Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Strahlformung und zur Strahlmodulation bei einer Lasermaterialbearbeitung.

Verfahren zur Lasermaterialbearbeitung verlangen im Idealfall eine einem jeweiligen Prozess angepasste, dreidimensionale Verteilung einer Laserleis tungsdichte an einer Wirkstelle, um optimale Bearbeitungsergebnisse in Hin- blick auf Qualität und Prozesseffizienz zu erzielen. Bei konventionellen Prozes sen mit statischen Strahlgeometrien ist dies jedoch in der Regel nicht erfüllt.

Bisherige Ansätze zum Anpassen einer Leistungsdichteverteilung eines Laser strahls beruhen entweder auf statischen Ansätzen oder in Bezug auf eine Fle- xibilität von Anpassungsmöglichkeiten bislang nur beschränkt nutzbaren dy namischen Methoden. Aus der Druckschrift DE 10 2008 053 397 Al ist beispielsweise ein Verfahren bekannt, bei dem eine Anpassung einer Schnittgeometrie mittels Strahlfor mung durchgeführt wird. Nachteilig an diesen und ähnlichen Verfahren ist jedoch, dass hierdurch nur eine beschränkte Anpassung der Geometrie mög lich ist, die keine große Flexibilität zulässt.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrich tung und ein Verfahren vorzuschlagen, mit denen die genannten Nachteile vermieden werden, d. h. mit denen eine Lasermaterialbearbeitung mit mög lichst großer Flexibilität durchgeführt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung nach An spruch 1 und ein Verfahren nach dem nebengeordneten Anspruch. Vorteilhaf te Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

Eine Vorrichtung zur Strahlformung und Strahlbewegung bei einer Lasermate rialbearbeitung weist eine Laserstrahlquelle zum kontinuierlichen Emittieren eines Laserstrahls, ein Strahlformungselement, ein optisches Umlenkelement und ein zwischen dem optischen Umlenkelement und einer zu bearbeitenden Werkstückoberfläche angeordnetes Fokussierelement auf. Das optische Um lenkelement ist dazu ausgebildet, einen Auftreffpunkt des Laserstrahls auf der Werkstückoberfläche zu verschieben. Das Strahlformungselement ist dazu ausgebildet, eine Lage einer Fokusebene des Laserstrahls relativ zu der Werk stückoberfläche durch eine translatorische Bewegung zu verändern, und bzw. oder dazu ausgebildet, eine Intensitätsverteilung bzw. laterale Energievertei lung innerhalb eines Strahlquerschnitts des Laserstrahls zu ändern.

Durch Verwenden des Strahlformungselements und des optischen Umlenk elements wird eine dreidimensionale Einstellung bzw. räumliche Positionie rung des fokussierten Laserstrahls bzw. der lateralen Energieverteilung inner halb des Strahlquerschnitts in Bezug auf das zu bearbeitende Werkstück er möglicht. Das Umlenkelement erlaubt es hierbei, ein Integral der Strahlinten sität und eine lokale Wechselwirkungszeit zu beeinflussen. Indem durch das optische Umlenkelement der auftreffende Laserstrahl derart umgelenkt wird, dass der Auftreffpunkt variiert werden kann, kann eine definierte zweidimen- sionale Energiedichteverteilung in Form beliebiger Lissajous-Figuren auf der Werkstückoberfläche erreicht werden. Durch eine einfache translatorische Relativbewegung des Strahlformungselements kann zusätzlich die Position der Fokusebene in Strahlausbreitungsrichtung verändert werden, so dass eine Energieverteilung in Form einer beliebigen dreidimensionalen Lissajous-Figur definiert werden kann. Eine erweiterte translatorische Relativbewegung des Strahlformungselements ermöglicht es weiterhin, die Intensitätsverteilung über den Strahlquerschnitt innerhalb der beliebigen dreidimensionalen Lissajous-Figur beliebig anzupassen. Typischerweise wird zum Einstellen der Fokusebene bzw. einer Eindringtiefe ausschließlich das Strahlformungsele ment translatorisch anwendungsbezogen positioniert, während alle anderen Komponenten der Vorrichtung ortsfest bzw. raumfest verbleiben. Durch Ver wenden einer "continuous wave", also cw-Laserstrahlquelle, wird eine durch gehende Materialbearbeitung erreicht.

Das optische Umlenkelement kann um zwei aufeinander senkrecht stehende Achsen rotierbar ausgebildet sein, um eine einfache Veränderung des Auf treffpunkts des Laserstrahls auf der Werkstückoberfläche zu erreichen.

Es kann vorgesehen sein, dass mindestens eine der Achsen, um die das opti sche Umlenkelement rotierbar ist, kollinear zu dem Laserstrahl ist. Hierdurch wird ein einfacher geometrischer Aufbau realisiert, der zu einer definierten Verstellbarkeit beiträgt.

Das optische Umlenkelement weist typischerweise ein oder zwei den Laser strahl reflektierende Elemente, vorzugsweise Spiegel, auf, um ein definiertes Abrastern zu ermöglichen. Jedes der den Laserstrahl reflektierenden Elemente kann hierbei um eine der beiden senkrecht aufeinander stehenden Achsen rotierbar sein. Alternativ oder zusätzlich kann jedes der den Laserstrahl reflek tierenden Elemente auch in mindestens zwei Raumrichtungen translatorisch bewegbar und bzw. oder verformbar ausgestaltet sein.

Das Strahlformungselement ist typischerweise linear entlang einer Achse be wegbar bzw. verformbar, wobei diese Achse gegenüber der optischen Achse des einfallenden Laserstrahls und der optischen Achse des umgelenkten La serstrahls verkippt ist. Vorzugsweise beträgt die Verkippung zwischen 35° und 55°, besonders vorzugsweise 45°. Durch diese Anordnung, die auch als "schnelle z-Achse" bezeichnet wird, kann die Lage der Fokusebene schnell und zuverlässig verändert werden. Typischerweise ist das Strahlformungselement, das in der Regel ebenfalls ein den Laserstrahl reflektierendes Element wie einen Spiegel aufweist, auch gegenüber der zu bearbeitenden Werkstückober fläche um den genannten Winkel verkippt.

Bei einem Verfahren zur Strahlformung und Strahlbewegung bei einer Laser materialbearbeitung wird von einer Laserstrahlquelle ein kontinuierlich emit tierter Laserstrahl über ein Strahlformungselement, ein optisches Umlenk element und ein zwischen dem optischen Umlenkelement und einer zu bear beitenden Werkstückoberfläche angeordnetes optisches Fokussierelement auf die Werkstückoberfläche gerichtet. Ein Auftreffpunkt des Laserstrahls auf der Werkstückoberfläche wird durch das optische Umlenkelement verscho ben und eine Lage einer Fokusebene des Laserstrahls relativ zu der Werk stückoberfläche wird durch eine translatorische Bewegung des Strahlfor mungselements verändert und bzw. oder es wird durch das Strahlformungs element, beispielsweise durch eine translatorische Bewegung eine Intensi tätsverteilung innerhalb des Strahlquerschnitts verändert.

Es kann vorgesehen sein, dass der Laserstrahl mit einer Laserleistung bis 20 kW, vorzugsweise bis 10 kW, besonders vorzugsweise bis 5 kW, von der Laserstrahlquelle emittiert wird

Das Strahlformungselement und bzw. oder das optische Umlenkelement wer den typischerweise durch eine Steuer-/Regelungseinheit in einem Frequenz bereich zwischen 1 Hz und 100 kHz oszillierend bewegt, um gewünschte drei dimensionale Lissajous-Figuren einzustellen. Die genannte Steuer- /Regelungseinheit kann generell für die Steuerung bzw. Regelung des be schriebenen Verfahrens bzw. der beschriebenen Vorrichtung eingerichtet sein.

Die Laserleistung kann durch die Steuer-/Regelungseinheit in einem Fre quenzbereich zwischen 1 Hz und 10 MHz moduliert werden, so dass zeitlich veränderliche Intensitätsdichten generierbar sind. Das beschriebene Verfahren ist typischerweise ein Laserschneidverfahren oder ein Laserschweißverfahren.

Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass ein Strahldurchmesser des Laserstrahls mit einer Frequenz zwischen 1 Hz und 100 kHz oszilliert wird, also periodisch vergrößert und verkleinert wird. Es kann auch vorgesehen sein, dass ein Strahltaillendurchmesser des Laserstrahls in einem Bereich zwi schen 0,5-d _F und 2-d _F eines festgelegten nominellen Strahltaillendurchmessers oszilliert wird. Der nominelle Strahltaillendurchmesser kann hierbei anwen dungsspezifisch festgelegt sein und insbesondere zwischen 100 pm und 200 pm liegen. Durch das periodische Vergrößern und Verkleinern des Strahl durchmessers können die Bearbeitungseigenschaften wie gewünscht einge stellt werden. Der Strahldurchmesser ist dabei typischerweise mit dem Strahl taillendurchmesser hinsichtlich seiner Größe an einem Laserstrahlquerschnitt minimalen Durchmessers identisch.

Das beschriebene Verfahren ist mit der beschriebenen Vorrichtung durch führbar, d. h. die beschriebene Vorrichtung ist zum Durchführen des be schriebenen Verfahrens ausgebildet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen beschrieben und werden nachfolgend anhand der Figuren 1 bis 3 erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zur

Strahlformung;

Fig. 2 eine schematische seitliche Ansicht der Vorrichtung und

Fig. 3 eine Figur 2 entsprechende Ansicht einer alternativen Ausgestaltung des in Figur 2 gezeigten Strahlengangs.

Figur 1 zeigt in einer schematischen perspektivischen Ansicht eine Vorrichtung zur Strahlformung bzw. Strahlbewegung. Eine Laserstrahlquelle 1, im vorlie genden Fall eine cw-Laserstrahlquelle, also eine einen kontinuierlichen, nicht gepulsten Strahl emittierende Laserstrahlquelle, emittiert einen Laserstrahl 2, der sowohl im elektromagnetischen Wellenlängenbereich der sichtbaren Strahlung, infraroten Strahlung oder ultravioletten Strahlung emittiert werden kann. Der Laserstrahl 2 wird von einem beweglichen Spiegel als Strahlfor mungselement 3 im dargestellten Ausführungsbeispiel um 90° durch Reflexion umgelenkt in Richtung eines optischen Umlenkelements 4.

Das optische Umlenkelement 4 ist um zwei aufeinander senkrecht stehende Achsen drehbar und im dargestellten Ausführungsbeispiel ebenfalls ein Spie gel. In weiteren Ausführungsbeispielen kann das optische Umlenkelement 4 aber auch aus zwei Spiegeln aufgebaut sein. Das optische Umlenkelement 4 lenkt den Laserstrahl 2 in Richtung einer zu bearbeitenden Werkstückoberflä che 7. Zwischen der Werkstückoberfläche 7 und dem optischen Umlenkele ment 4 ist in einem Gehäuse 6 ein Fokussierelement 5, im gezeigten Ausfüh rungsbeispiel eine sphärische oder asphärische Linse, angeordnet, durch die der Laserstrahl 2 auf die zu bearbeitende Werkstückoberfläche 7 fokussiert wird.

Die Laserstrahlquelle 1 sowie die Bewegungen des Strahlformungselements 3 und des optischen Umlenkelements 4 werden durch eine Steuer-/Regelungs- einheit 8 kontrolliert, die hierzu mit den genannten Elementen in elektrischer bzw. elektronischer Verbindung steht. Durch das optische Umlenkelement 4 kann somit eine Bewegung des Laserstrahls 2 auf der Werkstückoberfläche 7 in x-y-Richtung erfolgen, wie vergrößert im rechten Teil von Figur 1 darge stellt. Mindestens eine der Achsen, um die die Bewegung stattfindet, ist hier bei parallel oder kollinear zu dem auftreffenden Laserstrahl 2. Durch eine translatorische Bewegung des Strahlformungselements 3 entlang der in Figur 1 durch Pfeile angedeuteten Achse kann eine Lage einer Fokusebene bzw. Brennpunktebene relativ zur Werkstückoberfläche 7 verändert werden, so dass eine Verstellung entlang einer z-Achse, die ebenfalls im rechten Teil von Figur 1 wiedergegeben ist, ermöglicht wird. Diese Achse, entlang der typi scherweise eine periodische Bewegung des Strahlformungselements 3 erfolgt, ist in dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel um jeweils 45° gegen über dem einfallenden und dem reflektierten Laserstrahl 2 verkippt, ist also parallel zu einer Oberflächennormalen des Spiegels. Das Strahlformungsele ment 3 dient in dem dargestellten Ausführungsbeispiel ausschließlich einer Einstellung der z-Achse. Um das mit der dargestellten Vorrichtung durchgeführte Verfahren, üblicher weise ein Laserstrahlschneidverfahren oder ein Laserstrahlschweißverfahren, flexibler zu gestalten, kann die Steuer-/Regelungseinheit 8 eine Laserleistung des Laserstrahls 2 variieren. Dies erfolgt in der Regel oszillierend mit einer Frequenz zwischen 1 Hz und 10 MHz. Typischerweise wird der Laserstrahl 2 von der Laserstrahlquelle 1 aber mit einer Laserleistung von 5 kW bis 20 kW emittiert. Ebenso kann vorgesehen sein, dass die Steuer-/Regelungseinheit 8 die Bewegung des Laserstrahls 2 auf der Werkstückoberfläche 7 in wenigstens einer der Achsen, also der x-Achse, der y-Achse und bzw. oder der z-Achse, mit einer Frequenz zwischen 1 Hz und 100 kHz oszillierend moduliert. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt ein Vorschub des Werkstücks paral lel zur x-Achse. In weiteren Ausführungsbeispielen kann die Vorschubrichtung natürlich auch anders gerichtet sein.

Somit kann der mit Hilfe des Strahlformungselements 3 und des optischen Umlenkelements 4 geformte und fokussierte Laserstrahl 2 praktisch unabhän gig voneinander in allen drei Raumrichtungen in einem von einer jeweiligen Anwendung abhängigen Frequenzbereich mit Amplituden zwischen 0,01c/ _F bis 2c/ _Z (wobei c/ _F den Durchmesser der Strahltaille (Fokusebene) des oszillieren den Strahls und c/ _Z die charakteristische Abmessung, also Länge, Breite und bzw. oder Tiefe einer Bearbeitungszone bezeichnet) bewegt werden. Hier durch wird ein Wirkvolumen des Laserstrahls 2 zeitlich und räumlich in einer dem Bearbeitungsprozess angepassten Weise oszillatorisch positioniert und somit der Wirkbereich bei einem möglichen Einbezug zusätzlicher Parameter zur Prozesskontrolle an einen speziellen Bearbeitungsprozess angepasst, um nahezu beliebige dreidimensionale, zeitlich veränderliche Leistungsdichtever teilungen entlang einer Bearbeitungskontur und in Wechselwirkung mit zeit lich variierenden Randbedingungen der Prozesszone einzustellen. Prinzipiell ist es auch möglich, eine Oszillationsamplitude einer Komponente in Abhän gigkeit eines aktuellen Vorschubvektors oder einer anderen Komponente durch die Steuer-/Regelungseinheit 8 in Echtzeit zu regeln.

Durch die alternativ oder zusätzlich erfolgende Modulation der Laserleistung können Variationen charakteristischer lokaler Wechselwirkungszeiten infolge zeitlich variierender Oszillationsgeschwindigkeiten ausgeglichen und eine wei- tere Prozessoptimierung erreicht werden. Die Strahlleistung wird hierbei typi scherweise in Abhängigkeit des aktuellen Vorschubs der jeweils adressierten Komponente der Oszillationsbewegung moduliert.

Diese oszillierende Bewegung des Wirkvolumens des Laserstrahls 2 kann technisch durch ein mechanisches, elektromechanisches oder adaptives Strahlformungselement 3 und bzw. oder ein mechanisches, elektromechani sches, elektrostatisches oder piezogetriebenes optisches Umlenkelement 4 erreicht werden. In einem Ausführungsbeispiel wird die oszillierende Bewe gung in Bearbeitungsrichtung x sowie quer zur Bearbeitungsrichtung y entwe der mit Hilfe zweier galvanometergetriebener Scannerspiegel oder mit Hilfe eines in zwei Drehrichtungen beweglichen Einzelspiegels, der

servoangetrieben oder piezoangetrieben ist, realisiert. Der Einzelspiegel kann hierbei ein MEMS-Spiegel sein (micro electro-mechanical System). Insbeson dere das Strahlformungselement 3 kann als adaptiver Spiegel, also als weite res optisches Umlenkelement, ausgestaltet sein, der pneumatisch, elektrosta tisch, elektromechanisch oder piezogetrieben eine Oberflächenform von planar zu konvex und bzw. oder konkav ändern kann und somit das Strahlpro fil und den Strahlengang beeinflusst.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist es möglich, im Falle spezieller Vor zugsrichtungen eines speziellen Prozesses Polygonräder für die Strahlauslen- kung einzusetzen. Die Oszillationsbewegung in z-Richtung kann beispielsweise mittels piezogetriebener adaptiver Umlenkspiegel erfolgen. Zudem ist auch eine jeweils zweidimensionale Strahlformung in x- und z-Richtung bzw. in y- und z-Richtung erlaubt, indem die Oszillationsamplitude und/oder -frequenz der verbleibenden Richtungskomponente genullt wird.

Infolge der Realisierung einer räumlich dreidimensionalen und zeitlich oszilla- torischen Positionierung des effektiven Wirkvolumens des Laserstrahls 2 wird es ermöglicht, die in den mit dem Laserstrahl 2 zu bearbeiteten Werkstücken ablaufenden Prozessmechanismen so zu beeinflussen, dass optimale Bearbei tungsergebnisse erreicht werden, oder dass Änderungen der einem Normal zustand entsprechenden Prozessabläufe infolge von Störprozessen und/oder geänderten Prozessrandbedingungen durch eine dynamische Anpassung der Oszillationsparameter kompensiert werden können. Hierbei ist es möglich, dass diese Anpassung automatisiert durch einen sen sorgesteuerten Regelmechanismus durch die Steuer-/Regeleinheit 8 erfolgt. Diese erweiterten Anpassungs- und Regelmöglichkeiten wirken sich vorteil haft auf die erzielbaren Bearbeitungsergebnisse im Anwendungsfeld der La sermaterialbearbeitung aus.

Beispielsweise werden für das Laserstrahlschneiden (Schmelz- und Brenn schneiden) folgende Vorteile erwartet:

1. Die x-z-Oszillation gestattet den Winkel der Schneidfront einzustellen und während des Schneidprozesses jederzeit anzupassen. Damit kön nen optimale Absorptionsverhältnisse erzielt werden, wodurch die Prozesseffizienz erhöht werden kann.

2. Die y-z-Oszillation gestattet die Schnittspaltbreite in einem blechdi ckenabhängig sinnvollen Bereich O.Olö < b < 0.2 b (Blechdicke b) einzu stellen und während des Schneidprozesses jederzeit zu verändern.

3. Mit Hilfe der y-z-Oszillation lassen sich parallele Schnittkanten einstel len.

4. Die Oszillation in drei Raumrichtungen gestattet den Winkel der

Schneidfront einzustellen und zu verändern bei der gleichzeitigen Möglichkeit einer einstellbaren bzw. veränderlichen Schnittspaltbreite. Dadurch ist es möglich, im Falle des Brennschneidens eine optimale Wechselwirkungsfläche für die Oxidationsreaktion zu generieren. Im Falle des Schmelzschneidens wird für eine optimale Geometrie der Schneidfront der Austrieb des geschmolzenen Werkstoffes in Wech selwirkung mit dem Schneidgas verbessert. Dadurch wird die Gratbil dung reduziert oder vermieden und die Rauheit der Schnittkanten vermindert.

5. Es ergeben sich vielfältige Steuermöglichkeiten für den Einstichprozess (Piercing)

Für das Laserstrahlschweißen werden folgende Vorteile erwartet:

1. Die x-z-Oszillation gestattet im Falle eines Tiefschweißprozesses bei angepassten Oszillationsamplituden einen Frontwinkel einer laserin- duzierten Dampfkapillare einzustellen und während des Schweißpro zesses jederzeit anzupassen. Damit können optimale Absorptionsver hältnisse erzielt werden wodurch die Prozesseffizienz erhöht werden kann, oder eine größere Stabilität der Kapillare erreicht wird.

2. Die y-z-Oszillation gestattet es, eine Breite einer Schweißnaht an tech nologische Forderungen bezüglich einer Anbindebreite und Nahtfes tigkeit anzupassen und während des Schweißprozesses jederzeit zu verändern.

3. Mit Hilfe von y-z-Oszillationen lassen sich im Falle von

Durchschweißungen parallele Schweißnahtflanken einstellen

4. Die Oszillation in drei Raumrichtungen gestattet es bei angepassten Frequenz- und Amplitudenwerten die Geometrie der laserinduzierten Dampfkapillare zielführend zu formen und während des Prozesses an zupassen.

Die Oszillation in drei Raumrichtungen gestattet es bei angepassten Frequenz- und Amplitudenwerten die Geometrie des Schmelzbades zielführend einzu stellen und während des Prozesses anzupassen. Damit können relevante technologische Eigenschaften der Schweißnaht sowie deren mechanische Kennwerte verbessert werden.

In weiteren Ausführungsbeispielen kann das beschriebene Verfahren bzw. die beschriebene Vorrichtung auch für eine additive Fertigung verwendet wer den.

Figur 2 zeigt in einer schematischen seitlichen Ansicht den Strahlengang der Vorrichtung, bei dem der Laserstrahl 2 zunächst auf ein konvexes Strahlfor mungselement 3 auftrifft, von dort reflektiert wird auf ein konkav ausgestalte tes Umlenkelement 4 und von diesem durch das Fokussierelement 5 auf die Werkstückoberfläche 7 gelangt. Wiederkehrende Merkmale sind in dieser Figur wie auch in der folgenden Figur mit identischen Bezugszeichen verse hen. Bei dem in Figur 2 gezeigten Strahlengang wird eine relativ geringe Strahlbreite bzw. ein relativ geringer Strahldurchmesser dl ausgebildet, der auch als Strahltaillendurchmesser bezeichnet werden kann. Die Strahlbreite des fokussierten Laserstrahls 2 kann in einem Frequenzbereich von 1 Hz bis 100 kHz in einem bestimmten Größenbereich oszilliert werden, beispielsweise zwischen einem Fokusdurchmesser von 100 miti bis 200 miti. Dies geschieht durch die Anordnung des Strahlformungselements 3 im Strahlengang und dessen in Figur 1 dargestellter Bewegung. In Figur 3 ist in einer Figur 2 entsprechenden Ansicht ein weiteres Ausfüh rungsbeispiel gezeigt, bei dem der das Strahlformungselement 3 nun konkav ist, während das Umlenkelement 4 konvex ausgestaltet ist. Somit ergibt sich ein breiterer Strahldurchmesser d2, der wie bei dem in Figur 2 wiedergegebe nen Ausführungsbeispiel hinsichtlich seiner Breite variiert werden kann.

Lediglich in den Ausführungsbeispielen offenbarte Merkmale der verschiede nen Ausführungsformen können miteinander kombiniert und einzeln bean sprucht werden.