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1. (WO2019034397) OPTICAL ELEMENT FOR FILTERING OUT UV PROCESS RADIATION, LASER MACHINING HEAD COMPRISING SUCH AN OPTICAL ELEMENT, AND CORRESPONDING LASER MACHINING METHOD
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OPTISCHES ELEMENT ZUM HERAUSFILTERN VON UV-PROZESSSTRAHLUNG, LASERBEARBEITUNGSKOPF MIT EINEM SOLCHEN OPTISCHEN ELEMENT, UND ZUGEHÖRIGES LASERBEARBEITUNGSVERFAHREN

Die Erfindung betrifft einen Laserbearbeitungskopf für die Laserbearbeitung von

Werkstücken mittels eines Laserstrahls mit mindestens einem im Strahlengang

des Laserstrahls angeordneten optischen Element, sowie auch ein zugehöriges

Verfahren zum Laserbearbeiten, insbesondere Laserschneiden, von Werkstücken mittels eines von einem Laserbearbeitungskopf auf ein Werkstück gerichteten Laserstrahls.

Derartige Laserbearbeitungsköpfe und Laserbearbeitungsverfahren sind hinlänglich bekannt.

Bei Laserbearbeitungsprozessen, insbesondere Laserschneidprozessen, mit CO2-Laserstrahlung ist es bekannt, dass es aufgrund des hohen Energieeintrags in der Prozesszone zur Entstehung eines Plasmas kommen kann. Die Neigung der die Prozesszone umgebenden Atmosphäre zur Ausbildung eines Plasmas ist abhängig von der Wellenlänge der einwirkenden Laserstrahlung und ist beim Einsatz von CO2-Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von 10,6 μιτι etwa 100mal höher als beim Einsatz von Festkörper- oder Diodenlaserstrahlung mit einer Wellenlänge im Bereich von 1 μιτι oder darunter. Bei der Materialbearbeitung mit CO2-Lasern sind daher üblicherweise Regelungsprozesse beispielsweise für die Regelung der Laserleistung oder der Schneidgeschwindigkeit vorgesehen, durch die das Auftreten von Plasma detektiert und/oder verhindert wird. Bei der Materialbearbeitung mit Festkörperlasern sind bis zu einer Laserleistung von 6 kW solche Regelungseingriffe in den Prozess nicht nötig, da es nicht zur Plasmabildung kommt. Aller-dings hat sich gezeigt, dass es beim Laserschneiden mit einer Laserleistung von größer als 6 kW auch beim Einsatz eines Festkörper- oder Diodenlasers als Strahlquelle, insbesondere bei langen Schnitten, zu Prozessstörungen bis hin zum Schnittabriss kommen kann.

Die vorliegende Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, einen Laserbearbeitungskopf der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass solche Prozessstörungen bei der Lasermaterialbearbeitung mit Laserleistungen von größer als 6 kW vermieden werden können und folglich die Prozessstabilität erhöht werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das mindestens eine optische Element ausgebildet ist, aus einer vom Werkstück kommenden Prozessstrahlung Strahlungsanteile mit Wellenlängen kleiner als 400 nm herauszufiltern bzw. zu blockieren. Vorzugsweise ist das optische Element aus Quarzglas oder Zinkselenid gebildet.

Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass bei der Materialbearbeitung, insbesondere beim Laserschneiden, mit Festkörper- oder Diodenlaserstrahlung hoher Leistung (> 6 kW) zwar kein Atmosphären-Plasma gebildet wird, dass jedoch entstehende Metalldämpfe in energetisch intensive Zustände versetzt werden, was zu leistungsstarken Prozessemissionen im Wellenlängenbereich kleiner als 400 nm führt. Die in Laserbearbeitungsköpfen für die Materialbearbeitung mit Festkörperlasern eingesetzten optischen Elemente (Spiegel, Linsen, Schutzgläser) bestehen übli-cherweise aus hochreinem Quarz. Für diese optischen Elemente ist Prozessstrahlung mit Wellenlängen unter 400 nm kritisch, da Quarz in diesem Wellenlängenbereich absorbiert. Ebenso können Beschichtungsmaterialien, die z.B. zur Ent-spiegelung der optischen Elemente verwendet werden (z.B. Ta2O5), in einem Wellenlängenbereich unter 400 nm absorbierend sein und einen negativen Aufheiz-prozess der optischen Elemente initiieren. Insbesondere bei langen Prozessdauern, beispielsweise bei langen Schnitten, kann es durch diese Erwärmung von optischen Elementen zu einem Shift der Fokuslage, also zu einer Veränderung der Fokuslage des Laserstrahls in Strahlausbreitungsrichtung, kommen. Erfindungsgemäß filtert das optische Element Strahlungsanteile mit Wellenlängen kleiner als 400 nm aus der vom Werkstück bzw. von der Prozesszone erzeugten Prozessstrahlung heraus, so dass sich die optischen Elemente nicht bzw. nur geringfügig aufheizen und somit kein Shift der Fokuslage auftritt.

In einer bevorzugten ersten Ausführungsform weist das optische Element eine für die Laserwellenlänge des Laserstrahls transmittierende und für Strahlungsanteile der Prozessstrahlung mit Wellenlängen kleiner als 400 nm hochreflektierende Be-schichtung auf. Die störende Prozessstrahlung wird am optischen Element zurück in Richtung Werkstück bzw. Prozesszone reflektiert, so dass sie nicht durch das optische Element hindurchtritt und auf diese Weise von den übrigen optischen Elementen des Laserbearbeitungskopfs ferngehalten wird.

Vorzugsweise weist die Beschichtung eine Transmission von mindestens 99% für Laserwellenlängen zwischen 900 und 1 100 nm oder im Bereich von 10,6 μιτι und eine Reflexion von mindestens 90%, bevorzugt mindestens 95%, für Strahlungs-anteile der Prozessstrahlung mit Wellenlängen kleiner als 400 nm auf. Mit anderen Worten ist die Beschichtung nicht-absorbierend und anti-reflektierend für die Laserwellenlänge und gleichzeitig hochreflektierend für Wellenlängen der Prozessstrahlung unter 400 nm.

Die Beschichtung ist bevorzugt durch ein aus mehreren Schichten bestehendes Interferenzschichtsystem gebildet und vorteilhaft so ausgeführt, dass sie für einen Einfallswinkel des Laserstrahls von kleiner 15° auf das optische Element zu destruktiver Interferenz der an den einzelnen Schichten reflektierten Strahlungsantei-le führt und für Prozessstrahlung mit Wellenlängen kleiner als 400 nm bei einem Einfallswinkel der Prozessstrahlung von kleiner als 15° auf das optische Element zu konstruktiver Interferenz der reflektierten Strahlungsanteile führt. Auf diese Weise wird eine gute Entspiegelung des optischen Elements für die typischen Einfallswinkel des Laserstrahls auf dem optischen Element erreicht. Das Interferenz-schichtsystem kann mehrere Schichten aus dielektrischem Material umfassen, die sich in ihrem Brechungsindex und ihrer Schichtdicke unterscheiden. Das dielektrische Material kann ein Metalloxid aufweisen oder aus einem Metalloxid bestehen und muss UV- und temperaturstabil sein. Für UV-reflektierende Beschichtungen sind beispielsweise Schichtsysteme aus Titanoxid (TiO2) und Siliziumdioxid (SiO2) geeignet. Hochreflektierende Interferenzschichtsysteme für UV-Strahlung sind beispielsweise aus der WO 01/46718 A2 bekannt.

Besonders bevorzugt ist die Beschichtung auf dem im Strahlengang des Laserstrahls letzten oder vorletzten optischen Element vorgesehen, und zwar insbeson-dere auf dessen dem Werkstück zugewandten Seite. Im Allgemeinen ist es ausreichend, das optische Element nur auf einer Seite mit der Beschichtung zu versehen. Bei dem optischen Element kann es sich beispielsweise um ein werkstück-seitiges Schutzglas handeln, dessen dem Werkstück zugewandte Seite die Beschichtung aufweist, so dass die störende Prozessstrahlung erst gar nicht in den Laserbearbeitungskopf eintritt. Wenn dies - beispielsweise aus Kostengründen für ein häufig zu tauschendes Ersatzteil - nicht sinnvoll ist, kann auch eines der übrigen optischen Elemente im Laserbearbeitungskopf mit der Beschichtung versehen sein. So kann beispielsweise ein weiteres Schutzglas im Strahlengang vor dem werkstückseitigen Schutzglas angeordnet sein, das nicht verschmutzt und daher nicht oder nicht so häufig getauscht werden muss.

In einer bevorzugten zweiten Ausführungsform weist das optische Element eine für die Laserwellenlänge des Laserstrahls reflektierende und für Wellenlängen der Prozessstrahlung kleiner als 400 nm hochabsorbierende Beschichtung auf. Die

störenden Strahlungsanteile der Prozessstrahlung werden dann am optischen Element, z.B. an einem für den Laserstrahl vorgesehenen Umlenkspiegel, absorbiert und breiten sich nicht weiter im Laserbearbeitungskopf aus. Diese zweite Ausführungsform setzt eine gute Wärmeabfuhr aus dem absorbierenden opti-sehen Element voraus, so dass das optische Element bevorzugt in thermischem Kontakt mit einer Wärmesenke steht.

Vorzugsweise weist die Beschichtung eine Reflexion von mindestens 97% für Laserwellenlängen zwischen 900 und 1 100 nm oder im Bereich von 10,6 μιτι und eine Absorption von mindestens 90% für Wellenlängen der Prozessstrahlung von kleiner als 400 nm auf. Mit anderen Worten ist die Beschichtung nicht-absorbierend und anti-reflektierend für die Laserwellenlänge und gleichzeitig hochabsorbierend für Wellenlängen der Prozessstrahlung unter 400 nm.

Die Beschichtung ist bevorzugt durch ein aus mehreren Schichten bestehendes Schichtsystem zur Absorption von UV-Strahlung ausgeführt und kann beispielsweise Tantalpentoxid (Ta2O5) oder Hafniumoxid (HfO2) als Schichtmaterial aufweisen. Solche hochabsorbierenden Beschichtungen für UV-Strahlung sind beispielsweise aus der DE 101 27 225 A1 bekannt.

Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Laserbearbeitungskopfes weist die Beschichtung für sichtbare Prozessstrahlung eine Transmission von größer als 50% auf, um durch das optische Element (Schutzglas, Linse, wellenlängenselektiver Spiegel) hindurch eine Prozessbeobachtung oder die Be-obachtung eines sichtbaren Pilotlaserstrahls zu ermöglichen.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist das optische Element eine Codierung, insbesondere eine mechanische oder optische Codierung, für den lagerichtigen Einbau des optischen Elements im Laserbearbeitungskopf auf. Durch die Co-dierung ist sicherstellt, dass das optische Element nur so in den Laserbearbeitungskopf eingesetzt werden kann, dass seine beschichtete Seite zum Werkstück zeigt. Bei der Codierung kann es sich um eine besondere Außenkontur des optischen Elements oder auch um eine Beschriftung, z.B. an der Seitenkante des optischen Elements, handeln.

Die Erfindung betrifft auch ein optisches Element für einen wie oben ausgebildeten Laserbearbeitungskopf.

Die Erfindung betrifft schließlich auch ein Verfahren zum Laserbearbeiten, insbesondere Laserschneiden, von Werkstücken mittels eines Laserstrahls mit einer Leistung von größer als 6 kW und bevorzugt mit einer Laserwellenlänge zwischen 900 und 1 100 nm oder im Bereich von 10,6 μιτι, wobei der Laserstrahl von einem wie oben ausgebildeten Laserbearbeitungskopf auf ein Werkstück gerichtet wird.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung. Es zeigen:

eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Laserbearbeitungskopfes mit einem Schutzglas zum Reflektieren von UV- Prozessstrahlung;

den in Fig. 1 gezeigten Laserbearbeitungskopf mit einer zusätzlichen Prozesslichtbeobachtung;

eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Laserbearbeitungskopfes mit einem inneren Schutzglas zum Reflektieren von UV- Prozessstrahlung;

eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Laserbearbeitungskopfes mit einem Spiegel zum Absorbieren von UV- Prozessstrahlung; und

den in Fig. 4 gezeigten Laserbearbeitungskopf mit einer zusätzlichen Prozesslichtbeobachtung.

Der in Fig. 1 gezeigte Laserbearbeitungskopf 1 dient zur Bearbeitung von Werk- stücken 2 mittels eines Laserstrahls 3 mit einer Laserleistung von größer als 6 kW und mit einer Laserwellenlänge im Bereich von ca. 1 μιτι oder ca. 10 μιτι. Der Laserstrahl 3 wird von einem Laserstrahlerzeuger 4, z.B. von einem CO2-Laser (Laserwellenlänge 10,6 μιτι) oder von einem Dioden- oder Festkörperlaser (Laserwel-lenlängen zwischen 900 und 1 100 nm), erzeugt und mittels (nicht gezeigter) Umlenkspiegel oder eines (nicht gezeigten) Lichtleitkabels vom Laserstrahlerzeuger 4 zum Laserbearbeitungskopf 1 geführt.

Im Strahlengang des Laserstrahls 3 sind im Laserbearbeitungskopf 1 zwei opti-sehe Elemente 5, 6 angeordnet, nämlich eine Fokussierlinse 5 zum Fokussieren des Laserstrahls 3 in Richtung auf das Werkstück 2 und ein Schutzglas 6, durch das der fokussierte Laserstrahls 3 aus dem Laserbearbeitungskopf 1 austritt. Das Schutzglas 6 ist also das in Strahlausbreitungsrichtung des Laserstrahls 3 letzte optische Element des Laserbearbeitungskopfes 1 .

Bei der Laserbearbeitung mit Laserleistungen größer als 6 kW wird am Werkstück 2 bzw. in der Prozesszone aufgrund eines Atmosphären-Plasmas oder energetisch intensiver Metalldämpfe Prozessstrahlung 7 erzeugt, die auch Strahlungsanteile mit Wellenlängen kleiner als 400 nm aufweist. Die im Laserbearbeitungskopf 1 zur Strahlführung des Laserstrahls 3 eingesetzten optischen Elemente, wie die hier gezeigte Fokussierlinse 5 und das Schutzglas 6, bestehen bei der Laserbearbeitung mit Dioden- oder Festkörperlasern üblicherweise aus hochreinem Quarz. Für diese optischen Elemente sind Wellenlängen unter 400 nm kritisch, da Quarz in diesem Wellenlängenbereich absorbiert und die optischen Elemente daher er-wärmt werden. Ebenso können Beschichtungsmaterialien, die z.B. zur Entspiege-lung der optischen Elemente verwendet werden (z.B. Ta2O5), in einem Wellenlängenbereich unter 400nm absorbierend sein und ebenfalls zur Erwärmung der optischen Elemente führen. Insbesondere bei langen Prozessdauern, beispielsweise bei langen Schnitten, kann es durch diese Erwärmung von optischen Elementen zu einem unerwünschten Shift der Fokuslage, also zu einer Veränderung der Fokuslage des Laserstrahls 3 in Strahlausbreitungsrichtung, kommen.

Um zu verhindern, dass die optischen Elemente 5, 6 des Laserbearbeitungskopfes 1 durch die Prozessstrahlung 7 aufgeheizt werden und ein Shift der Fokuslage

auftritt, weist das Schutzglas 6 auf seiner dem Werkstück 2 zugewandten Außenseite eine Beschichtung 8 auf, die für die Laserwellenlänge des Laserstrahls 3 transmittierend und für Wellenlängen der Prozessstrahlung 7 kleiner als 400 nm hochreflektierend ist. Die störenden Strahlungsanteile der Prozessstrahlung 7 mit UV-Wellenlängen werden außen am Schutzglas 6 reflektiert und gelangen nicht in den Laserbearbeitungskopf 1 . Die Beschichtung 8 ist nicht-absorbierend und anti-reflektierend für die Laserwellenlänge und gleichzeitig hoch reflektierend für Strahlung mit Wellenlängen unter 400 nm.

Die Beschichtung 8 ist beispielsweise durch ein aus mehreren Schichten bestehendes Interferenzschichtsystem gebildet und so ausgeführt, dass die Beschichtung 8 für typische Einfallswinkel α des Laserstrahls 3 von kleiner 15° zu destruktiver Interferenz der an den einzelnen Schichten reflektierten Strahlungsanteile führt und für Strahlungsanteile der Prozessstrahlung 7 mit einer Wellenlänge kleiner als 400 nm bei einem Einfallswinkel ß von kleiner als 15° zu konstruktiver Interferenz der reflektierten Strahlungsanteile führt. Die Beschichtung 8 kann mehrere Schichten aus dielektrischem Material umfassen, die sich in ihrem Brechungsindex und ihrer Schichtdicke unterscheiden. Das dielektrische Material kann ein Metalloxid aufweisen oder aus einem Metalloxid bestehen und muss UV- und temperatur-stabil sein. Für UV-reflektierende Beschichtungen sind beispielsweise Schichtsysteme aus Titanoxid (ΤΊΟ2) und Siliziumdioxid (S1O2) geeignet.

Um sicherzustellen, dass das Schutzglas 6 nur so in den Laserbearbeitungskopf 1 eingebaut werden kann, dass seine beschichtete Seite zum Werkstück 2 zeigt, weist das Schutzglas 6 eine mechanische Codierung 9, wie z.B. eine asymmetrische Außenkontur, auf. Alternativ kann das Schutzglas 6 auch eine optische Codierung zur Kennzeichnung seiner beschichteten Seite tragen.

Anstelle des Schutzglases 6 kann auch eine Linse das letzte optische Element im Laserbearbeitungskopf 1 sein, das auf seiner dem Werkstück 2 zugewandten Seite die UV-reflektierende Beschichtung 8 aufweist. Handelt es sich hierbei um eine Plankonvex-Linse, so ist einfach sicherzustellen, dass die richtige Seite der Linse zum Werkstück 2 zeigt. Bei einer Meniskuslinse muss dagegen der lagerichtige

Einbau in den Laserbearbeitungskopf 1 durch eine Codierung (z.B. einen Flächenanschliff) sichergestellt werden.

Wie in Fig. 2 gezeigt, kann die Beschichtung 8 für sichtbares Licht eine Transmis-sion von größer als 50% aufweisen, um sichtbare Prozessstrahlung 7a durch das Schutzglas 6 hindurch beobachten zu können. Dazu ist beispielsweise im Laserbearbeitungskopf 1 ein für die Laserwellenlänge durchlässiger und für sichtbare Wellenlängen reflektiver Spiegel 10 angeordnet, der das Laserlicht 3 durchläset und die sichtbare Prozessstrahlung 7a auf einen Detektor (z.B. eine Kamera) 11 lenkt.

Wenn eine Beschichtung an dem häufig zu tauschenden, werkstückseitigen Schutzglas 6 aus Kostengründen nicht sinnvoll ist, kann auch eines der übrigen optischen Elemente im Laserbearbeitungskopf 1 mit der Beschichtung versehen sein. So kann beispielsweise, wie in Fig. 3 gezeigt, im Strahlengang vor dem werkstückseitigen (äußeren) Schutzglas 6 ein weiteres (inneres) Schutzglas 12 angeordnet sein, das die Beschichtung 8 aufweist und, weil vor Verschmutzungen geschützt, nicht oder nicht so häufig getauscht werden muss.

In Fig. 4 werden die störenden UV-Wellenlängen der Prozessstrahlung 7 nicht wie in den Fign 1 . bis 3 außen am Schutzglas 6 reflektiert, sondern von einer Beschichtung 13 eines im Strahlengang des Laserstrahls 3 angeordneten optischen Elements, hier eines Umlenkspiegels 14, absorbiert und dadurch von den übrigen optischen Elementen, wie der Fokussierlinse 5, ferngehalten. Die Beschichtung 13 ist für die Laserwellenlänge des Laserstrahls 3 hochreflektierend und für Wellenlängen der Prozessstrahlung 7 kleiner als 400 nm hochabsorbierend.

Die Beschichtung 13 ist beispielsweise durch ein aus mehreren Schichten bestehendes Schichtsystem gebildet, das zur Absorption von UV-Strahlung beispiels-weise Tantalpentoxid (Ta2O5) oder Hafniumoxid (HfO2) als Schichtmaterial aufweisen kann. Um eine Erwärmung des Umlenkspiegels 14 aufgrund der Strahlungsabsorption zu vermeiden, muss eine gute Kühlung des Umlenkspiegels 14 gewährleistet sein. Daher ist der Umlenkspiegel 14 an einer Wärmesenke 15 montiert.

Wie in Fig. 5 gezeigt, kann die Beschichtung 13 für sichtbares Licht eine Transmission von größer als 50% aufweisen, um die sichtbare Prozessstrahlung 7a durch den Umlenkspiegel 14 hindurch mittels des Detektors (z.B. Kamera) 1 1 be-obachten zu können.