用于材料加工的方法和设备技术

用于材料加工的设备，所述设备具有电磁辐射的至少一个射束源和使辐射变化地成形并且聚焦的射束成形光学装置。被发出的辐射具有第一射束参数乘积并且在其中辐射与材料处于相互作用的加工区中的辐射具有第二射束参数乘积。调整装置通过改变至少一个光学元件的光学特性或位置而使第二射束参数乘积变化，其中射束成形光学装置的至少一个第一光学元件产生和/或扩大像差的数值，并且所述射束成形光学装置的至少一个第二光学元件通过调整该调整装置通过改变至少一个第一光学元件或第二光学元件的光学特性或位置而使按照数值地产生的或扩大的像差这样改变，使得在加工区中的辐射具有要调整的第二射束参数乘积。此外说明一种用于材料加工的相应的方法。

Methods and equipment for material processing

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于材料加工的方法和设备
本专利技术涉及根据权利要求1的前序部分所述的用于材料加工的设备以及根据权利要求16的前序部分所述的方法。
技术介绍
这样的用于材料加工的设备具有至少一个电磁辐射的射束源，该射束源以限定的功率密度分布发出辐射。该射束源的辐射通过使辐射变化地成形的和聚焦的射束成形光学装置来被引导。被聚焦的辐射的光轴也被表示为射束轴，其对准加工区。此外存在如下装置，所述装置将该辐射保持在辐射和材料的在加工区中形成的和移动的相互作用面的区域中。所发出的辐射具有第一射束参数乘积（beamparameterproduct）并且在其中辐射与材料处于相互作用的加工区中的辐射具有第二射束参数乘积。辐射的变化的成形在此情况下意味着：辐射鉴于其射束参数乘积、尤其是关于其径向和轴向功率密度分布方面而被成形，以便将工件中的辐射作用、也即例如沿着切割前沿或在切割前沿在钻孔中或在焊接毛细管中的辐射作用适合地调整。相应的、已知的用于材料加工的方法使用电池辐射的至少一个射束源、尤其是激光射束源，其中该射束源以限定的功率密度分布发出辐射，该辐射具有第一射束参数乘积（beamparameterproduct）并且该射束源的辐射通过射束成形光学装置来变化地被成形和聚焦。如已经提及的，经聚焦的辐射的光轴被称为射束轴，其对准加工区，并且该辐射被保持在辐射和材料的在加工区中形成的和移动的相互作用面的区域中。在其中辐射与材料处于相互作用的加工区中的辐射具有第二射束参数乘积。电磁辐射的射束源尤其是包括激光射束源，但是也包括MASER（相干的微波源）或者包括在远紫外的或者x射线波长范围内的相干的、极短波的射束源。被表示为BPP的射束参数乘积如上文提及的那样涉及辐射的射束质量以及其可聚焦性并且通过以下公式来定义：BPP=·r0=M2·λ/π，其中=辐射的在远场中的半个张角，r0=射束在自身腰部处的半径M2=衍射指数。λ=射束的波长。该射束在自身的腰部处的半径相应于半个焦点直径。该射束的可聚焦性随着增大的衍射指数M2而劣化；衍射指数一直大于等于1。该设备在任何处都有利地得以应用，在此使用至少一个射束源的辐射，以便对材料或原料进行加工，并且在此通过三维的维度和射束功率密度的分布、也称为射束分布来影响该辐射与材料的相互作用。在其中辐射的所述特性具有特殊意义的加工方法是其中通过射束材料相互作用而使相互作用面渗入到该材料中的那种方法。对此，例如包括：切割、剥蚀、钻孔、刻刮、打孔和深层焊接。根据要应用的方法和其力求的特性而定，三维的维度和射束功率密度的分布以及必要时的坡印廷矢量的局部方向的分布应该适合地被调整，其中该分布说明能量传输的密度和方向、也即电磁场的功率密度。在现有技术中，已知利用激光辐射来对材料加工的不同的设备和方法，其中能够调整激光射束分布的特性。EP0723834A1描述一种激光系统，其中以变化的直径在所确定的聚焦平面中产生经聚焦的激光射束。尤其是通过改变映射比例来使用变焦光学装置，以用于在相互作用的范围内的射束直径的适配。在现有技术中也已知通过输入耦合原始激光射束到经组合和核心环纤维上或通过操纵在进行适配的纤维的纤维入口处的射束输入耦合位置和射束方向以用于改变在纤维出口处的射束发散和分布来用于适配射束质量（可聚焦性）和/或射束剖面的纤维光学装置。DE102007024700A1描述一种用于以激光辐射来进行材料加工的设备以及方法，其中激光辐射的聚焦这样进行，使得该激光辐射的份额并不仅仅在射束腰之后在传播方向上远离地定向而是也在射束腰中和/或也在射束腰之前在传播方向上远离地定向并且所述份额和分散角大于以标准光学装置无意地形成的并且接受的成像误差的影响的那些份额。也说明为了通过影响波前来适配射束分布而通过射束成形光学装置和衍射光学装置的锥形的面份额来用于产生环形的射束剖面的轴锥镜。DE102015101263A1描述一种用于借助激光辐射进行材料加工的设备，其中用于聚焦激光辐射的调整光学装置具有至少两个板状的光学元件，以便调整强度分布（功率密度分布），其中所述光学元件相继地布置在激光射束的光路中并且是相对彼此在圆周方向上能旋转的。EP2334465B1涉及一种用于激光射束切割工件的方法，其中借助于光学设备来将入射到工件上的激光射束的质量因子（BPP）适配或修改。由此应该获得经聚焦的激光射束，该激光射束具有经修改的射束参数乘积（beamparameterproduct-BPP），该射束参数乘积应该不同于入射的激光射束的BPP。为此相应的设备包括至少一个透射的或反射的、衍射的光学元件，其中经聚焦的激光射束的经修改的BPP以大于或等于1.2或小于等于5的倍增因子的程度而不同于入射的激光射束的BPP。光学设备的表面具有微结构，该微结构以工作波长的不同数量级以不同深度被刻入到光学设备的衬底中。因此，描述通过影响波前来用于适配射束分布的衍射光学装置。WO2016/209800A1描述一种激光系统，该激光系统将辐射聚焦到待加工的工件上并且改变在工件上的空间上的能量分布。对此，使用能移动的光学装置，所述能移动的光学装置具有准直透镜、聚焦透镜、用于改变在辐射路径之内的光学元件的位置的系统以及用于控制该系统的控制单元。经移动的光学装置被布置在准直光学装置之前以用于影响空间上的功率分布。US020150378184A1描述一种射束参数设定系统和聚焦系统，以便改变来自射束源的射束的空间上的功率分布并且以经改变的空间上的功率分布来将辐射聚焦到工件上。使用用于吸收辐射并传递该辐射到工件上的热光元件，其中该热光元件通过热源被加热，以便改变折射系数。该热光元件和热源通过控制单元来被控制，以便在该工件上实现所要求的空间上的功率分布。DE102014207624A1描述一种用于材料加工的方法和设备。该设备包括纤维激光系统，其具有激光射束输出端，并且该设备还包括变焦光学装置系统，该变焦光学装置系统在纤维激光系统的激光射束的射束方向上布置在激光射束输出端、例如纤维末端和材料加工区域、例如工作面之间。现有技术所带来的主要缺陷可以如下地被汇总：所使用的变焦光学装置仅决定性地影响映射比（并且因此影响作为焦距（f）到有效入射光瞳的直径（D）的比例来定义的F数）并且因此影响工件上或工件中的斑点大小，而并不影响射束质量和/或射束剖面。因此，准许这样的变焦光学装置通过改变有效焦距或映射比而使焦点直径变化。与光学装置的映射规则相应地，焦点直径与射束发散成反比地改变。该乘积保持恒定。这两个参量是能改变的，但是以无关于彼此的方式改变。由于在相应的端面上所使用的辐射的高功率密度，纤维光学装置（或波导）在自身的输入和输出端是非常灵敏的并且需要昂贵的、高精确的能调整的耦合光学装置并且仅仅容许射束成形的受限的、部分的也仅仅离散的变化性。轴锥镜、也即将圆形的辐射转变成环的特殊的打磨得锥形的透镜或镜、同样像是所谓的西门子星型光学装置关于制造过程方面、尤其是关于成形制造、抛光和覆本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于材料加工的设备，所述设备具有电磁辐射的至少一个射束源（1），其中所述射束源以限定的功率密度分布发出辐射（2），所述设备还具有使所述射束源（1）的所述辐射（2）变化地成形并且聚焦的射束成形光学装置（5），其中经聚焦的所述辐射（2）的光轴被表示为射束轴（3），所述光轴对准加工区（10），并且所述设备具有将所述辐射（2）保持在辐射（2）和材料（9）的在所述加工区（10）中形成的和移动的相互作用面（14）的区域中的装置，其中所发出的所述辐射（2）具有第一射束参数乘积（beam parameter product - BPP1）并且其中在其中所述辐射（2）与所述材料（9）处于相互作用的所述加工区（10）中的所述辐射（2）具有第二射束参数乘积（BPP2），其特征在于，设置如下调整装置（15），所述调整装置通过改变至少一个光学元件（6,7）的光学特性或位置而使所述第二射束参数乘积（BPP2）变化，其中所述射束成形光学装置（5）的至少一个第一光学元件（6）产生和/或扩大像差的数值，并且所述射束成形光学装置（5）的至少一个第二光学元件（7）通过调整所述调整装置（15）通过改变所述至少一个第一光学元件（6）或第二光学元件（7）的光学特性或位置而使按照数值地产生的或扩大的像差这样改变，使得在所述加工区（10）中的所述辐射（2）具有要调整的第二射束参数乘积（BPP2）。/n...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170904 EP 17001479.91.一种用于材料加工的设备，所述设备具有电磁辐射的至少一个射束源（1），其中所述射束源以限定的功率密度分布发出辐射（2），所述设备还具有使所述射束源（1）的所述辐射（2）变化地成形并且聚焦的射束成形光学装置（5），其中经聚焦的所述辐射（2）的光轴被表示为射束轴（3），所述光轴对准加工区（10），并且所述设备具有将所述辐射（2）保持在辐射（2）和材料（9）的在所述加工区（10）中形成的和移动的相互作用面（14）的区域中的装置，其中所发出的所述辐射（2）具有第一射束参数乘积（beamparameterproduct-BPP1）并且其中在其中所述辐射（2）与所述材料（9）处于相互作用的所述加工区（10）中的所述辐射（2）具有第二射束参数乘积（BPP2），其特征在于，设置如下调整装置（15），所述调整装置通过改变至少一个光学元件（6,7）的光学特性或位置而使所述第二射束参数乘积（BPP2）变化，其中所述射束成形光学装置（5）的至少一个第一光学元件（6）产生和/或扩大像差的数值，并且所述射束成形光学装置（5）的至少一个第二光学元件（7）通过调整所述调整装置（15）通过改变所述至少一个第一光学元件（6）或第二光学元件（7）的光学特性或位置而使按照数值地产生的或扩大的像差这样改变，使得在所述加工区（10）中的所述辐射（2）具有要调整的第二射束参数乘积（BPP2）。


2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述射束成形光学装置（5）的所述至少一个第一光学元件（6）产生或扩大负的像差的数值，并且所述射束成形光学装置（5）的所述至少一个第二光学元件（7）通过调整所述调整装置（15）通过改变所述至少一个第一光学元件（6）或所述第二光学元件（7）的所述光学特性或位置而这样改变按照数值地产生的或扩大的负的像差，使得在所述加工区（10）中的所述辐射（2）具有要调整的第二射束参数乘积（BPP2）。


3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，利用所述调整装置（15）最小能调整的第二射束参数乘积（BPP2min）不低于所述第一射束参数乘积（BPP1）的值并且优选地等于或略大于所述第一射束参数乘积（BPP1）并且利用所述调整装置（15）最大能调整的所述第二射束参数乘积（BPP2max）至少为利用所述调整装置（15）最小能调整的所述第二射束参数乘积（BPP2min）的两倍、优选5至20倍。


4.根据权利要求1至3其中任意一项所述的设备，其特征在于，所述射束成形光学装置（5）在所述辐射（2）的传播方向上来看，被布置在射束准直光学装置（4）的输出侧。


5.根据权利要求1至3其中任意一项所述的设备，其特征在于，以所述第一射束参数乘积（BPP1）入射到所述射束成形光学装置（5）中的辐射是未准直的辐射。


6.根据权利要求1至5其中任意一项所述的设备，其特征在于，经聚焦的辐射（2）的射束腰（11）与所述射束成形光学装置（5）的固定的参考面（13）的腰间距（12）在所述第二射束参数乘积（BPP2）的变化情况下是恒定的或者在预先给定的界限（18）中变化。


7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，在经聚焦的辐射（2）的射束腰（11）到所述射束成形光学装置（5）的固定的参考平面（13）的变化的腰间距（12）的情况下在所述第二射束参数乘积（BPP2）的变化情况下，所述腰间距（12）由此在预先给定的界限（19）中变化，其方式为，至少所述第一光学元件（6）和第二光学元件（7）这样设计，使得至少在改变所述第一光学元件（6）或第二光学元件（7）其中至少之一的光学特性或位置的情况下使所述腰间距（12）保留在预先给定的界限（18）之内。


8.根据权利要求6或7所述的设备，其特征在于，所述射束成形光学装置（5）具有第三光学元件（8），所述第三光学元件在自身的位置或自身的光学特性方面是能够改变的，使得所述腰间距（12）在预先给定的界限（18）中变化地能够调整或是恒定的。


9.根据权利要求1至8其中任意一项所述的设备，其特征在于，所述射束成形光学装置（5）的所述至少一个第一光学元件（6）和/或所述至少一个第二光学元件（7）具有球形面。


10.根据权利要求1至9其中任意一项所述的设备，其特征在于，所述射束成形光学装置（5）的所述至少一个第一光学元件（6）和/或所述至少一个第二光学元件（7）具有非球形的面。


11.根据权利要求1至10其中任意一项所述的设备，其特征在于，所述至少一个第一光学元件（6）和/或所述至少一个第二光学元件（7）的所述光学特性通过改变自身的折射指数、自身的折射指数梯度或者自身的形状而是能变化的。


12.根据权利要求1至11其中任意一项所述的设备，其特征在于，所述至少一个第一光学元件（6）和/或所述至少一个第二光学元件（7）具有负的光学焦距。


13.根据权利要求1至12其中任意一项所述的设备，其特征在于，通过所述调整装置（15）的所述控制模块（16）根据所要求的加工成果或者至少一个所调整的或者出现的...

【专利技术属性】
技术研发人员：D佩特林，F施奈德，S施托亚诺夫，
申请(专利权)人：弗劳恩霍夫应用研究促进协会，
类型：发明
国别省市：德国;DE