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Dokumentenidentifikation DE102004029672B4 12.04.2007
Titel Vorrichtung zur Bearbeitung von Werkstücken
Anmelder Novapax Kunststofftechnik Steiner GmbH & Co. KG, 12099 Berlin, DE
Vertreter Kanzlei Pfenning, Meinig & Partner GbR, 10719 Berlin
DE-Anmeldedatum 11.06.2004
DE-Aktenzeichen 102004029672
Offenlegungstag 02.02.2006
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 12.04.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.04.2007
IPC-Hauptklasse B23K 26/04(2006.01)A, F, I, 20061113, B, H, DE
IPC-Nebenklasse B23K 26/03(2006.01)A, L, I, 20061113, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bearbeitung von Werkstücken nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Laserstrahlgeräte zur Bearbeitung von Werkstücken sind allgemein bekannt. Diese Geräte weisen eine eine Laserstrahlung erzeugende Laserstrahlquelle und eine Fokussiereinrichtung für die Fokussierung des Laserstrahls auf das Werkstück auf, wobei eine Auskoppeloptik den Laserstrahl auf das Werkstück richtet. Ein solches Gerät ist beispielsweise in der DE 101 09 836 A1 offenbart. Dabei ist das Gerät linear geradlinig aufgebaut und muss üblicherweise auf ein Stativ neben der Werkzeugmaschine befestigt werden.

Die DE 102 00 349 A1 beschreibt ein optisches Abbildungs- und/oder Strahlführungssystem mit einer Strahlquelle, die in vielen Anwendungsfällen als Laser ausgebildet sein wird. In der Zeichnung ist die Strahlungsquelle als viereckiger Kasten dargestellt, der in Aufeinanderlage, d.h. in Reihe mit dem Abbildungs- oder Strahlführungssystem angeordnet ist, wobei wahrscheinlich zwischen beiden ein Dichtungsring angedeutet ist, da das Strahlführungssystem von Schutzgas durchströmt wird und zur Strahlungsquelle offen zu sein scheint.

Die DE 295 18 138 U1 betrifft einen Lasergravier- und Schneidgerät, das eine Laserquelle und eine Bearbeitungsoptik umfasst. Dabei ist in einem Ausführungsbeispiel die Laserquelle mit der Bearbeitungsoptik vertikal angeordnet, während in einem anderen Ausführungsbeispiel die Laserquelle horizontal angeordnet ist und die gesamte optische Anordnung einen Umlenkspiegel horizontal/vertikal aufweist, um die Strahlführung zu der sogenannten Bearbeitungsoptik umzulenken.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Bearbeitung von Werkstücken, z.B. ein Laserschweißgerät zu schaffen, das kompakt ist und somit kleinere Abmessungen aufweist und weiterhin mobil ausgebildet ist, d.h., innerhalb einer Werkstatt an verschiedene Arbeitsplätze transportiert werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs gelöst.

Dadurch, dass die Vorrichtung modular ausgebildet ist und die Laserstrahlquelle als getrennte Baueinheit ausgeführt ist und über Befestigungsmittel lösbar rechtwinklig an bzw. auf der Fokussiereinrichtung befestigt ist, können die Abmessungen der Vorrichtung verkleinert werden und eine kompakte Bauweise für das Gesamtgerät erzielt werden. Es sind keine zusätzlichen Hilfsmittel, wie Stative für die Positionierung an einer Werkzeugmaschine notwendig, sondern die Werkzeugmaschine selber kann als Hilfsmittel verwendet werden. Durch die lösbare Befestigung der Laserstrahlquelle ist auch ein leichter Transport möglich.

Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich. Besonders vorteilhaft ist, dass die Justierung des Laserstrahls in der Laserstrahlquelle in Bezug auf die Austrittsöffnung aus der Baueinheit nur am ersten, d.h. hinteren Spiegel vorgenommen wird, und aufgrund von Positioniermitteln zwischen Baueinheit der Laserstrahlquelle und Gehäuse der Fokussiereinrichtung beim Anschluss der Laserstrahlquelle an die Fokussiereinrichtung automatisch und ohne zusätzliche Justierung der Laserstrahlquelle auf das Teleskop der Fokussiereinrichtung trifft. Da der zweite Spiegel flach ist und fest im Gehäuse aufgenommen ist und die Justierung am ersten Spiegel vorgenommen wird, ist die Vorrichtung robuster und der zweite Spiegel muss nicht zugänglich sein.

Vorteilhaft ist, dass die Fokussiereinrichtung gleichfalls in einem Gehäuse aufgenommen ist, an dem das Gehäuse der Laserstrahlquelle und das Gehäuse der Beobachtungseinrichtung mit Okular befestigt sind. Die Fokussiereinrichtung dient somit gleichzeitig als mechanische Basis, die die Kräfte der anderen Module aufnimmt.

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt schematisch den Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Seitenansicht.

Die in der Figur dargestellte Vorrichtung zur Bearbeitung von Werkstücken, beispielsweise zum Schweißen von Metall weist als wesentliche Bestandteile eine als Resonator ausgebildete Laserstrahlquelle 1, eine Fokussiereinrichtung 2 mit zugeordneter Auskoppeleinheit 4 und eine Beobachtungseinrichtung 3 auf. Diese Bestandteile sind als Module ausgebildet und sind in ihrer Gesamtheit als modulare Baueinheit aufgebaut.

Die Laserstrahlquelle 1 ist in einem separaten Gehäuse 5 aufgenommen und umfasst eine Pumpkavität 6, in der ein Laserkristall 7 und mindestens eine dem Laserkristall 7 zugeordnete Pumplichtquelle 8, z.B. eine Blitzlampe aufgenommen sind. In den Strahlgang der vom Laserkristall 7 abgegebenen Laserstrahlung ist ein erster Laserspiegel 9 und ein zweiter Laserspiegel 10 angeordnet, wobei der erste Laserspiegel 9 die Strahlung in den Laserkristall zurückwirft und der zweite Laserspiegel 10 als Austrittsspiegel ausgebildet ist, der die Laserstrahlung einerseits für eine Mehrfachreflexion zurückwirft und andererseits einen Teil der Strahlung nach außen durchlässt. In dem Gehäuse 5 ist entsprechend dem Strahlengang der Laserstrahlung zwischen den Laserspiegeln 9 und 10 und dem Austrittsstrahlengang eine Öffnung 11 vorgesehen, die die Austrittsöffnung der Laserstrahlung aus der als getrennte Baueinheit ausgebildete Laserstrahlquelle 1 darstellt. Der Laserspiegel 10 ist flach ausgebildet und rechtwinklig zur Achse des Laserkristalls 7 unbeweglich befestigt, während der Laserspiegel 9 eine sphärische Fläche mit großem Krümmungsradius hat und zur Justierung beweglich ist.

Die Fokussiereinrichtung 2 weist als wesentlichen Bestandteil ein Teleskop 12 auf, das ein Okular 13 und ein Teleskopobjektiv 14 umfasst, wobei das Teleskop zur Fokussierung der Strahlung entsprechend den Pfeilen 15 durch nicht dargestellte Einstellmittel verschieblich einstellbar ist. Die Fokussiereinrichtung ist weiterhin mit einem ersten Umlenkspiegel 16, der in einem Winkel von 45° angeordnet ist und eine auftreffende Strahlung um 90° ablenkt, und einem zweiten Umlenkspiegel 17 versehen, der gleichfalls in einem Winkel von 45° angeordnet ist und die auftreffende Strahlung um 90° auf die Auskoppeleinheit 4 lenkt, die eine Fokussierlinse 18 und ein Schutzglas 19 umfasst.

Der Fokussiereinrichtung 2 ist zusätzlich eine als gesonderte Baueinheit ausgeführte Beobachtungseinrichtung 3 zugeordnet, die ein Mikroskop 20 mit Okular 21, ein LCD-Filter 22 und ein Laserschutzfilter 23 aufweist. Der Strahlengang der Beobachtungseinrichtung verläuft über den schräg gestellten Umlenkspiegel 17, der teildurchlässig ist, und die Auskoppeleinheit 4 auf das zu bearbeitende Werkstück. Dabei sind zusätzliche Einstellmittel an der Beobachtungseinrichtung vorgesehen, über die die Auskoppeleinheit 4 entsprechend den Pfeilen 24 an die Oberfläche des Werkstücks angepasst werden kann.

Die Bestandteile der Fokussiereinrichtung 2 sind gleichfalls in einem Gehäuse 25 aufgenommen, das eine Öffnung 26 für den Eintritt der von der Laserstrahlquelle 1 erzeugten Laserstrahlung aufweist. Ein Lasershutter 27 ist hinter der Öffnung derart verschieblich angeordnet, dass er aus einer den Strahlengang freigebenden Stellung in eine Stellung gebracht werden kann, in der die Laserstrahlung unterbrochen wird

Die im Gehäuse 5 aufgenommene Laserstrahlquelle 1, die als gesonderte Baueinheit ausgeführt ist, wird über Befestigungsmittel, beispielsweise Schrauben, mit dem Gehäuse 25 der Fokussiereinrichtung 2 verbunden, wobei die Längsachse der Fokussiereinrichtung 2 senkrecht zur Längsachse der Laserstrahleinheit 1 zu liegen kommt, d.h. die Laserstrahleinheit ist senkrecht auf der Fokussiereinrichtung angeordnet. Dabei sind die Öffnungen 11 und 26 der Gehäuse 5 und 25 zueinander ausgerichtet. Die Schrauben dienen gleichzeitig als Positioniermittel für die Vorgabe der definierten Stellung des Gehäuses 5 zu dem Gehäuse 25, wobei jedoch zusätzliche und/andere Positioniermittel an den Gehäusen vorgesehen sein können. Die Ausrichtung der beiden Gehäuse bzw. der Laserstrahlquelle zu der Fokussiereinheit ist derart, dass die Laserstrahlung in einem Winkel von 45° auf den Umlenkspiegel 16 fällt, d.h. dass die Strahlengänge der Laserstrahlquelle 1 und der Fokussiereinrichtung 2 einen Winkel von 90° vorgeben. Auf dem Gehäuse 25 ist ebenfalls die Beobachtungseinrichtung befestigt.

Die Laserstrahlenquelle, d.h. der jeweilige Laserstrahl wird an dem zweiten Spiegel 9 justiert, damit er eine korrekte Ausrichtung in Bezug auf die Austrittsöffnung 11 der Laserstrahlenquelle 1 aufweist.

Die beschriebene Vorrichtung kann für unterschiedliche Zwecke benutzt werden, beispielsweise für die Laserstrahlbearbeitung von Werkstoffen und Werkstücken in Form von Schweißen, Löten, Schneiden, Bohren und thermischen Verfestigen. Für die Bearbeitung wird die Laserstrahlung in den Laserkristall durch Anregung durch das Pumplicht, beispielsweise einer Blitzlampe erzeugt und mehrfach hin und her reflektiert und gelangt über den Austrittsspiegel 10 auf den Umlenkspiegel 16, wird um 90° umgelenkt und trifft auf das Teleskop 12. Beim Austritt aus dem Teleskop 12 gelangt die Strahlung durch Reflexion am Umlenkspiegel 17 auf die Fokussierlinse 8 und wird auf dem zu bearbeitenden Werkstoff gebündelt. Dabei kann das Werkstück über die Beobachtungseinrichtung 3 beobachtet werden, und die Fokussierung, d.h. die Bündelung auf das Werkstück wird entsprechend dem Pfeil 24 vor dem eigentlichen Bearbeitungsvorgang eingestellt. Im Moment des Laserimpulses blockiert das LCD-Filter 22 den optischen Kanal in der Beobachtungseinrichtung.

Das Gehäuse 25 der Fokussiereinrichtung ist so ausgeführt, dass die Laserstrahlquelle sowie die Beobachtungseinrichtung an ihm befestigt werden können.


Anspruch[de]
Vorrichtung zur Bearbeitung von Werkstücken mit einer Laserstrahlquelle und einer in einem ersten Gehäuse aufgenommenen Fokussiereinrichtung mit einer Strahlauskoppeleinheit, wobei die Laserstrahlquelle (1) in einem zweiten Gehäuse (5) aufgenommen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlquelle als getrennte Baueinheit ausgeführt ist und dass die Baueinheit über Befestigungs- und/oder Positioniermittel rechtwinklig und lösbar mit der Fokussiereinrichtung (2) verbunden ist. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Fokussiereinrichtung (2) eine Beobachtungseinrichtung (3) zugeordnet ist. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die als eine Baueinheit ausgebildete Laserstrahlquelle (1) einen in einer Pumpkavität (6) aufgenommen Laserkristall (7) mit zugeordneter Pumplichtquelle (8) und einen ersten und zweiten Laserspiegel (9, 10) aufweist, wobei der zweite Laserspiegel (10) gleichzeitig den Austrittsspiegel des Laserstrahls aus der Baueinheit bildet. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Laserspiegel (9) eine Justiervorrichtung zum Justieren des reflektierten Laserstrahls aufweist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussiereinrichtung (2) mindestens einen ersten Umlenkspiegel (16), ein Teleskop (12) und einem zweiten Umlenkspiegel (17) aufweist, wobei der erste Umlenkspiegel den von der Laserstrahlquelle (1) abgegebenen Laserstrahl um 90° auf das Teleskop (12) lenkt und der zweite Umlenkspiegel (17) den Laserstrahl über die Auskoppeleinheit (4) auf das Werkstück richtet. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Beobachtungsstrahlengang der Beobachtungseinrichtung (3) über den zweiten Umlenkspiegel (17) und die Auskoppeleinheit (4) auf das Werkstück gerichtet ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Laserspiegel (9) eine sphärische Fläche aufweist und der zweite Laserspiegel (10) flach ist und rechtwinklig zur Achse des Laserkristalls unbeweglich befestigt ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestandteile der Fokussiereinrichtung in einem Gehäuse aufgenommen sind, an dem die Laserstrahlquelle und die Beobachtungseinrichtung befestigt sind. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlquelle, die Fokussiereinrichtung und die Beobachtungseinrichtung jeweils als Modul ausgebildet sind und eine modulare Einheit bilden.






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