WO2009115598A1 - Guiding device for guiding light beams, laser cutting device provided therewith and production device equipped therewith for producing a preform for fibre composite structures suitable for power flows - Google Patents

Guiding device for guiding light beams, laser cutting device provided therewith and production device equipped therewith for producing a preform for fibre composite structures suitable for power flows Download PDF

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WO2009115598A1
WO2009115598A1 PCT/EP2009/053293 EP2009053293W WO2009115598A1 WO 2009115598 A1 WO2009115598 A1 WO 2009115598A1 EP 2009053293 W EP2009053293 W EP 2009053293W WO 2009115598 A1 WO2009115598 A1 WO 2009115598A1
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steering device
state actuators
solid state
laser
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Oliver Meyer
Thomas Wechs
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Eads Deutschland Gmbh
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    • G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/0875—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more refracting elements
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    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/08—Devices involving relative movement between laser beam and workpiece
    • B23K26/082—Scanning systems, i.e. devices involving movement of the laser beam relative to the laser head
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Definitions

  • Steering device for guiding light beams thus provided laser cutting device and provided therewith manufacturing device for producing a preform for power flow fair fiber composite structures
  • the invention relates to a steering device for directing light beams, in particular laser beams, with an optical deflection device which is arranged in an optical path of the light beams. Furthermore, the invention relates to a provided with such a steering device laser cutting device and advantageous uses thereof.
  • Such steering devices are used for example in laser scanners.
  • a laser assembly with rigid optics is attached to a movable and / or rotatable robot arm and moved from this to the desired position.
  • the present invention is based on the object to provide a steering device of the type mentioned, which has an improved accuracy and speed.
  • the steering device according to the invention in which the optical deflection device for guiding the light beams is movable by means of solid state actuators, has the particular advantage that due to the increased accuracy of the positioning of the optical deflection device, a very high repeatability of the light beam path is given.
  • the optical deflection device may comprise an optical deflection lens. Therefore, the steering device is almost independent of the power of the deflected light beams and also of the source of the light beams.
  • the optical deflection device may have a frame on which the solid state actuators act. This makes it possible to attach the optical deflection device to the solid-state actuators even if the optical deflection device and the solid-state actuators can not be directly connected to each other due to the materials used.
  • the stability of the deflector is improved. In particular, more fragile deflection devices, for example particularly sensitive deflection lenses, can be used.
  • the solid-state actuators can be arranged at opposite points of the deflecting device. This makes it possible to achieve a uniform tensile and compressive loading of the optical deflection by each opposite activation of the solid state actuators.
  • the solid-state actuators may be arranged to move the deflection device in a direction which is substantially transverse to the direction of the light rays. Thus, by shifting the optical deflection device substantially orthogonal to the propagation direction of the light beams, a deflection thereof can be achieved.
  • the solid-state actuators may be arranged to move the deflection device in a direction which is substantially parallel to the direction of the light rays. This makes it possible to tilt the deflection device.
  • the solid state actuators have piezo elements.
  • a piezoelectric actuator can perform a change in length practically immediately by applying a voltage and at the same time generate high forces.
  • a movement device constructed with piezoelectric elements can also be electrically controlled directly. On mechanical components can be largely dispensed with.
  • the solid-state actuators can have a plurality of actuator elements, which are arranged in series in their main expansion direction. If solid state actuators are stacked, the individual length changes add up. Thus, the deflection device can be moved over longer distances.
  • the solid state actuators are biased to further increase the reaction speed of the steering device.
  • the invention is directed to a laser cutter.
  • a compact laser cutter, with cuts to be made exactly A laser cutting device is provided which is provided with the steering device according to the invention or one of its advantageous embodiments, reproducibly easily controllable and can be repeated in quick succession.
  • the laser cutter is used for cutting carbon fibers.
  • the laser cutting device is particularly preferably used in a production device for the production of preforms for power flow compatible fiber composite structures.
  • FIG. 1 shows a three-dimensional view of an embodiment of the steering device according to the present invention.
  • the laser source 10 has a laser (not shown).
  • the laser 12 emits a laser beam 14, which is deflected by the deflector 20 to an adjustable target point 16a, 16b, 16c here.
  • the deflection device 20 has a Ablenkklinse 22 and a perpendicular to the Ablenklinse 22 movable collecting lens 12.
  • the Ablenklinse 22 has a curved refractive region 24 and a substantially cylindrical mounting portion 26, which adjoins the refraction region 24.
  • the attachment portion 26 is connected to a frame 28.
  • the frame 28 has the shape of a Ablenklinse 22 enclosing ring.
  • Solid state actuators 30 engage the frame 28.
  • the solid state actuators 30 each have ten piezoelectric elements 32 which are composed so that their main expansion directions 34 substantially coincide.
  • the pie Zoimplantation 32 are based in the main expansion direction 34 from each other, so that the expansions or shrinkages of the piezo elements 32 add.
  • the solid-state actuators 30 are arranged at opposite positions on the outer surface of the frame 28 and supported on a housing, not shown.
  • the deflection lens 22 is substantially circular in orthogonal view of the refraction region 24. If a light beam strikes the center of this circle, it will not be deflected when passing through the deflection lens 22. However, as soon as the light beam hits the Ablenkklinse 22 away from the center, it is deflected. Thus, when the light beam does not change position, its deflection is achieved by movement of the diverter lens 22.
  • a laser beam 14 generated by the laser is deflected by the deflection lens 22.
  • the deflection lens 22 is displaced by the solid-state actuators 30 essentially orthogonally to the propagation direction of the laser beam 14.
  • the deflection lens 22 can focus the laser beam 14 on target points 16a, 16b, 16c, which are given here only as examples.
  • the focal point of the Ablenklinse 22 can be moved purely by movement of the Ablenklinse 22 within its main extension plane. Adjustments in the direction perpendicular thereto are possible via the converging lens 12.
  • the repeatability of a laser scanner can be significantly increased, resulting in new applications. If the lens is moved in the X, Y, or Z direction by piezo actuators, for example, then the focal point can be moved in space.
  • the piezoelectric laser beam deflection system achieves a very high precision and repeat accuracy as well as a high degree of accuracy compared to known systems. speed. As a result, cutting processes that require a stratified material removal are made possible.
  • the system is relatively stable to temperature fluctuations and the laser beam 14 can be repeatedly guided through the same kerf (20-50 ⁇ m wide) with high repeat accuracy.
  • the contact-free cutting of carbon fiber materials is possible.
  • the technique can be used for projection purposes. Regardless of external influences (acceleration, vibration, temperature fluctuation), a stable image can be generated.
  • Fig. 1 shows schematically the structure of a piezoelectric Strahlablenksystems with movable lens.
  • the unfocused laser beam 14 is guided onto the suitably formed deflection lens 22.
  • the Ablenklinse 22 can be moved by a cross-shaped system of the piezoelectric solid state actuators 30 in the laser beam 14 orthogonal plane. This results in a shift of the focal point, for example, to the positions 16a, 16b, 16c.
  • An advantage over classical beam deflection systems is that thermal expansions of the structure are automatically compensated for and that position changes result in direct dependence on voltages applied to the piezoelectric elements 32.
  • the voltage of two piezoelectric elements 32 lying on one spatial axis should in this case be inversely proportional and the piezoelectric elements 32 should be biased in order to achieve a stable displacement.
  • the piezo elements 32 are designed, for example, as disk-shaped piezo wheels.
  • the achievable displacement length can be adjusted by the number of piezoelectric disks used in the solid-state actuator 30.
  • a voltage is applied, very large forces are generated by the Ablenklinse 22 at high speed. Move the speed and precision to the desired position. A Nachschwingen carrier masses is thus largely avoided. Due to the fact that no mechanical components are necessary, no tolerance errors or wear occur.
  • the scanner system is largely independent of the laser power and the beam source.
  • such a system can be used for gradual material removal as in milling.
  • the laser beam 14 can be repeatedly performed with great precision through a previously formed kerf.
  • the high beam guidance accuracy makes larger working distances possible.
  • the deflection device 20 can in principle also be used for projection systems. Since the structure is small and stable to accelerate, it can be used for example in vehicles or aircraft.
  • the laser is designed as a cutting laser. From the laser and the deflection device 20, a laser cutting device is thus formed, which is particularly suitable for cutting carbon fiber materials.
  • the laser cutting device is used as a cutting device in the production method and the production device for the production of preforms for power flow compatible fiber composite structures, which are described, shown and claimed in more detail in WO 2008/110614 A1. Reference is made to this document for further details. WO 2008/110614 A1 is incorporated herein by reference. LIST OF REFERENCE NUMBERS

Abstract

The invention relates to a guiding device (20) for guiding light beams, in particular laser beams (14), comprising an optical guiding device (20) that is arranged in a light path of the laser beams (14) and which can be moved by means of solid body actuators (30) for guiding the light beams (14). The claimed guiding device (20) that can move the optical deflection device (20) by means of the solid body actuators (30) for guiding the light beams (14) has the advantage that based on the increased precision of positioning of the optical guiding device (20), a very high repetitive accuracy of the light beam path is produced.

Description

Lenkungsvorrichtung zur Lenkung von Lichtstrahlen, damit versehenes Laserschneidgerät sowie damit versehene Herstellvorrichtung zur Herstellung einer Preform für kraftfluss gerechten Faserverbundstrukturen Steering device for guiding light beams, thus provided laser cutting device and provided therewith manufacturing device for producing a preform for power flow fair fiber composite structures
Die Erfindung betrifft eine Lenkungsvorrichtung zur Lenkung von Lichtstrahlen, insbesondere Laserstrahlen, mit einer optischen Ablenkvorrichtung, die in einem Lichtweg der Lichtstrahlen angeordnet ist. Weiter betrifft die Erfindung ein mit einer solchen Lenkungsvorrichtung versehenes Laserschneidgerät sowie vorteilhafte Verwendungen desselben.The invention relates to a steering device for directing light beams, in particular laser beams, with an optical deflection device which is arranged in an optical path of the light beams. Furthermore, the invention relates to a provided with such a steering device laser cutting device and advantageous uses thereof.
Derartige Lenkungsvorrichtungen werden beispielsweise in Laserscannern eingesetzt.Such steering devices are used for example in laser scanners.
Bei einer ersten Variante bekannter Laseranlagen finden Scannersysteme mit Galvometer- oder Galvanometerantrieb zur Strahlablenkung Verwendung. Ein Spiegel wird an einem Arm eines Galvanometers befestigt und folgt den Bewegungen dieses Arms. Zum Betrieb einer solchen Lenkungsvorrichtung ist die Erzeugung hoher Spannungen und schnelles Pumpen von Ladungen notwendig, um eine schnelle Reaktionszeit der Lenkungsvorrichtung zu gewährleisten. Gleichzeitig ergeben sich durch die entstehenden elektrischen Felder Gefahren und unge- wünschte Streueffekte in elektronischen Baugruppen.In a first variant of known laser systems, scanner systems with galvometer or galvanometer drive are used for beam deflection. A mirror is attached to an arm of a galvanometer and follows the movements of this arm. To operate such a steering device, the generation of high voltages and rapid pumping of charges is necessary to ensure a fast reaction time of the steering device. At the same time, the resulting electric fields create dangers and undesirable scattering effects in electronic assemblies.
Es ist ebenfalls bekannt, eine Laseroptik eines Laserschneidgeräts mit einem Robotersystem durch einen Raum zu bewegen. Dazu wird eine Laseranordnung mit starrer Optik an einem beweglichen und/oder drehbaren Roboterarm befestigt und von diesem in die gewünschte Position verfahren.It is also known to move a laser optics of a laser cutter with a robot system through a room. For this purpose, a laser assembly with rigid optics is attached to a movable and / or rotatable robot arm and moved from this to the desired position.
Beide Varianten weisen durch die mechanisch bewegten, vergleichsweise massereichen, Elemente eine eingeschränkte Geschwindigkeit und Genauigkeit auf. Die vorliegende Erfindung geht auf die Aufgabe zurück, eine Lenkungsvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine verbesserte Genauigkeit und Geschwindigkeit aufweist.Both variants have by the mechanically moving, relatively massive, elements a limited speed and accuracy. The present invention is based on the object to provide a steering device of the type mentioned, which has an improved accuracy and speed.
Diese Aufgabe wird durch eine Lenkungsvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die erfindungsgemäße Lenkungsvorrichtung, bei der die optische Ablenkvorrichtung zur Lenkung der Lichtstrahlen mittels Festkörperaktoren bewegbar ist, hat insbesondere den Vorteil, dass aufgrund der erhöhten Ge- nauigkeit der Positionierung der optischen Ablenkvorrichtung eine sehr hohe Wiederholgenauigkeit des Lichtstrahlweges gegeben ist.This object is achieved by a steering device having the features of patent claim 1. The steering device according to the invention, in which the optical deflection device for guiding the light beams is movable by means of solid state actuators, has the particular advantage that due to the increased accuracy of the positioning of the optical deflection device, a very high repeatability of the light beam path is given.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Vorteilhafte Verwendungen der Lenkungsvorrichtung sind Gegenstand der Ne- benansprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims. Advantageous uses of the steering device are the subject of the dependent claims.
Die optische Ablenkvorrichtung kann eine optische Ablenklinse aufweisen. Dadurch ist die Lenkungsvorrichtung von der Leistung der abgelenkten Lichtstrahlen und auch von der Quelle der Lichtstrahlen nahezu unabhängig.The optical deflection device may comprise an optical deflection lens. Thereby, the steering device is almost independent of the power of the deflected light beams and also of the source of the light beams.
Vorteilhaft kann die optische Ablenkvorrichtung einen Rahmen aufweisen, an dem die Festkörperaktoren angreifen. Dies ermöglicht eine Befestigung der optischen Ablenkvorrichtung an den Festkörperaktoren auch dann, wenn die optische Ablenkvorrichtung und die Festkörperaktoren aufgrund der verwendeten Materialien nicht unmittelbar miteinander verbindbar sind. Zusätzlich wird die Stabilität der Ablenkvorrichtung verbessert. Insbesondere lassen sich fragilere Ablenkvorrich- tungen, beispielsweise besonders empfindliche Ablenklinsen, verwenden.Advantageously, the optical deflection device may have a frame on which the solid state actuators act. This makes it possible to attach the optical deflection device to the solid-state actuators even if the optical deflection device and the solid-state actuators can not be directly connected to each other due to the materials used. In addition, the stability of the deflector is improved. In particular, more fragile deflection devices, for example particularly sensitive deflection lenses, can be used.
Die Festkörperaktoren können an einander gegenüberliegenden Punkten der Ab- lenkvorrichtung angeordnet sein. Dadurch ist es möglich, durch jeweils entgegengesetzte Aktivierung der Festkörperaktoren eine gleichmäßige Zug- und Druckbelastung der optischen Ablenkvorrichtung zu erreichen. In weiterer Ausgestaltung können die Festkörperaktoren zur Bewegung der Ablenkvorrichtung in einer Richtung angeordnet sein, die im wesentlichen quer zu der Richtung der Lichtstrahlen verläuft. Somit kann durch Verschiebung der opti- sehen Ablenkvorrichtung im wesentlichen orthogonal zu der Ausbreitungsrichtung der Lichtstrahlen eine Ablenkung derselben erreicht werden.The solid-state actuators can be arranged at opposite points of the deflecting device. This makes it possible to achieve a uniform tensile and compressive loading of the optical deflection by each opposite activation of the solid state actuators. In a further embodiment, the solid-state actuators may be arranged to move the deflection device in a direction which is substantially transverse to the direction of the light rays. Thus, by shifting the optical deflection device substantially orthogonal to the propagation direction of the light beams, a deflection thereof can be achieved.
Die Festkörperaktoren können zur Bewegung der Ablenkvorrichtung in einer Richtung angeordnet sein, die im wesentlichen parallel zu der Richtung der Lichtstrah- len verläuft. Dadurch wird es möglich, die Ablenkvorrichtung zu kippen. Bei Verwendung von optischen Linsen als Ablenkvorrichtung ist es auch möglich, den Fokuspunkt des Lasers zu verschieben. Dies kann insbesondere sehr genau durch Verschieben der Linse, insbesondere in einer zu dem Lichtstrahl im wesentlichen quer verlaufenden Ebene, erfolgen. Solche Verschiebebewegungen lassen sich einfach und hochgenau mittels der Aktoren durchführen.The solid-state actuators may be arranged to move the deflection device in a direction which is substantially parallel to the direction of the light rays. This makes it possible to tilt the deflection device. When using optical lenses as a deflection device, it is also possible to shift the focal point of the laser. This can in particular be done very accurately by moving the lens, in particular in a plane substantially transverse to the light beam. Such displacement movements can be performed simply and with high precision by means of the actuators.
Vorteilhaft weisen die Festkörperaktoren Piezoelemente auf. Ein piezoelektrischer Aktor kann durch Anlegen einer Spannung praktisch unmittelbar eine Längenänderung ausführen und gleichzeitig hohe Kräfte erzeugen. Eine mit Piezoelementen aufgebaute Bewegungsvorrichtung kann auch unmittelbar elektrisch angesteuert werden. Auf mechanische Bauteile kann weitgehend verzichtet werden.Advantageously, the solid state actuators have piezo elements. A piezoelectric actuator can perform a change in length practically immediately by applying a voltage and at the same time generate high forces. A movement device constructed with piezoelectric elements can also be electrically controlled directly. On mechanical components can be largely dispensed with.
Vorteilhaft können die Festkörperaktoren mehrere Aktorelemente aufweisen, die in ihrer Hauptausdehnungsrichtung in Serie angeordnet sind. Werden Festkörperak- toren gestapelt, so addieren sich die einzelnen Längenänderungen. Somit kann die Ablenkvorrichtung über größere Strecken verschoben werden.Advantageously, the solid-state actuators can have a plurality of actuator elements, which are arranged in series in their main expansion direction. If solid state actuators are stacked, the individual length changes add up. Thus, the deflection device can be moved over longer distances.
In weiter vorteilhafter Ausgestaltung sind die Festkörperaktoren vorgespannt, um die Reaktionsgeschwindigkeit der Lenkungsvorrichtung weiter zu erhöhen.In a further advantageous embodiment, the solid state actuators are biased to further increase the reaction speed of the steering device.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist die Erfindung auf ein Laserschneidgerät gerichtet. Um ein kompaktes Laserschneidgerät, mit durchzuführende Schnitte genau reproduzierbar einfach steuerbar und schnell hintereinander wiederholbar sind, zu schaffen, wird ein Laserschneidgerät vorgeschlagen, das mit der Lenkungsvorrich- tung gemäß der Erfindung oder einer ihrer vorteilhaften Ausgestaltungen versehen ist.In another aspect, the invention is directed to a laser cutter. A compact laser cutter, with cuts to be made exactly A laser cutting device is provided which is provided with the steering device according to the invention or one of its advantageous embodiments, reproducibly easily controllable and can be repeated in quick succession.
Bevorzugt wird das Laserschneidgerät zum Schneiden von Kohlenstofffasern verwendet. Besonders bevorzugt wird das Laserschneidgerät in einer Herstellvorrich- tung zur Herstellung von Preformen für kraftflussgerechte Faserverbundstrukturen verwendet.Preferably, the laser cutter is used for cutting carbon fibers. The laser cutting device is particularly preferably used in a production device for the production of preforms for power flow compatible fiber composite structures.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung, die ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung schematisch zeigt, näher erläutert. Es zeigt:The invention will be explained in more detail with reference to a drawing which schematically shows an embodiment according to the invention. It shows:
Fig. 1 eine dreidimensionale Ansicht einer Ausführungsform der Lenkungsvor- richtung gemäß der vorliegenden Erfindung.1 shows a three-dimensional view of an embodiment of the steering device according to the present invention.
Fig. 1 zeigt eine Ablenkvorrichtung 20 für eine Laserquelle 10. Die Laserquelle 10 weist einen (nicht dargestellten) Laser auf. Der Laser 12 sendet einen Laserstrahl 14 aus, der von der Ablenkvorrichtung 20 auf einen einstellbaren Zielpunkt 16a, 16b, 16c hie abgelenkt wird.1 shows a deflection device 20 for a laser source 10. The laser source 10 has a laser (not shown). The laser 12 emits a laser beam 14, which is deflected by the deflector 20 to an adjustable target point 16a, 16b, 16c here.
Die Ablenkvorrichtung 20 weist dazu eine Ablenklinse 22 und eine senkrecht zu der Ablenklinse 22 bewegliche Sammellinse 12 auf. Die Ablenklinse 22 hat einen gekrümmten Brechungsbereich 24 und einen im wesentlichen zylinderförmigen Befestigungsbereich 26, der sich an den Brechungsbereich 24 anschließt.The deflection device 20 has a Ablenkklinse 22 and a perpendicular to the Ablenklinse 22 movable collecting lens 12. The Ablenklinse 22 has a curved refractive region 24 and a substantially cylindrical mounting portion 26, which adjoins the refraction region 24.
Der Befestigungsbereich 26 ist mit einem Rahmen 28 verbunden. Der Rahmen 28 hat die Form eines die Ablenklinse 22 einschließenden Ringes.The attachment portion 26 is connected to a frame 28. The frame 28 has the shape of a Ablenklinse 22 enclosing ring.
An dem Rahmen 28 greifen Festkörperaktoren 30 an. Die Festkörperaktoren 30 weisen jeweils zehn Piezoelemente 32 auf, die so zusammengesetzt sind, dass ihre Hauptausdehnungsrichtungen 34 im Wesentlichen zusammenfallen. Die Pie- zoelemente 32 stützen sich in der Hauptausdehnungsrichtung 34 aneinander ab, so dass sich die Ausdehnungen oder Schrumpfungen der Piezoelemente 32 addieren.Solid state actuators 30 engage the frame 28. The solid state actuators 30 each have ten piezoelectric elements 32 which are composed so that their main expansion directions 34 substantially coincide. The pie Zoelemente 32 are based in the main expansion direction 34 from each other, so that the expansions or shrinkages of the piezo elements 32 add.
Die Festkörperaktoren 30 sind an einander gegenüberliegenden Positionen auf der Außenfläche des Rahmens 28 angeordnet und an einem nicht gezeigten Gehäuse abgestützt.The solid-state actuators 30 are arranged at opposite positions on the outer surface of the frame 28 and supported on a housing, not shown.
Die Ablenklinse 22 ist bei orthogonaler Sicht auf den Brechungsbereich 24 im we- sentlichen kreisförmig. Trifft ein Lichtstrahl auf den Mittelpunkt dieses Kreises, so wird er bei Passieren der Ablenklinse 22 nicht abgelenkt. Sobald der Lichtstrahl jedoch abseits des Mittelpunktes auf die Ablenklinse 22 trifft, wird er abgelenkt. Somit ist, wenn der Lichtstrahl seine Position nicht verändert, seine Ablenkung durch eine Bewegung der Ablenklinse 22 zu erreichen. Im Ausführungsbeispiel wird ein von dem Laser erzeugter Laserstrahl 14 von der Ablenklinse 22 abgelenkt. Die Ablenklinse 22 wird dazu von den Festkörperaktoren 30 im wesentlichen orthogonal zu der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls 14 verschoben.The deflection lens 22 is substantially circular in orthogonal view of the refraction region 24. If a light beam strikes the center of this circle, it will not be deflected when passing through the deflection lens 22. However, as soon as the light beam hits the Ablenkklinse 22 away from the center, it is deflected. Thus, when the light beam does not change position, its deflection is achieved by movement of the diverter lens 22. In the exemplary embodiment, a laser beam 14 generated by the laser is deflected by the deflection lens 22. For this purpose, the deflection lens 22 is displaced by the solid-state actuators 30 essentially orthogonally to the propagation direction of the laser beam 14.
Beispielsweise kann die Ablenklinse 22 den Laserstrahl 14 auf Zielpunkte 16a, 16b, 16c, die hier nur als Beispiele angegeben sind, fokussieren. Der Fokuspunkt der Ablenklinse 22 lässt sich rein durch Bewegung der Ablenklinse 22 innerhalb ihrer Haupterstreckungsebene verschieben. Anpassungen in der hierzu senkrechten Richtung sind über die Sammellinse 12 möglich.For example, the deflection lens 22 can focus the laser beam 14 on target points 16a, 16b, 16c, which are given here only as examples. The focal point of the Ablenklinse 22 can be moved purely by movement of the Ablenklinse 22 within its main extension plane. Adjustments in the direction perpendicular thereto are possible via the converging lens 12.
Durch die Verschiebung einer geeigneten Ablenklinse 22 im Strahlengang eines Lasersystems mittels piezoelektrischer Aktoren kann die Wiederholgenauigkeit eines Laserscanners deutlich erhöht werden, wodurch sich neue Anwendungsgebiete ergeben. Wird die Linse beispielsweise durch Piezoaktoren in X-, Y-, oder Z- Richtung bewegt, dann kann der Fokuspunkt im Raum bewegt werden.By shifting a suitable Ablenklinse 22 in the beam path of a laser system by means of piezoelectric actuators, the repeatability of a laser scanner can be significantly increased, resulting in new applications. If the lens is moved in the X, Y, or Z direction by piezo actuators, for example, then the focal point can be moved in space.
Das piezoelektrische Laserstrahlablenksystem erreicht gegenüber bekannten Systemen eine sehr hohe Präzision und Wiederholgenauigkeit sowie eine hohe Ge- schwindigkeit. Dadurch werden Schneidprozesse, die einen schichtweisen Werkstoffabtrag erfordern, ermöglicht.The piezoelectric laser beam deflection system achieves a very high precision and repeat accuracy as well as a high degree of accuracy compared to known systems. speed. As a result, cutting processes that require a stratified material removal are made possible.
Das System ist relativ stabil gegenüber Temperaturschwankungen und der Laser- strahl 14 kann mit hoher Wiederholgenauigkeit mehrfach durch denselben Schnittspalt (20-50 μm breit) geführt werden. Somit ist beispielsweise das berührungsfreie Schneiden von Kohlenstofffaserwerkstoffen möglich.The system is relatively stable to temperature fluctuations and the laser beam 14 can be repeatedly guided through the same kerf (20-50 μm wide) with high repeat accuracy. Thus, for example, the contact-free cutting of carbon fiber materials is possible.
Des Weiteren kann die Technik für Projektionszwecke benutzt werden. Unabhän- gig von äußeren Einflüssen (Beschleunigung, Vibration, Temperaturschwankung) kann ein stabiles Bild erzeugt werden.Furthermore, the technique can be used for projection purposes. Regardless of external influences (acceleration, vibration, temperature fluctuation), a stable image can be generated.
Die Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau eines piezoelektrischen Strahlablenksystems mit beweglicher Linse. Der nicht fokussierte Laserstrahl 14 wird auf die ge- eignet ausgebildete Ablenklinse 22 geführt. Die Ablenklinse 22 kann durch ein kreuzförmig aufgebautes System aus den piezoelektrischen Festkörperaktoren 30 in der zum Laserstrahl 14 orthogonal stehenden Ebene verschoben werden. Dadurch ergibt sich eine Verlagerung des Fokuspunktes, zum Beispiel auf die Positionen 16a, 16b, 16c.Fig. 1 shows schematically the structure of a piezoelectric Strahlablenksystems with movable lens. The unfocused laser beam 14 is guided onto the suitably formed deflection lens 22. The Ablenklinse 22 can be moved by a cross-shaped system of the piezoelectric solid state actuators 30 in the laser beam 14 orthogonal plane. This results in a shift of the focal point, for example, to the positions 16a, 16b, 16c.
Vorteilhaft gegenüber klassischen Strahlablenksystemen ist dabei, dass thermische Ausdehnungen des Aufbaus automatisch kompensiert werden und dass sich Positionsänderungen in direkter Abhängigkeit zu an den Piezoelementen 32 anliegenden Spannungen ergeben. Die Spannung von jeweils zwei auf einer Raum- achse liegenden Piezoelemente 32 sollte dabei umgekehrt proportional sein und die Piezoelementen 32 sollten vorgespannt werden, um eine stabile Verschiebung zu erreichen. Die Piezoelemente 32 sind beispielsweise als scheibenförmige Pie- zoscheiben ausgebildet.An advantage over classical beam deflection systems is that thermal expansions of the structure are automatically compensated for and that position changes result in direct dependence on voltages applied to the piezoelectric elements 32. The voltage of two piezoelectric elements 32 lying on one spatial axis should in this case be inversely proportional and the piezoelectric elements 32 should be biased in order to achieve a stable displacement. The piezo elements 32 are designed, for example, as disk-shaped piezo wheels.
Die erreichbare Verschiebungslänge kann durch die Anzahl der im Festkörperaktor 30 eingesetzten Piezoscheiben eingestellt werden. Bei Anlegen einer Spannung entstehen sehr große Kräfte, die die Ablenklinse 22 mit hoher Geschwindig- keit und Präzision auf die gewünschte Position verschieben. Ein Nachschwingen träger Massen wird damit weitestgehend vermieden. Dadurch, dass keine mechanischen Bauteile notwendig sind, treten keine Toleranzfehler oder Verschleiß auf. Das Scannersystem ist weitgehend unabhängig von der Laserleistung und der Strahlquelle.The achievable displacement length can be adjusted by the number of piezoelectric disks used in the solid-state actuator 30. When a voltage is applied, very large forces are generated by the Ablenklinse 22 at high speed. Move the speed and precision to the desired position. A Nachschwingen carrier masses is thus largely avoided. Due to the fact that no mechanical components are necessary, no tolerance errors or wear occur. The scanner system is largely independent of the laser power and the beam source.
Speziell durch die hohe Wiederholgenauigkeit kann ein solches System für schrittweisen Materialabtrag wie beim Fräsen eingesetzt werden. Der Laserstrahl 14 kann mit großer Präzision durch einen zuvor gebildeten Schnittspalt wie- derholt durchgeführt werden.Especially due to the high repeat accuracy, such a system can be used for gradual material removal as in milling. The laser beam 14 can be repeatedly performed with great precision through a previously formed kerf.
Die hohe Strahlführungsgenauigkeit macht größere Arbeitsabstände möglich. Somit ist es auch möglich, mehrere Laser auf begrenztem Raum simultan arbeiten zu lassen.The high beam guidance accuracy makes larger working distances possible. Thus, it is also possible to have multiple lasers operate in a limited space simultaneously.
Die Ablenkvorrichtung 20 ist prinzipiell auch für Projektionssysteme einsetzbar. Da der Aufbau klein und beschleunigungsstabil ist, kann er beispielsweise in Fahrzeugen oder Flugzeugen eingesetzt werden.The deflection device 20 can in principle also be used for projection systems. Since the structure is small and stable to accelerate, it can be used for example in vehicles or aircraft.
Der Laser ist als Schneidlaser ausgebildet. Aus dem Laser und der Ablenkvorrichtung 20 wird somit ein Laserschneidgerät gebildet, das besonders zum Schneiden von Kohlenstofffaserwerkstoffen geeignet ist.The laser is designed as a cutting laser. From the laser and the deflection device 20, a laser cutting device is thus formed, which is particularly suitable for cutting carbon fiber materials.
Das Laserschneidgerät wird als Schneidvorrichtung in dem Herstellverfahren und der Herstellvorrichtung zur Herstellung von Preformen für kraftflussgerechte Faserverbundstrukturen eingesetzt, die genauer in der WO 2008/110614 A1 beschrieben, gezeigt und beansprucht sind. Es wird für weitere Einzelheiten ausdrücklich auf diese Druckschrift verwiesen. Die WO 2008/110614 A1 wird durch Bezugnahme hierin inkorporiert. BezugszeichenlisteThe laser cutting device is used as a cutting device in the production method and the production device for the production of preforms for power flow compatible fiber composite structures, which are described, shown and claimed in more detail in WO 2008/110614 A1. Reference is made to this document for further details. WO 2008/110614 A1 is incorporated herein by reference. LIST OF REFERENCE NUMBERS
10 Laserquelle10 laser source
12 Sammellinse12 condenser lens
14 Laserstrahl14 laser beam
16a, 16b, 16c Zielpunkt (Fokuspunkt)16a, 16b, 16c target point (focus point)
20 Ablenkvorrichtung20 deflection device
22 Ablenklinse22 Ablenklinse
24 Brechungsbereich24 refraction area
26 Befestigungsbereich26 mounting area
28 Rahmen28 frame
30 Festkörperaktor30 solid state factor
32 Piezoelement32 piezo element
34 Hauptausdehnungsrichtung 34 main expansion direction

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Lenkungsvorrichtung zur Lenkung von Lichtstrahlen, insbesondere Laserstrahlen (14), mit einer optischen Ablenkvorrichtung (20), die in einem Lichtweg der Lichtstrahlen angeordnet ist und die zur Lenkung der Lichtstrahlen mittels Festkörperaktoren (30) bewegbar ist.A steering apparatus for guiding light beams, particularly laser beams (14), comprising an optical deflector (20) disposed in an optical path of the light beams and movable to direct the light beams by means of solid state actuators (30).
2. Lenkungsvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die optische Ablenkvorrichtung eine optische Ablenklinse (22) aufweist.2. Steering device according to claim 1, characterized in that the optical deflection device has an optical Ablenkklinse (22).
3. Lenkungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenklinse (22) mittels der3. Steering device according to claim 2, characterized in that the Ablenklinse (22) by means of
Festkörperaktoren (30) bewegbar ist, um einen Fokuspunkt auf den die zu lenkenden Lichtstrahlen durch die Ablenklinse (22) fokusierbar sind, wählbar auf eine von mehreren gewünschten Postionen (16a, 16b, 16c), zu verlagern.Solid state actuators (30) is movable to a focal point on which the light beams to be guided by the Ablenkklinse (22) are focusable, selectable on one of several desired positions (16a, 16b, 16c) to relocate.
4. Lenkungsvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Ablenkvorrichtung (20) einen Rahmen (28) aufweist, an dem die Festkörperaktoren angreifen.4. Steering device according to one of the preceding claims, characterized in that the optical deflection device (20) has a frame (28) on which attack the solid state actuators.
5. Lenkungsvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Festkörperaktoren (30) an einander gegenüberliegenden Punkten oder Bereichen der Ablenkvorrichtung (20) angeordnet sind.5. Steering device according to one of the preceding claims, characterized in that the solid state actuators (30) are arranged at opposite points or areas of the deflection device (20).
6. Lenkungsvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Festkörperaktoren (30) kreuzförmig angeordnet sind. 6. Steering device according to one of the preceding claims, characterized in that the solid state actuators (30) are arranged in a cross shape.
7. Lenkungsvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Festkörperaktoren (30) zur Bewegung der Ablenkvorrichtung (20) in einer Richtung angeordnet sind, die im Wesentlichen quer zu der Richtung der Lichtstrahlen (14) verläuft.7. Steering device according to one of the preceding claims, characterized in that the solid state actuators (30) for movement of the deflection device (20) are arranged in a direction which is substantially transverse to the direction of the light beams (14).
8. Lenkungsvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Festkörperaktoren (30) zur Bewegung der Ablenkvorrichtung (22) in einer Richtung angeordnet sind, die im Wesentlichen parallel zu der Richtung der Lichtstrahlen (14) verläuft.8. Steering device according to one of the preceding claims, characterized in that the solid-state actuators (30) for movement of the deflection device (22) are arranged in a direction which is substantially parallel to the direction of the light beams (14).
9. Lenkungsvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Festkörperaktoren (30) Piezoelemente (32) aufweisen.9. Steering device according to one of the preceding claims, characterized in that the solid-state actuators (30) have piezo elements (32).
10. Lenkungsvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Festkörperaktoren (30) mehrere Aktorelemente aufweisen, die in ihrer Hauptausdehnungsrichtung in Serie angeordnet sind.10. Steering device according to one of the preceding claims, characterized in that the solid-state actuators (30) have a plurality of actuator elements which are arranged in series in their Hauptausdehnungsrichtung.
11. Lenkungsvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Festkörperaktoren (30) vorgespannt sind.11. Steering device according to one of the preceding claims, characterized in that the solid state actuators (30) are biased.
12. Laserschneidgerät, gekennzeichnet durch eine Lenkungsvorrichtung gemäß einem der voranstehenden Ansprüche zur Lenkung eines zum Schneiden eingesetzten Laserstrahls.12. Laser cutting device, characterized by a steering device according to one of the preceding claims for steering a laser beam used for cutting.
13. Verwendung eines Laserschneidgeräts nach Anspruch 12 zum Schneiden von Kohlenfaserwerkstoffen.13. Use of a laser cutting device according to claim 12 for cutting carbon fiber materials.
14. Herstellvorrichtung zur Herstellung einer Preform für kraftflussgerechte Faserverbundstrukturen, gekennzeichnet durch ein Laserschneidgerät nach14. Fabrication device for producing a preform for power flow-compatible fiber composite structures, characterized by a laser cutting device according to
Anspruch 12 zum Abschneiden einzelner Faserbandstücke. Claim 12 for cutting individual sliver pieces.
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