laseroptik und Laser erhöht und somit die Qualität in der Produktion auf einfache Art und Weise verbessert werden.

Die Vorrichtung ist in der Regel das letzte Element vor einem mittels eines Laserstrahls zu bearbeitenden Werkstück und ist nach der Laseroptik bzw.

zwischen Laseroptik und zu bearbeitendem Werkstück anordenbar bzw. wird hier angeordnet.

Weitere bevorzugte Ausführungen der Erfindung werden im Folgenden beschrieben.

Die Vorrichtung kann wenigstens eine weitere Rolle zum Aufwickeln des Glasbandes umfassen.

Die Vorrichtung kann wenigstens eine Rolle zum Führen des Glasbandes umfassen.

Die Vorrichtung kann Mittel zum schrittweisen oder zum kontinuierlichen Führen des Glasbandes umfassen.

Die Vorrichtung kann Mittel zur Detektion der Anzahl von Partikeln auf wenigstens einem Abschnitt des Glasbandes umfassen, so dass das Glasband in Abhängigkeit der Anzahl der detektierten Partikel weitergeführt werden kann. Hierdurch kann Standzeit bis zum Eingriff (Stillstandzeiten der Laserbearbeitungsanlage) weiter reduziert sowie automatisch die Verschmutzung des Glasbandes gemessen und so die Prozessstabilität verbessert werden. So kann beispielsweise mit Hilfe eines Sensors dauerhaft die Verschmutzung des Glasbands gemessen (z.B. Streuung/Rückreflektion des Laserstrahls an der verschmutzten Glasbandoberfläche die sich zum Schutz vor der Laseroptik befindet) und dann anhand des Messergebnisses das Glasband vor der Laseroptik weitergeführt werden

Das Glasband kann eine Dicke von 10 μιη bis 200 μιη vorzugweise 30 μιη bis 100 μιη aufweisen. Je dünner das Glasband, desto mehr Glasband kann platzsparend auf einer Rolle gelagert und abgewickelt werden.

Die Breiten der Glasbänder werden in der Regel so gewählt das diese größer als die zu schützende Laseroptik sind typischer weise im Bereich zwischen 10 mm bis 400 mm vorzugsweise zwischen 30 mm bis 200 mm. Die Länge des Glasbands kann dabei mindestens das zehnfache der Breite des Glasbands bevorzugt mindestens das zwanzigfache, besonders bevorzugt mindestens das fünfzigfache betragen.

Das Glasband kann wenigstens eine Beschichtung umfassen,

insbesondere wenigstens eine Antireflexbeschichtung (Z.B. zur Erhöhung der Laserstrahltransmission bzw. Minderung der Laserstrahlreflektion), eine

Antihaftbeschichtung (Verschmutzungen, Partikel etc. können nicht so gut haften) oder eine Antikratzbeschichtung (Robuster gegen äußere mechanische Einflüsse) oder Kombinationen aus diesen oder weiteren Beschichtungen.

Vorzugsweise besteht das Glasband aus Kalknatronglas, Borosilikatglas (Z.B: SCHOTT: D 263 T eco), Borosilikatkronglas (Z.B. SCHOTT: BK7), alkalifreiem Glas (Z.B. SCHOTT: AF 37, AF 32 eco,) oder Quarzglas.

Bevorzugte Herstellverfahren des Glasbandes sind Downdraw-, Overflow- Fusion- oder Wiederzieh-Verfahren.

Die Glaszusammensetzung des Glasbands kann insbesondere nach der Wellenlänge des verwendeten Lasers und der Laserleistung ausgewählt werden und sollte für diese möglichst transparent sein. Weiterhin kann die

Glaszusammensetzung des Glasbandes nach den vorliegenden äußeren Einflüssen ausgewählt werden (Z.B. notwendige Temperatur- oder

Temperaturwechselbeständigkeit, chemische Beständigkeit, mechanische Beständigkeit, etc.). Bevorzugt ist die Vorrichtung Teil einer Vorrichtung zum Laserbearbeiten von Werkstücken, insbesondere von Metallen, Gläsern, Kunststoffen oder Kompositen aus diesen Werkstoffen.

Weiterhin wird die Aufgabe gemäß Anspruch 10 durch ein Verfahren zum Schutz einer Laseroptik gelöst, wobei wenigstens ein auf einer Rolle gelagertes, abwickelbares Glasband zum Schutz der Laseroptik verwendet wird.

Vorzugsweise wird wenigstens eine weitere Rolle zum Aufwickeln des Glasbandes verwendet. Bevorzugt kann wenigstens eine weitere Rolle zum Führen des Glasbandes verwendet werden. Vorzugsweise kann das Glasband schrittweise oder kontinuierlich geführt werden.

Die Anzahl von Partikeln auf wenigstens einem Abschnitt des Glasbandes werden vorzugsweise detektiert, so dass das Glasband in Abhängigkeit der Anzahl der detektierten Partikel weitergeführt werden kann.

Vorzugsweise wird ein Glasband mit einer Dicke von 10 μιη bis 200 μιη bevorzugt 30 μιη bis 100 μιτι verwendet.

In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens kann das Glasband wenigstens eine Beschichtung aufweisen, insbesondere wenigstens eine

Antireflexbeschichtung, eine Antihaftbeschichtung oder eine

Antikratzbeschichtung oder Kombinationen aus diesen Beschichtungen.

Das verwendete Glasband kann aus Kalknatronglas, Borosilikatglas (Z.B: SCHOTT: D 263 T eco), Borosilikatkronglas (Z.B. SCHOTT: BK7), alkalifreiem Glas (Z.B. SCHOTT: AF 37, AF 32 eco,) oder Quarzglas bestehen.

Das Verfahren kann während des Laserbearbeitens von Werkstücken, insbesondere von Metallen, Gläsern, Kunststoffen oder Kompositen aus diesen Werkstoffen eingesetzt werden.

Grundsätzlich kann also ein Glasband (eine Dünnstglasrolle) als

Schutzglas für eine Laseroptik verwendet werden, welches dann vor der

Laseroptik vorbeiziehbar ist bzw. vorbeigezogen wird. Wird z.B. eine

Verschmutzung festgestellt wird das Glasband weiter gewickelt, um so ein neuer Abschnitt des Glasbands als Schutz zu verwenden. Bei sehr homogener

Verschmutzung kann auch ein System ohne Detektion verwendet werden, bei dem eine kontinuierliche Bewegung des Glasbands eingestellt wird.

Das Glasband kann ähnlich einer Videokassette auf zwei Rollen gelagert sein und über mindestens zwei weitere Umlenkrollen sehr nah an der Laseroptik vorbeigeführt werden. Durch eine Umhausung kann das Glasband zusätzlich mechanisch geschützt werden. Die Umhausung kann so ausgelegt sein, dass diese mit der Laseroptik bündig abschließt, um so jegliche Verschmutzung der Laseroptik zu verhindern. Die Befestigung des Schutzsystems an der Laseroptik kann hierbei über Schnellverbindungssysteme erfolgen, wodurch ein einfaches Montieren und Demontieren gewährleistet ist.

In einer besonderen Ausführungsform kann das Glasband dauerhaft unter

Zugspannung oder Spannung gehalten werden, um Verwölbungen des Glasbandes aus einer Ebene senkrecht zur optischen Achse, insbesondere bei Bewegung der Laseroptik, zu verhindern. Dies kann durch eine

Geschwindigkeitsdifferenz während der Rollenbewegung, Reib- oder

Bremswirkung oder vergleichbare Mechanismen realisiert werden.

Die Erfindung ist vor allem für Laserbearbeitungsprozesse mit einer feststehenden Laseroptik mit geringer Brennweite von Nutzen, z.B. dem

Trennen oder Filamentieren von Glas, oder bei der Laserablation an

Werkstoffoberflächen bzw. ggf. vorhandenen Beschichtungen. Diese Prozesse arbeiten mit Brennweiten typischerweise < 30 mm und sind sehr

leistungssensibel. Dadurch ist beispielsweise auch die geringe Verschmutzung durch den Partikelauswurf der beim Prozess der Filamentierung von Glas entstehenden Kanäle bei Dauerbetrieb kritisch für die Prozessstabilität. Durch vorbeugende Wartung (Erfahrungswert ca. einmal pro Tag bei Dauerbetrieb) kann die Prozessstabilität durch Reinigung der Laseroptik oder Wechsel des Schutzglases gewährleistet werden.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Ausführungsbeispiele und Figuren 1 bis 8 näher erläutert.

Figur 1 zeigt eine Vorrichtung 1 zum Schutz einer Laseroptik 2. Die Vorrichtung 1 umfasst ein auf einer Rolle 3 gelagertes, abwickelbares Glasband 4 zum Schutz der Laseroptik 2, sie weist eine weitere Rolle 5 zum Aufwickeln des Glasbandes 4 und zwei weitere Rollen zum Führen des

Glasbands 4 auf. Die beiden weiteren Rollen sind unterhalb der Laseroptik 2 links und rechts angeordnet. Weiterhin weist die Vorrichtung eine Umhausung 7 zum mechanischen Schutz des Glasbands 4 auf. Mittel zum schrittweisen oder zum kontinuierlichen Führen des Glasbandes 4 sind nicht dargestellt (z.B.

Rollenantrieb oder Motorwelle).

Figur 2 zeigt die Vorrichtung gemäß Figur 1 , wobei das Glasband 4 mittels der zwei weiteren Rollen zum Führen des Glasbands 4 in einem gezielten Winkel an der Laseroptik 2 vorbeigeführt wird bzw. vorbeiführbar ist.

Figur 3 zeigt die Vorrichtung gemäß Figur 1 , wobei die Vorrichtung 1 ein Mittel 6 zur Detektion der Anzahl von Partikeln auf wenigstens einem Abschnitt des Glasbands 4 aufweist, so dass das Glasband 4 in Abhängigkeit der Anzahl der detektierten Partikel weitergeführt werden kann.

Figur 4 zeigt eine weitere Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. Hierbei kann das Glasband 4 aus der Umhausung 7 mittels der drei weiteren Rollen geführt und auf Zugspannung gehalten werden.

Figur 5 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung aus Figur 1 , wobei der schwarze Kasten in der Mitte ein Aufbau mit einem Laser-Scanner darstellt.

Die Figuren 6 bis 8 sind zur besseren Verdeutlichung dreidimensionale Darstellungen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Bezugszeichenliste:

1. Vorrichtung zum Schutz einer Laseroptik 2

2. Laseroptik.

3. Rolle zum Abwicklen des Glasbands 4

4. Abwickelbares Glasband

5. Weitere Rolle zum Aufwickeln des Glasbandes 4

6. Mittel zur Detektion der Anzahl von Partikeln auf wenigstens einem Abschnitt des Glasbands 4

7. Umhausung