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Title:
DEVICE FOR WORKING THE SURFACES OF THE INTERNAL SURFACE OF A CYLINDER USING A LASER BEAM
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2005/053896
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a device for working the surfaces of the internal surface of a cylinder using a laser beam. The device (1) is especially adapted for structuring a cylinder bore of an internal combustion engine by means of a laser beam (4) with hone-type structures. According to the invention, the device comprises a laser (5), a beam deflection unit (6), controlled in two directions, and a stationary focusing and deflection optics (7) which can be imagined, in a simplified way, as a focusing lens (9). Said device deflects and focuses a laser beam (4) moved by the beam deflection unit (6) on an imaginary conical surface area onto an orbit in the peripheral direction on the internal surface (2) of the cylinder.

Inventors:
WAGNER ARMIN (DE)
STORK WILHELM (DE)
MAYER RALPH (DE)
DIMTER MARC (DE)
Application Number:
PCT/DE2004/002629
Publication Date:
June 16, 2005
Filing Date:
December 01, 2004
Export Citation:
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Assignee:
LBC LASER BEARBEITUNGS CT GMBH (DE)
ELOVIS GMBH (DE)
WAGNER ARMIN (DE)
STORK WILHELM (DE)
MAYER RALPH (DE)
DIMTER MARC (DE)
International Classes:
B23K26/10; B23K26/28; (IPC1-7): B23K26/10; B23K26/28
Foreign References:
DE29506005U11996-08-08
US6696667B12004-02-24
Other References:
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 018, no. 009 (M - 1538) 10 January 1994 (1994-01-10)
Attorney, Agent or Firm:
Klocke, Peter (Horb, DE)
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Claims:
Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Oberflächenbearbeitung einer Zylinderinnenfläche mit einem Laserstrahl, mit einem Laser (5) und einer Fokussierund Ablenkoptik (7), die den Laserstrahl (4) des Lasers (5) auf die zu bearbeitende Werkstückoberfläche (2) lenkt und auf die Werkstück oberfläche (2) fokussiert, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) eine in zwei Richtungen steuerbare Strahlablenkeinheit (Scanner) (6) aufweist, die den Laserstrahl (4) des Lasers (5) zur Fokussierund Ablenkoptik (7) lenkt, so dass der Laserstrahl (4) durch Steuerung der Strahlablenkeinheit (6) ohne Bewegung der Fokussierund Ablenkoptik (7) in axialer Richtung und über den gesamten Umfang der Werk stückoberfläche (2) bewegt werden kann.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussierund Ablenkoptik (7) feststehend oder ausschließlich trans latorisch in einer Vorschubrichtung bewegbar ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussierund Ablenkoptik (7) ein winkelvergrößerndes, afokales Teleskop (10) des Gallilei'schen Typs aufweist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Okular des Teleskops (10) des Gallilei'schen Typs ein Fokussierobjektiv (11) aufweist, das in einem Element oder in einer Gruppe mit dem Teleskop (10) zusammengefasst ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, dass die Fokussier und Ablenkoptik (7) eine transmissive und/oder reflexive Rotationsfläche aufweist, die die Ablenkoptik bildet oder Teil der Ablenkoptik ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, dass die Fokussierund Ablenkoptik (7) einen pyramiden oder pyramidenstumpfförmigen Umlenkspiegel (13) aufweist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Umlenkspiegel (13) zwei pyramidenstumpfförmige Umlenkspiegel mit gleicher Anzahl an Mantelflächen aufweist, wobei die Mantelflächen gegeneinander verdreht angeordnet sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der pyramidenoder pyramidenstumpfförmige Umlenkspiegel (13) ein Innen spiegel ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekenn zeichnet, dass der pyramidenoder pyramidenstumpfförmige Umlenk spiegel (13,17) aus einem transmissiven Material besteht und der Laserstrahl (4) an seinen Mantelflächen durch Totalreflexion reflektiert wird.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekenn zeichnet, dass der Laserstrahl (4) mit der Strahlablenkeinheit (6) so abgelenkt wird, dass er auf einem Spiegelsegment (15) des pyramiden oder pyramidenstumpfförmigen Umlenkspiegels (13) eine gekrümmte Bahn (16) beschreibt, so dass der Laserstrahl (4) auf der Werkstück oberfläche (2) fokussiert ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekenn zeichnet, dass der Laserstrahl (4) mit der Strahlablenkeinheit (6) so abgelenkt wird, dass er auf einem Spiegelsegment (15) des pyramiden oder pyramidenstumpfförmigen Umlenkspiegels (13) eine gekrümmte Bahn (16) beschreibt, so dass der Laserstrahl (4) auf der Werk stückoberfläche (2) eine umlaufende Kreisbahn in einer gedachten Radialebene zur innenzylindrischen Werkstückoberfläche (2) beschreibt.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der pyramidenoder pyramidenstumpfförmige Umlenkspiegel (13,17) an einem transmissiven optischen Element be festigt ist, und dass keine den umlaufenden Laserstrahl (4) unter brechenden Halterung für den Umlenkspiegel (13) vorhanden ist.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) eine Spülgaseinrichtung (18, 19) aufweist, die ein Spülgas zwischen der Fokussierund Ablenkoptik (7) und der Werkstückoberfläche (2) durchleitet.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spülgasführung (18) durch ein oder mehrere optische Elemente (23) der Fokussierund Ablenkoptik (7) erfolgt.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Spülgaseinrichtung (18) eine Gasumlenkeinrichtung (19) aufweist, die das Spülgas um ca. 180° umlenkt.
Description:
Vorrichtung zur Oberflächenbearbeitung einer Zylinderinnenfläche mit einem Laserstrahl Beschreibung Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Oberflächenbearbeitung einer Zylinder- innenfläche mit einem Laserstrahl mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Es ist anzumerken, dass der Anwendungsbereich der Vorrichtung nicht auf Zylinderinnenflächen beschränkt ist, sondern sich auch Innenflächen bearbeiten lassen, deren Querschnitte von einer Kreisform abweichen, bei- spielsweise elliptisch oder oval oder auch eckig sind. Auch können sich die Querschnittsflächen in Längsrichtung ändern, wie es beispielsweise bei Kegeln oder Pyramiden der Fall ist. Mit Bearbeiten ist insbesondere ein regelmäßiges oder unregelmäßiges Strukturieren einer zu bearbeitenden Werkstückoberfläche durch Materialabtrag mittels eines Laserstrahls gemeint. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist insbesondere zur Bearbeitung von Oberflächen von Zylinder- bohrungen von Verbrennungsmotoren oder Kolbenmaschinen vorgesehen.

Weitere mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchführbare Verfahren sind beispielsweise Gravieren, Schweißen, beispielsweise von Rohren, insbesondere von innen, Härten, Beschichten, Beschriften, Abtragen, Entfetten, Bohren, ins- besondere Bohren von innen nach außen, jeweils mit Laser.

Die deutsche Offenlegungsschrift DE 196 14 328 A1 und die deutsche Patent- schrift DE 43 16 012 C2 beschreiben Verfahren zum Strukturieren von Ober-

flächen in Zylinderbohrungen von Verbrennungsmotoren durch Laserbearbeitung.

Die Bearbeitung erfolgt linienförmig mit einander kreuzenden Linien, vergleichbar den Honspuren des bislang gebräuchlichen Zylinderhonens. Die Zylinder- bohrungen können zuvor oder anschließend gehont werden. Zur Durchführung des bekannten Verfahrens ist eine Laservorrichtung notwendig, die eine Führung eines Laserstrahls über den vollen Zylinderinnenumfang ermöglicht.

Eine derartige Vorrichtung beschreibt das Deutsche Gebrauchsmuster DE 295 06 005 U 1. Die bekannte Vorrichtung weist eine drehbare Hohlspindel auf, in die ein Laserstrahl axial eintritt. Am Ende der Hohlspindel ist ein Planspiegel unter einem Winkel von 45° zu einer Axialrichtung angeordnet, der den Laserstrahl um 90° umlenkt, so dass der Laserstrahl radial durch eine Bohrung der Hohlspindel austritt und auf die zu bearbeitende Zylinderinnenfläche trifft. In die Hohlspindel taucht ein Tubus, der eine Linse aufweist, die den Laserstrahl auf die zu bearbeitende Werkstückoberfläche fokussiert. Durch drehenden Antrieb der Hohlspindel mit dem Planspiegel wird der Laserstrahl in Umfangsrichtung abgelenkt, er beschreibt eine Kreisbahn auf der Zylinder- innenfläche. Da sich die vom Laserstrahl zurückgelegte Strecke von der Linse über den Planspiegel zur Zylinderfläche durch Drehung der Hohlspindel und damit des Planspiegels nicht ändert, bleibt der Laserstrahl auf der Zylinderinnenfläche fokussiert. Voraussetzung ist allerdings, dass sich der Ab- stand zwischen der Linse und dem Planspiegel nicht ändert. Um einen Auf- treffpunkt des Laserstrahls auf die Zylinderinnenfläche axial zu bewegen, müssen deswegen die Linse und der Planspiegel gemeinsam und deswegen die Hohlspindel und der in sie tauchende Tubus gemeinsam axial bewegt werden.

Eine Massenträgheit des Systems setzt einer Richtungs-und Geschwindig- keitsänderung des Laserstrahls sowohl in axialer-als auch in Umfangsrichtung Grenzen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte Vorrichtung zur Oberflächenbearbeitung einer Zylinderinnenfläche mit einem Laserstrahl vorzuschlagen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Oberflächenbearbeitung einer Zylinderinnenfläche-eines Werkstücks mit einem Laserstrahl weist einen Laser und eine Fokussier-und Ablenkoptik auf, die einen Laserstrahl des Lasers auf die Zylinderinnenfläche (Werkstückoberfläche) ablenkt und auf die Werkstück- oberfläche fokussiert. Die Fokussier-und Ablenkoptik kann transmissiv und/oder reflexiv sein, sie weist Linsen, Spiegel und/oder sonstige optische Elemente auf und lenkt den Laserstrahl mit einem Einfallswinkel von vorzugsweise 60° oder kleiner zu einer gedachten Normalen zur Werkstückoberfläche auf letztere. Die Fokussier-und Ablenkoptik kann feststehend in Bezug auf die zu bearbeitende Zylinderinnenfläche sein. Vorzugsweise weist sie eine nachfolgend auch als Vorschub bezeichnete Verstellmöglichkeit in axialer Richtung auf. Eine Dreh- oder Schwenkbarkeit der Fokussier-und Ablenkoptik ist nicht notwendig.

Des Weiteren weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine in zwei Richtungen steuerbare Strahlablenkeinheit, auch Scanner genannt, auf, die zwischen dem Laser und der Fokussier-und Ablenkoptik angeordnet ist. Mit der Strahl- ablenkeinheit ist der Laserstrahl in radialer und in Umfangsrichtung ablenkbar, wobei die Ablenkung normalerweise durch eine kombinierte Ablenkung in zwei zueinander und zum ursprünglichen Laserstrahl senkrechten Richtungen (x-und y-Richtung) erfolgen wird. Durch die Ablenkung des Laserstrahls mit der Strahlablenkeinheit und die nachfolgende nochmalige Ablenkung mit der Fokussier-und Ablenkoptik lässt sich der Laserstrahl ohne Bewegung der Fokussier-und Ablenkoptik in Umfangs-und axialer Richtung über die Zylinderinnenfläche bewegen. Mit kleinen Steuerbewegungen der Strahl- ablenkeinheit und ohne sonstige Bewegung der erfindungsgemäßen Vorrichtung lässt sich der Laserstrahl über den gesamten Umfang der Zylinderinnenfläche bewegen. Grundsätzlich ist auch keine Axialbeweglichkeit der Fokussier-und Ablenkoptik erforderlich. Sie kann allerdings wünschenswert sein, um die Fokussier-und Ablenkoptik zur Bearbeitung in die Zylinderinnenfläche hinein und nach der Bearbeitung wieder heraus bewegen zu können, um bei langen Innenzylindern den Laserstrahl auch in Endabschnitten mit einem gewünscht

steilen Einfallswinkel auf die Zylinderinnenfläche auftreffen zu lassen und um ggf. gewünschte senkrechte oder schräge Einfallswinkel des Laserstrahls an beliebigen Axialpositionen der Zylinderinnenfläche zu ermöglichen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat den Vorteil, dass ihr Aufbau vergleichs- weise einfach ist und sie außer der Strahlablenkeinheit und eventuell einem Axialvorschub der Fokussier-und Ablenkoptik in Bezug auf das Werkstück keine beweglichen Teile benötigt. Trotzdem ist eine Rundumbearbeitung ohne Unterbrechung über den gesamten Umfang der Zylinderinnenfläche möglich. Die Führung des Laserstrahls auf der Werkstückoberfläche ist beliebig, es lassen sich beispielsweise Symbole, Buchstaben und Zahlen auf die Zylinderinnenfläche "schreiben". Der Laserstrahl lässt sich schnell über die Zylinderinnenfläche bewegen und, was oftmals wichtiger ist, beliebige Richtungsänderungen und Geschwindigkeitsänderungen sind nahezu verzögerungsfrei möglich. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist eine hohe Dynamik in der Führung des Laserstrahls über die Werkstückoberfläche auf, die mit mechanisch bewegten Ablenkoptiken nicht erreichbar ist. Weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass sich der Laserstrahl bei ein-oder ausgeschaltetem Laser mit einer Geschwindigkeit, die ein Vielfaches höher als die Bearbeitungsgeschwindigkeit ist, bewegen lässt. Es ist eine sprungartige Bewegung des Laserstrahls von einer Bearbeitungsstelle zu einer nächsten Bearbeitungsstelle möglich. Ein zusätzlicher Vorteil der Erfindung ist, dass zwei oder mehr Vorrichtungen vorgesehen werden können, um zwei oder mehr Zylinderbohrungen eines Verbrennungsmotors gleichzeitig zu bearbeiten. Das hat den weiteren Vorteil der Redundanz, bei Ausfall einer Vorrichtung kann die Bearbeitung mit der oder den übrigen Vorrichtungen fortgesetzt werden.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht eine Fokussier-und Ablenkoptik mit einem winkelvergrößernden, afokalen Teleskop nach dem Gallilei'schen Typ vor.

Vorzugsweise ist ein Fokussierobjektiv vorhanden. Das dem Teleskop ins- besondere nachfolgende Fokussierobjektiv kann eine einzelne Linse sein. Das Fokussierobjektiv kann mit dem Teleskop zu einer Einheit oder einer Gruppe

zusammengefasst sein, die Fokussierfunktion kann ohne spezielle eigene Fokussieroptik in das Teleskop integriert bzw. durch das Teleskop verwirklicht sein. Diese Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht eine kompakte und leistungsstarke Fokussier-und Ablenkoptik mit einem kurzbauenden Teleskop.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht ein (oder mehrere) transmissives oder reflexives optisches Element mit einer transmissiven oder reflexiven Rotationsfläche als Ablenkoptik oder Teil der Ablenkoptik vor. Es kann sich dabei um eine herkömmliche, kreisförmige oder kreisringförmige Linse handeln, deren gewölbte, den Laserstrahl brechende Oberflächen die transmissiven Rotations- flächen bilden. Auch ein ringförmiger Spiegel bildet ein solches optisches Element. Der Spiegel weist beispielsweise eine Kegelform auf, wobei die Kegelmantelfläche in axialer Richtung ballig oder hohirund gewölbt sein kann. Die Kegelmantelfläche bildet eine reflexive Rotationsfläche. Mit Rotationsfläche ist eine Fläche gemeint, die durch Drehung einer gedachten geraden oder gekrümmten in einer Ebene liegenden Linie, der Erzeugenden, um eine in ihrer Ebene liegende gedachte Achse überstrichen wird. Diese Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht eine einfache Fokussier-und Ablenkoptik, die im ein- fachsten Fall aus einer einzelnen Linse oder einem einzelnen Spiegel, dessen reflexive Oberfläche eine Rotationsfläche ist, bestehen kann. Ein solcher Spiegel wird vorzugsweise mit einer Fokussierlinse kombiniert. Die Rotationsfläche als den Laserstrahl brechende transmissive oder ablenkende reflexive, optisch wirksame Fläche ermöglicht in einfacher Weise eine durchgehende Umlauf- bewegung des Laserstrahls auf der Werkstückoberfläche durch Ablenkung des Laserstrahls mit der Strahlablenkeinheit auf einer Kreisbahn oder genauer gesagt auf einer Kegelmantelfläche. Durch radiale Ablenkung mit der Strahlablenkeinheit wird der Laserstrahl axial auf der zu bearbeitenden Zylinderinnenfläche bewegt.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht einen Pyramidenspiegel als Bestandteil der Fokussier-und Ablenkoptik vor. Mit Pyramidenspiegel ist ein Spiegel gemeint, der die Form einer Pyramide oder eines Pyramidenstumpfs aufweist, wobei Mantelflächen der Pyramide Spiegelsegmente bilden. Die Spiegelsegmente

haben die Form gleichschenkliger Trapeze. Durch Bewegen des Laserstrahls mit der Strahlablenkeinheit über die Spiegelsegmente des Pyramidenspiegels lässt sich der Laserstrahl in Umfangsrichtung und in axialer Richtung über die zu bearbeitende Zylinderinnenfläche bewegen. Durch einen"Sprung"des Laser- strahls auf das in Umfangsrichtung nächste Spiegelsegment des Pyramidenspiegels lässt sich die Bewegung des Laserstrahls auf der zu bearbeitenden Zylinderinnenfläche fortsetzen. Die Anzahl der Spiegelsegmente in Umfangsrichtung sollte so groß gewählt werden, dass die mit dem Laserstrahl über ein Spiegelsegment überstreichbaren Umfangsabschnitte der zu be- arbeitenden Zylinderinnenfläche einander überlappen oder zumindest lückenlos aneinander stoßen.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht einen Pyramidenspiegel mit zwei axial hintereinander angeordneten Segmentringen vor, die gegeneinander in Umfangs- richtung verdreht angeordnet sind. Es handelt sich an sich um zwei Pyramiden- stümpfe mit gleicher Anzahl an Mantelflächen, die gegeneinander verdreht angeordnet sind. Die Verdrehung beträgt vorzugsweise die Hälfte einer Breite der Spiegelsegmente in Umfangsrichtung. Dieser Pyramidenspiegel kann sich dadurch entstanden vorgestellt werden, dass ein Pyramidenstumpf, dessen Mantelflächen die Spiegelsegmente bilden, in ungefähr halber Höhe parallel zur Grundfläche geschnitten und die dadurch gebildeten Pyramidenstümpfe gegeneinander verdreht sind. Durch die Überlappung der axial gestaffelten Spiegelsegmente in Umfangsrichtung ist eine in Umfangsrichtung unter- brechungsfreie Bewegung des Laserstrahls auf der zu bearbeitenden Zylinder- innenfläche möglich. Da der Laserstrahl mit der Strahlablenkeinheit sprungartig von einem zum nächsten Spiegelsegment bewegbar ist, ist eine nahezu kontinuierliche Oberflächenbearbeitung möglich. Der Pyramidenspiegel kann ein Innen-oder ein Außenspiegel sein. Bei einem Innenspiegel bilden Innenseiten von Mantelflächen einer Hohlpyramide die Spiegelsegmente.

Auch kann der Pyramidenspiegel gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung aus einem transmissiven Material bestehen, an dessen Mantelflächen der Laserstrahl durch Totalreflexion reflektiert wird.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht eine Befestigung des Pyramidenspiegels an einem transmissiven optischen Element, beispielsweise an einer Fokussier- linse oder einem Fokussierobjektiv vor. Dadurch erübrigt sich eine anderweitige Halterung des Pyramidenspiegels seitlich von außen, die den Laserstrahl bei einer umlaufenden Bewegung des Laserstrahls beispielsweise auf einer Kegelmantelfläche unterbrechen würde.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht eine Spülgaseinrichtung vor, die einen Spülgasstrom an einer Bearbeitungsstelle bewirkt, der Abtrag entfernt. Das Spülgas kann Luft oder ein Inertgas (Schutzgas) sein. Die Bearbeitungsstelle ist die Stelle, an der der Laserstrahl auf die zu bearbeitende Zylinderinnenfläche trifft. Abbrand sind Partikel, die bei der Oberflächenbearbeitung mit dem Laserstrahl entstehen. Der Spülgasstrom vermeidet oder verringert eine Verschmutzung der Optik der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Der Gasstrom kann auch der Bearbeitungsstelle zugeführt werden, um eine chemische Reaktion zu bewirken. So kann beispielsweise Sauerstoff zugeführt werden um durch Oxidation die Temperatur an der Bearbeitungsstelle zu erhöhen und die Materialbearbeitung zu verbessern beispielsweise vergleichbar einer Sauer- stofflanze oder einem Schneidbrenner. In diesem Fall ist die Gaszuführung nicht mehr als Spülgaseinrichtung zu bezeichnen.

Der Spülgasstrom ist bei einer Ausgestaltung der Erfindung so gerichtet, dass er durch einen Spalt zwischen der Fokussier-und Ablenkoptik und der zu bearbeitenden Werkstückoberfläche durchtritt, bevor er den Laserstrahl an der Bearbeitungsstelle kreuzt und den Abbrand von der Optik weg transportiert. Diese Ausgestaltung ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn die zu bearbeitende Zylinderinnenfläche an einer der Fokussier-und Ablenkoptik abgewandten Stirnseite offen ist, so dass der Spülgasstrom mit dem Abbrand dort austreten oder besser abgesaugt werden kann. Ist die zu bearbeitende Zylinderinnenfläche

an einem Stirnende geschlossen, ist erfindungsgemäß eine Umkehrspülung möglich, bei der der Spülgasstrom entlang der zu bearbeitenden Zylinder- innenfläche geleitet wird und den Abbrand von der Bearbeitungsstelle der Fokussier-und Ablenkoptik entgegen durch den Spalt zwischen der Fokussier- und Ablenkoptik und der zu bearbeitenden Zylinderinnenfläche durchleitet.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Gaszuführung durch eine oder mehrere optische Elemente, beispielsweise Spiegel oder Linsen, der Fokussier-und Ablenkoptik erfolgt. Die optischen Elemente weisen einen oder mehrere Gasdurchlässe, beispielsweise ein Mittelloch auf. Der Gasstrom tritt durch das letzte optische Element der Fokussier-und Ablenkoptik aus, wird beispielsweise vergleichbar einer Umkehrspülung um 180° umgelenkt und fördert den Abbrand weg von der Bearbeitungsstelle vorbei an der Fokussier-und Ablenkoptik aus der Zylinderinnenfläche. Die Gaszuführung kann beispielsweise von einer Seite durch ein rohrförmiges Gehäuse der Fokussier-und Ablenkoptik zwischen die optischen Elemente erfolgen. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine Gasführung teilweise durch die Fokussier-und Ablenkoptik ohne eine den Laserstrahl kreuzende Gasleitung.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die Figuren zeigen verschiedene Aus- führungsbeispiele der Erfindung in Achsschnittdarstellungen. Die Zeichnungen sind als schematisierte und vereinfachte Darstellungen zur Erläuterung der Erfindung zu verstehen.

Die in Figur 1 dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung 1 dient zur Ober- flächenbearbeitung einer Zylinderinnenfläche 2 eines Werkstücks 3 mit einem Laserstrahl 4. Die Zylinderinnenfläche 2 kann auch als Werkstückoberfläche 2 bezeichnet werden. Im dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Zylinderinnenfläche 2 eine Zylinderbohrung eines Motorblocks eines Verbrennungsmotors, wobei der Motorblock das Werkstück 3 bildet. Die Zylinderinnenfläche 2 wird durch die Laserbearbeitung strukturiert wie es bislang

üblicherweise durch Honen erfolgt. Die Laserbearbeitung kann auch zusätzlich zu einem Honen durchgeführt werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 weist einen Laser 5 auf, dessen Laserstrahl 4 von einer in zwei Richtungen steuerbaren Strahlablenkeinheit 6 seitlich in zwei Richtungen ablenkbar ist. Derartige, auch als Scanner bezeichnete Strahl- ablenkeinheiten 6 sind an sich bekannt und sollen deswegen an dieser Stelle nicht näher erläutert werden. Die Strahlablenkeinheit 6 lenkt den Laserstrahl 4 in zwei zueinander senkrechten Richtungen senkrecht zum eintretenden Laserstrahl 4 bzw. senkrecht zu einer gedachten Axialrichtung der Zylinderinnenfläche 2 ab.

Die Ablenkrichtungen können auch als x-und y-Richtung bezeichnet werden, eine z-Richtung ist dann die Axialrichtung der Zylinderinnenfläche 2. Mit der Strahlablenkeinrichtung 6 lässt sich der Laserstrahl 4 auf einer Kegelmantelfläche mit einstellbarem Radius bewegen, wie es in der Zeichnung durch den mit durchgezogenen Linien 4 und mit Strichlinien auf einer gegenüberliegenden Seite der Kegelmantelfläche gezeichneten Laserstrahl 4 dargestellt ist. Die Strahl- ablenkeinheit 6 beeinflusst eine Parallelität des Lichts des Laserstrahls 4 nicht, der Laserstrahl 4 weist auch nach Austritt aus der Strahlablenkeinheit 6 paralleles Licht auf. In den dargestellten Ausführungsbeispielen der Erfindung ist der Laser 5 axial zur Zylinderinnenfläche 2 angeordnet, womit gemeint ist, dass der Laserstrahl 4 axial zur Zylinderinnenfläche 2 aus dem Laser 5 austritt. Eine andere Anordnung ist möglich, beispielsweise kann der Laser 5 radial (selbstverständlich axial außerhalb des Werkstücks 3) zur Zylinderinnenfläche 2 angeordnet und der Laserstrahl 4 in der Strahlablenkeinheit um 90° umgelenkt werden.

Des Weiteren weist die Vorrichtung 1 eine Fokussier-und Ablenkoptik 7 auf, die den Laserstrahl 4 nach der Strahlablenkeinheit 6 ablenkt und auf der zu bearbeitenden Zylinderinnenfläche 2 fokussiert. Die Fokussier-und Ablenkoptik 7 hat die Aufgabe, den Laserstrahl 4 aus der Strahlablenkeinheit 6 stärker zur Seite abzulenken, damit der Laserstrahl 4 ausreichend steil auf die Zylinderinnenfläche 2 fällt. Ein Einfallswinkel a zu einer gedachten Normalen 8 zur Zylinder-

innenfläche 2 beträgt vorzugsweise 60° oder weniger. Des Weiteren fokussiert wie bereits gesagt die Fokussier-und Ablenkoptik 7 den Laserstrahl 4 auf der Zylinderinnenfläche 2.

In Figur 1 ist als einfachster Fall eine Sammellinse 9 als Fokussier-und Ablenkoptik 7 gewählt worden. Die Sammellinse 9 lenkt den Laserstrahl 4 nach außen auf die Zylinderinnenfläche 2 ab und fokussiert den Laserstrahl 4 auf der Zylinderinnenfläche 2. Durch Bewegung des Laserstrahls 4 mit der Strahl- ablenkeinheit 6 auf einer Kegelmantelfläche beschreibt der Laserstrahl 4 nach Durchtritt durch die Sammellinse 9 eine Kreisbahn auf der Zylinderinnenfläche 2.

Durch Änderung des Radius der Kegelmantelfläche, auf der die Strahlablenk- einheit 6 den Laserstrahl 4 bewegt, lässt sich der Laserstrahl 4 in axialer Richtung auf der Zylinderinnenfläche 2 bewegen. Ändert man beispielsweise den Radius, mit dem der Laserstrahl 4 von der Strahlablenkeinheit 6 ausgelenkt wird, während einer Umdrehung, so dass der Laserstrahl 4 am Eintritt in die Sammellinse 9 eine spiralförmige Bahn beschreibt, bewegt sich der Laserstrahl 4 auf der Zylinder- innenfläche 2 auf einer schraubenlinienförmigen Bahn, wodurch sich ohne Bewegen der Fokussier-und Ablenkoptik 7 einander kreuzende Bahnen auf der Zylinderinnenfläche 2 beschreiben lassen. Dadurch ist eine Strukturierung der Zylinderinnenfläche 2 mit einander kreuzenden"Spuren"möglich, vergleichbar mit den bekannten Honspuren. Grundsätzlich ist eine beliebige Führung des Laserstrahls 4 auf der Zylinderinnenfläche 2 ausschließlich durch Ablenkung des Laserstrahls 4 mit der Strahlablenkeinheit 6 und ohne Bewegung der Fokussier- und Ablenkoptik 7 möglich. Mit dem Laserstrahl 4 lassen sich beispielsweise Symbole, Buchstaben oder Zahlen auf die Zylinderinnenfläche 2"schreiben".

Es genügt eine kleine Ablenkung des Laserstrahls 4 mit der Strahlablenkeinheit 6 zur Beschreibung der geschilderten Bahnen des Laserstrahls 4 auf der Zylinderinnenfläche 2. Es genügen also kleine Bewegungen der Strahl- ablenkeinheit 6, der Laserstrahl 4 ist schnell auf der Zylinderinnenfläche 2 bewegbar. Da die bewegten Massen der Strahlablenkeinheit 6 und die Schwenkwinkel klein sind und ansonsten keine Massen bewegt werden, ist die

Massenträgheit vernachlässigbar, der Laserstrahl 4 kann quasi sprungartig von einer Stelle zu einer anderen Stelle der Zylinderinnenfläche 2 bewegt werden.

Geschwindigkeits-und Richtungsänderungen sind problemlos möglich.

Die Fokussier-und Ablenkoptik 7 kann grundsätzlich feststehend angeordnet sein. Im dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Fokussier-und Ablenkoptik 7 ausschließlich translatorisch in einer Vorschub- richtung, d. h. axial in Bezug auf die Zylinderinnenfläche 2 bewegbar. Die Bewegung der Fokussier-und Ablenkoptik 7 kann für sich allein oder gemeinsam mit der Strahlablenkeinheit 6 erfolgen. Eine Mitbewegung des Lasers 5 ist möglich aber nicht zwingend. Die Vorschubbewegung kann auch durch eine Bewegung des Werkstücks 3 erfolgen. Die Vorschubbewegung dient dazu, die Fokussier-und Ablenkoptik in die zu bearbeitende Zylinderinnenfläche 2 eintauchen zu können. Für eine Axialbewegung des Laserstrahls 4 auf der Zylinderinnenfläche 2 ist eine Vorschubbewegung der Fokussier-und Ablenkoptik 7 nur dann erforderlich, wenn eine Axialbewegung des Laserstrahls 4 durch Ablenkung mit der Strahlablenkeinheit 6 zur Bearbeitung der Zylinderinnenfläche 2 auf ihrer gesamten axialen Länge nicht ausreicht.

Der als wesentlich angesehene Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 wird darin gesehen, dass mit der Strahlablenkeinrichtung 6 als einzigem beweglichem Teil der Laserstrahl 4 ohne Unterbrechung über den gesamten Umfang der zu bearbeitenden Zylinderinnenfläche 2 bewegt werden kann. Insbesondere ist kein Drehen oder Schwenken der Fokussier-und Ablenkoptik 7 erforderlich.

Anhand Figur 1 ist das Grundprinzip der Erfindung erläutert worden. Die weiteren Figuren, die im Folgenden erläutert werden, zeigen Abwandlungen und Weiterbildungen der in Figur 1 dargestellten erfindungsgemäßen Vorrichtung 1.

Für gleiche, mit Figur 1 übereinstimmende Bauteile werden nachfolgend gleiche Bezugszahlen verwendet werden.

In Figur 2 weist die Fokussier-und Ablenkoptik 7 ein winkelvergrößerndes, afokales Teleskop 10 des Gallilei'schen Typs und ein nachfolgendes

Fokussierobjektiv 11 in Form einer Sammellinse auf. Durch Änderung des Abstands des Fokussierobjektivs 11 vom Teleskop 10 wird der Laserstrahl 4 auf der Zylinderinnenoberfläche 2 fokussiert. Im Übrigen sind die Vorrichtungen 1 in Figuren 1 und 2 gleich ausgebildet und funktionieren in gleicher Weise. Zur Erläuterung von Figur 2 wird insoweit ergänzend auf die Erläuterungen von Figur 1 verwiesen.

Die Vorrichtung aus Figur 3 weist eine Fokussierlinse 12 und einen Pyramiden- spiegel 13 auf, der in Figur 4 in Stirnansicht dargestellt ist. In Strahlrichtung des Laserstrahls 4 ist der Pyramidenspiegel 13 hinter der Fokussierlinse 12 ange- ordnet. Die Fokussierlinse 12 und der Pyramidenspiegel 13 bilden die Fokussier- und Ablenkoptik 7 der Vorrichtung 1 aus Figur 3.

Die Fokussierlinse 12 weist ein Mittelloch auf, sie kann deswegen auch als Ringlinse bezeichnet werden. Das Mittelloch der Fokussierlinse 12 dient zur Befestigung des Pyramidenspiegels 13, der mit einem Schaft 14 im Mittelloch der Fokussierlinse 12 befestigt ist. Die Fokussierlinse 12 ist in an sich bekannter Weise mit einer symbolisch dargestellten Fassung 22 an ihrem Außenrand befestigt (nicht dargestellt). Auf diese Weise ist es möglich, die Fokussierlinse 12 und insbesondere den Pyramidenspiegel 13 zu befestigen, ohne dass die Befestigung vom Laserstrahl 4 gekreuzt wird, auch wenn der Laserstrahl 4 mit der Strahlablenkeinheit 6 auf einer in Umfangsrichtung geschlossenen Kegelmantel- fläche bewegt wird.

Der Pyramidenspiegel 13 besteht genau genommen aus zwei axial aufeinander angeordneten Pyramidenstümpfen, deren Mantelflächen Spiegelsegmente 15 bilden. Die Spiegelsegmente 15 haben die Form gleichseitiger Trapeze. Sie lenken den Laserstrahl 4 nach außen auf die zu bearbeitende Zylinderinnenfläche 2 ab. Die beiden Pyramidenstümpfe des Pyramidenspiegels 13 verjüngen sich beide in Richtung der Fokussierlinse 12. Eine Grundfläche des kleineren Pyramidenstumpfs ist kleiner als die ihr zugewandte Oberseite des größeren Pyramidenstumpfs, ein Eckmaß der Grundfläche des kleineren Pyramidenstumpfs entspricht einem Abstand von Seiten der Oberseite des

größeren Pyramidenstumpfs voneinander (vgl. Figur 4). Die beiden Pyramiden- stümpfe sind um die Hälfte einer Breite ihrer Spiegelsegmente 15 gegeneinander verdreht. Jeder Pyramidenstumpf des-Pyramidenspiegels 13 weist mindestens drei Spiegelsegmente 15, d. h. eine dreieckige Grundfläche auf. Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist jeder Pyramidenstumpf sechs Spiegelsegmente 15, d. h. eine sechseckige Grundfläche auf.

Damit der Laserstrahl 4 eine in Umfangsrichtung verlaufende Bahn auf der Zylinderinnenfläche 2 beschreibt, wird er mit der Strahlablenkeinheit 6 so in Umfangs-und radialer Richtung ausgelenkt, dass er auf einem der Spiegel- segmente 15 eine bogenförmige Linie 16 beschreibt, wie sie beispielhaft in Figur 4 dargestellt ist. Um die Linie auf der Zylinderinnenfläche 2 fortzusetzen"springt" der Laserstrahl 4 auf das nächste Spiegelsegment 15 des anderen Pyramidenstumpfs des Pyramidenspiegels 13, wie es in Figur 4 mit Punkt- linienpfeilen dargestellt ist. Da der Sprung des Laserstrahls 4 von einem zum nächsten Spiegelsegment 15 mit einer sehr hohen Geschwindigkeit möglich ist, die ein Vielfaches der Bearbeitungsgeschwindigkeit des Laserstrahls 4 beträgt, lässt sich der Laserstrahl 4 nahezu unterbrechungsfrei auf einer in Umfangsrichtung geschlossenen Kreis-oder Schraubenlinienbahn bewegen. Die jeweils um die Hälfte ihrer Breite in Umfangsrichtung zueinander versetzt angeordneten Spiegelsegmente 15 stellen sicher, dass die mit dem Laserstrahl 4 überstreichbaren Umfangsabschnitte der Zylinderinnenfläche 2 einander über- lappen, so dass der Laserstrahl 4 in Umfangsrichtung ohne Unterbrechung über die Zylinderinnenfläche 2 geführt werden kann.

In Figur 5 ist der Pyramidenspiegel 13 aus Figur 3 durch einen Innenspiegel 17 ersetzt. Der Innenspiegel 16 kann ebenfalls ein Pyramidenspiegel sein, d. h. seine reflektierende Spiegelfläche weist die Form eines Pyramidenstumpfs mit reflektierenden Innenflächen auf. Eine reflektierende (Innen-) Fläche des Innenspiegels 16 kann auch eine Rotationsfläche sein. Hier kommen insbesondere ein Rotationsellipsoid, Rotationsparaboloid oder ein Rotations- hyperboloid (torisch oder mit Sattelflächen) in Betracht, da sie den Laserstrahl auf

die zu bearbeitende Zylinderinnenfläche 2 fokussierend geformt sein können.

Weniger geeignet aber nicht ausgeschlossen erscheint eine Innenfläche eines Kegels bzw. eines Kegelstumpfs. Weniger geeignet, weil eine Kegelfläche schlecht fokussierend wirkt.

Die Vorrichtung aus Figur 6 weist zusätzlich eine Spülgaseinrichtung auf, die einen Schutzgasstrom (oder auch einen Reaktionsgasstrom, beispielsweise Sauerstoff) erzeugt, der Abbrand, der durch die Laserbearbeitung entsteht, an der Fokussier-und Ablenkoptik 7 vorbei entlang der zu bearbeitenden Zylinderinnenfläche 2 ableitet. In Figur 6 erfolgt die Schutzgasführung mit einer Schutzgasleitung 18 zentral durch die Fokussier-und Ablenkoptik 7 zu einem vor der Optik angeordneten Gasleitblech 19 als Gasumlenkeinrichtung, das die Gasströmung um 180° umlenkt und entlang der Zylinderinnenfläche 2 außen an der Fokussier-und Ablenkoptik 7 vorbei leitet. Die Gaszuführung erfolgt durch einen Einlass 24 in einer Wand eines rohrförmigen Gehäuses der Fokussier-und Ablenkoptik 7 vor einer letzten Linse 23 der Fokussier-und Ablenkoptik 7. Die letzte Linse 23 weist ein Mittelloch auf, durch das der Gasstrom durch die Schutzgasleitung 18 austritt. Diese Ausgestaltung der Erfindung ist anwendbar, wenn die zu bearbeitende Zylinderinnenfläche 2 an einem Stirnende geschlossen ist.

Ist die zu bearbeitende Zylinderinnenfläche 2 an beiden Stirnenden offen, erfolgt die Spülgasführung von der Seite der Vorrichtung 1 aus zwischen der Fokussier- und Ablenkoptik 7 und der Zylinderinnenfläche 2 hindurch, so dass Abbrand von der Fokussier-und Ablenkoptik 7 weg durch das ihr ferne Stirnende der Zylinderinnenfläche 2 abgeleitet wird. Vorzugsweise wird der Schutzgasstrom dort abgesaugt. Die Schutzgasspülung vermeidet oder verringert eine Verschmutzung der Fokussier-und Ablenkoptik 7 durch Abbrand, der durch die Laserbearbeitung entsteht. Die Spülgaseinrichtung in Figur 7 weist eine Ringdüse 20 auf, die die Fokussier-und Ablenkoptik 7 umschließt. Statt einer Ringdüse 20 können auch Einzeldüsen über den Umfang verteilt angeordnet sein.