(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工方向（２０）にレーザビーム（１１２）を用いて材料を加工するための装置（１００、４００）であって、
ワーク（１０）上へと前記レーザビーム（１１２）を集光させるための集光光学系（１２１、１２２）であり、前記集光光学系（１２１、１２２）が光学軸（１２４）を規定する、集光光学系（１２１、１２２）と、
前記光学軸（１２４）に垂直な平面内で前記加工方向（２０）に垂直な前記レーザビーム（１１２）のパワー密度分布を非対称になるように調節するように構成された前記レーザビーム（１１２）用の第１の調節装置１２０を備える調節機構と、を具備する装置（１００、４００）において、
前記第１の調節装置が、シーメンススター、変形可能ミラー、屈折型光学素子、アキシコン、およびこれらの任意の組み合わせからなる群から選択される少なくとも１つのビーム成形光学系を備え、前記レーザビーム（１１２）の前記パワー密度分布を調節するために、前記第１の調節装置（１２０）が前記光学軸（１２４）に対して変位可能であるおよび／またはチルト可能であり、
光学軸に垂直な平面内の前記レーザビーム（１１２）の断面が前記光学軸（１２４）の周りに対称的であり、前記レーザビーム（１１２）の前記パワー密度が前記断面内で非対称であることを特徴とする装置（１００、４００）。
【請求項２】
請求項１に記載の装置（１００、４００）であって、前記レーザビーム（１１２）の前記パワー密度分布を調節するために、前記第１の調節装置（１２０）が、前記光学軸（１２４）に実質的に垂直な平面内でおよび／または前記光学軸（１２４）に実質的に平行な平面内で前記光学軸（１２４）に対して変位可能であることを特徴とする装置（１００、４００）。
【請求項３】
請求項１または２に記載の装置（１００、４００）であって、前記第１の調節装置（１２０）が円形経路に沿って変位可能であり、前記円形経路の中心が前記光学軸（１２４）上にある、または前記第１の調節装置（１２０）が直線的に変位可能であることを特徴とする装置（１００、４００）。
【請求項４】
請求項１、２、または３のいずれか１項に記載の装置（１００、４００）であって、前記第１の調節装置（１２０）の前記変位方向が、前記加工方向（２０）に結び付けられることを特徴とする装置（１００、４００）。
【請求項５】
請求項１に記載の装置（１００、４００）であって、加工速度、焦点位置、および切断ガス圧からなる群から選択される１つ以上のプロセスパラメータに前記第１の調節装置（１２０）の前記変位の大きさを結び付けるように構成された制御装置をさらに備えることを特徴とする装置（１００、４００）。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載の装置（１００、４００）であって、前記第１の調節装置（１２０）が、前記第１の調節装置（１２０）の変位方向に軸対称になるようにおよび／または前記第１の調節装置（１２０）の前記変位方向に垂直に非対称になるように前記パワー密度分布を調節するように構成されることを特徴とする装置（１００、４００）。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項に記載の装置（１００、４００）であって、前記第１の調節装置（１２０）が、前記レーザビーム（１１２）の非対称パワー密度分布と対称パワー密度分布との間を切り替えるように構成されることを特徴とする装置（１００、４００）。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか１項に記載の装置（１００、４００）であって、前記加工方向（２０）に垂直なガスジェット（８８０）の密度分布を非対称になるように調節するように構成された前記ガスジェット（８８０）用の調節装置（８００）をさらに備えることを特徴とする装置（１００、４００）。
【請求項９】
加工方向（２０）にレーザビーム（１１２）を用いて材料を加工するための装置（１００、４００）であって、
ワーク（１０）上へと前記レーザビーム（１１２）を集光させるための集光光学系（１２１、１２２）であり、前記集光光学系（１２１、１２２）が光学軸（１２４）を規定する、集光光学系（１２１、１２２）を備える装置（１００、４００）において、
前記光学軸（１２４）に垂直な平面内で前記加工方向（２０）に垂直なガスジェット（８８０）の密度分布を非対称になるように調節するように構成された前記ガスジェット（８８０）用の調節装置（８００）を備える調節機構により特徴づけられる装置（１００、４００）。
【請求項１０】
請求項８または９に記載の装置（１００、４００）であって、前記ガスジェット（８８０）を供給するためのガス源であり、前記ガス源が前記光学軸（１２４）の周りに対称な複数の排出口開口部（８１０）を有する、ガス源をさらに備えることを特徴とする装置（１００、４００）。
【請求項１１】
請求項１０に記載の装置（１００、４００）であって、前記ガスジェット（８８０）用の前記調節装置（８００）が、前記ガスジェット（８８０）の前記密度分布を調節するために前記排出口開口部（８１０）のうちの１つ以上を選択的に開くおよび／または閉じるように構成されることを特徴とする装置（１００、４００）。
【請求項１２】
請求項８から１１のいずれか１項に記載の装置（１００、４００）であって、前記ガスジェット（８８０）が、前記装置内で前記レーザビーム（１１２）と同軸的に重なることが可能であることを特徴とする装置（１００、４００）。
【請求項１３】
請求項８から１２のいずれか１項に記載の装置（１００、４００）であって、ガスジェット（８８０）用の前記調節装置（８００）が、前記ガスジェット（８８０）の非対称密度分布と対称密度分布との間を切り替えるように構成されることを特徴とする装置（１００、４００）。
【請求項１４】
請求項１から１３のいずれか１項に記載の装置（１００、４００）であって、前記装置が、レーザ加工ヘッド、レーザ切断ヘッド、またはレーザ溶接ヘッドを備えることを特徴とする装置（１００、４００）。
【請求項１５】
レーザビームを用いて材料を加工するための方法（９００）であって、
光学軸に対してパワー密度分布を有するレーザビームを形成するステップ（９１０）と、
加工方向に前記レーザビームを用いてワークを加工するステップ（９２０）と
を含み、
前記光学軸の周りの対称な断面内の前記レーザビームの前記パワー密度分布および／または前記加工方向に垂直なガスジェット（８８０）の密度分布が、非対称になるように調節されることを特徴とする方法（９００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、加工方向に沿ってレーザビームを用いて材料を加工するための装置およびレーザビームを用いて材料を加工するための方法に関する。特に、本開示は、ワークをレーザ切断するための装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ切断などのレーザ加工において、すなわち、レーザ照射により材料を加工する際に、レーザ光源から発せられたレーザビームは、加工しようとするワーク上へとビーム導光および集光光学系により集光される。材料を加工するための従来の装置は、レーザビームおよびモーメンタム源としてのガスジェットを使用することができる。一般に、レーザビームおよびガスジェットは、回転対称になるように形成される。このようなレーザビームおよびガスジェットを用いて、例えば、粗さ、角型性、バリ形成、均一性、等に関して、両側で同一の、したがって同じ品質のカーフが生成される。
【０００３】
レーザ切断中に、部品をワークから切断することができる。典型的には、部品外形が形成され、その結果、片われがさらなる目的を満足できず、したがって廃棄物として処理される。「廃棄物側」の切断品質は、これゆえ多くの場合には重要ではない。これゆえ、「製品側」の切断品質を高めることが好都合であるはずである。
【０００４】
特許文献１から、所望の加工結果に応じて照射最前線の表面構造を調節することが知られる。照射最前線の表面構造を、例えば、レーザビームのビーム特性の、特に偏光および／または切断方向に沿ったビームプロファイルの適切な選択により調節することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２０１１／１５４４６１（Ａ２）号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ワークの切断表面の品質を改善することができ、加工方向に沿ってレーザビームを用いて材料を加工するための装置およびレーザビームを用いて材料を加工するための方法を提供することが、本開示の目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この目的は、独立請求項の主題により達成される。本発明の有利な実施形態が、従属請求項に特定されている。
【０００８】
本開示の実施形態によれば、加工方向に沿ってレーザビームを用いて材料を加工するための装置が提供される。上記装置は、ワーク上へと上記レーザビームを集光させるための集光光学系であって、上記集光光学系が光学軸を規定する、集光光学系と、調節機構とを備える。上記調節機構は、上記加工方向に垂直な上記レーザビームのパワー密度分布または強度分布を非対称になるように調節するように構成された上記レーザビーム用の第１の調節装置を備える。
【０００９】
本開示のさらなる実施形態によれば、加工方向に沿ってレーザビームを用いて材料を加工するための装置が特定される。上記装置は、ワーク上へと上記レーザビームを集光させるための集光光学系であって、上記集光光学系が光学軸を規定する、集光光学系と、調節機構とを備える。上記調節機構は、上記加工方向に垂直なガスジェットの密度分布を非対称になるように調節するように構成された上記ガスジェット用の第２の調節装置を備える。
【００１０】
他の実施形態によれば、レーザビームを用いて材料を加工するための方法が特定される。上記方法は、光学軸に対してパワー密度分布または強度分布を有するレーザビームを形成するステップと、加工方向に沿って上記レーザビームを用いてワークを加工するステップであって、上記加工方向に垂直な、上記レーザビームの上記パワー密度分布もしくは強度分布および／またはガスビームの密度分布が非対称である、加工するステップとを含む。
【００１１】
本開示の好ましい任意選択の実施形態および特定の態様は、従属請求項、図面、および本明細書から明らかであろう。
【００１２】
本開示によれば、レーザビームおよび／またはガスジェットの回転対称性が破られる。特に、加工方向、これは例えば、切断方向であってもよい、に垂直なレーザビームのパワー密度分布および／またはガスジェットの密度分布は非対称である。したがって、外形切断を、一方の側で、例えば所望の部品の側で明確に改善することができる。
【００１３】
本開示の実施形態は、切断しようとする部品に関係する少なくともカーフの側で、例えば、切断端部品質の向上、特に、粗さの低減およびバリ形成の低減をともなうレーザ切断を提供することができる。カーフの他方の側の品質は、特に、この片われが廃棄物として処理されるときには著しく悪くてもよい。
【００１４】
従来は同じ品質がカーフの両側で実現される一方で、本発明は、品質を再配分することができ、一方の側で高くすることができる。これは、任意の所望の切断方向で可能であり得る、ここでは、「製品側」は、自由に選択可能であってもよい。例えば、本開示の実施形態は、切断方向に自動的に適応させることができ、したがって外形切断のケースでは、「製品側」が切り落とされる部品と常に関係付けられる。
【００１５】
加えて、例えば、光学軸の周りに回転を実行しなければならない切断ヘッドには外付けの機械部品がなくてもよい。すべての技術的は実装形態を、ヘッド内の内部に一体化することができる。加えて、いつでも品質の再配分のオンおよびオフを切り替えることを可能にすることができる。後者は、いつでもすべての方向で同じ切断条件を実現することを可能にする。オンおよびオフを切り替えることを、機械の操作員による機械的な手動の介入なしに遠隔で制御するおよび／または自動化することができる。
【００１６】
さらにその上、システムは、異なる材料で作られおよび／または異なる厚さを有するワークに適用可能であってもよい。加工方向が追従する速度を最大にすることができ、その結果、例えば、高い加工速度を必要とする薄いシートを加工することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本開示の実施形態による、加工方向に沿ってレーザビームを用いて材料を加工するための装置の模式図である。
【図２Ａ】対称パワー密度分布を有するレーザビームの模式図である。
【図２Ｂ】非対称パワー密度分布を有するレーザビームの模式図である。
【図３】本開示の実施形態による、ワーク上でのレーザ切断プロセスの模式図である。
【図４Ａ】本開示のさらなる実施形態による、加工方向に沿ってレーザビームを用いて材料を加工するための装置の模式図である。
【図４Ｂ】本開示の実施形態による、旋回装置の模式図である。
【図５Ａ】本開示の実施形態による、第１の調節装置の変位の関数として光学軸に垂直なレーザビームのパワー密度分布を示す図である。
【図５Ｂ】第１の調節装置を円形経路に沿って変位させるときの固定のｚ平面内での光学軸に垂直なレーザビームのパワー密度分布を示す図である。
【図６Ａ】本開示の他の実施形態による、第１の調節装置の変位の関数として光学軸に垂直なレーザビームのパワー密度分布を示す図である。
【図６Ｂ】第１の調節装置を円形経路に沿って変位させるときの固定のｚ平面内での光学軸に垂直なレーザビームのパワー密度分布を示す図である。
【図７Ａ】本開示のさらなる実施形態による、第１の調節装置の模式図である。
【図７Ｂ】本開示のさらなる実施形態による、第１の調節装置の模式図である。
【図７Ｃ】本開示のさらなる実施形態による、第１の調節装置の模式図である。
【図８Ａ】本開示の実施形態による、第２の調節装置の模式図である。
【図８Ｂ】本開示の実施形態による、第２の調節装置の模式図である。
【図８Ｃ】本開示の実施形態による、第２の調節装置による対称ガスジェットの３次元表示図である。
【図８Ｄ】本開示の実施形態による、第２の調節装置による調節後の非対称ガスジェットの３次元表示図である。
【図９】本開示の実施形態による、レーザビームを用いて材料を加工する方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本開示の実施形態を、図に図説し、そして下記により詳細に説明する。
【００１９】
下記では、別なふうに特に言及しない限り、類似の参照番号が類似の要素および等価な要素に対して使用される。
【００２０】
レーザビームを用いて材料を加工するとき、特に、レーザ切断のときには、レーザビームをエネルギー源として、そしてガスジェットをプロセスドライバとして使用することができる。ガスジェットを、モーメンタム源として、そして任意選択で酸化剤（例えば、酸素）として使用することができる。従来は、レーザビームおよびガスジェットは、回転対称である。より具体的に、光学軸に垂直な任意の平面内のレーザビームの強度分布またはパワー密度分布は、回転対称である。同じことが、ガスの密度および速度にも当てはまることがある。このように、同じ切断結果を、任意の所望の切断方向で実現することができる。切断方向への敏感な調節は、必ずしも必要ではない。このことは、小さな外形を有する薄いシートを扱う仕事をするときに、非常に早く頻繁な方向の変更が生じることがあるので、特に有利である。
【００２１】
対称的なレーザビームおよびガスジェットを用いると、両側で同一でありそれゆえ同じ品質のカーフを作成することができる。例えば、切断部の２つの側が２つの異なる部品に関係するように金属シート上で外形をネスティングするためのネスティング技術がある。しかしながら、実際には、これは非常に限られた数の部品に対して利用可能であるに過ぎない。多くの場合、部品の外形は、片われがさらなる目的を満足することができず、したがって廃棄物として処理されるように成形される。「廃棄物側」の切断部品質は、そのため無意味である。したがって、このことが、「製品側」の切断端部の品質の向上および／または加工速度の増加などの「製品側」に関する利点をもたらす場合には、廃棄物の切断部品質を低下させてもよい。
【００２２】
本開示によれば、レーザビームおよび／またはガスジェットの回転対称性が破られる。特に、加工方向、これは例えば、切断方向であってもよい、に垂直なレーザビームのパワー密度分布もしくは強度分布および／またはガスジェットの密度分布は非対称である。ここでは、レーザビームの非対称パワー密度分布および／またはガスジェットの密度分布が、ワークの位置のところで形成される。したがって、外形切断を、一方の側で、例えば所望の部品の側で、すなわち「製品側」で明確に改善することができる。
【００２３】
図１は、本開示の実施形態による、加工方向２０に沿ってレーザビーム１１２を用いて材料を加工するための装置１００の模式図を示している。装置１００を、レーザ切断ヘッドなどの切断ヘッドとすることができる。加工方向２０を、切断方向および／またはワーク１０に対する装置１００の移動の方向とすることができる。
【００２４】
装置１００は、ワーク１０上へとレーザビーム１１２を集光させるための集光光学系１２１、１２２を備える。集光光学系１２１、１２２は、光学軸１２４を規定する。装置１００は、調節機構をさらに備える。調節機構は、レーザビーム用の第１の調節装置１２０および／またはガスジェット用の第２の調節装置８００（図１には図示せず、図８参照）を備える。ガスジェットは、レーザビーム１１２と重なることがある。例えば、ガスジェットが光学軸１２４に向かってそして光学軸に沿って流れるように、ガスジェットを偏向させることができる。
【００２５】
第１の調節装置１２０は、少なくとも１つのビーム成形光学系、例えば、シーメンススター、アキシコン、アキシコンアレイ、変形可能ミラー、屈折型光学素子、または任意選択で離散化されたコーン表面をともなうもしくは湾曲したコーン表面をともなう扁平アキシコンを好ましくは備える。レーザビーム１１２用の第１の調節装置１２０は、加工方向２０に垂直なレーザビーム１１２のパワー密度分布または強度分布を非対称になるように調節するように構成される。言い換えると、光学軸１２４に垂直な平面内のレーザビーム１１２のパワー密度分布の回転対称性が破られる。パワー密度は、したがって光学軸１２４に垂直な平面内では不均一である。ガスジェット用の第２の調節装置８００は、加工方向２０に垂直なガスジェットの密度分布または速度分布を非対称になるように調節するように構成される。言い換えると、光学軸１２４に垂直な平面内のガスジェットの密度の回転対称性が破られる。光学軸１２４に垂直な平面内の密度は、したがって不均一である。第１の調節装置１２０および第２の調節装置８００を、装置１００内に二者択一的にまたは一体的に実装することができる。
【００２６】
実施形態によれば、第１の調節装置１２０を、光学軸１２４上の意図した位置から変位させることができて、レーザビーム１１２のパワー密度分布を調節することができる。これを、ｘ／ｙ平面内、すなわち、光学軸１２４を横切る（すなわち、光学軸１２４に垂直な平面内）の変位とすることができる。代替でまたは任意選択で、第１の調節装置１２０をチルトさせることができる。任意選択で、第１の調節装置１２０を、任意の横方向の変位のためにやはり構成することができる。
【００２７】
レーザビーム１１２のパワー密度分布の非対称性および／またはガスジェットの密度の非対称性は、光学軸１２４に垂直な平面内に存在する。ここで、レーザビーム１１２および／またはガスジェットは、光学軸１２４に平行な平面内で対称的なまたは均一なパワー密度分布または密度分布を有することができる。光学軸１２４に垂直な平面内のレーザビーム１１２および／またはガスジェットの断面、すなわち、これらの空間的な広がりを、光学軸１２４の周りで（回転）対称とすることができる。しかしながら、レーザビーム１１２および／またはガスジェットの断面エリア内のパワー密度分布または密度分布は、非対称である。言い換えると、レーザビームのパワー密度および／またはガスジェットの密度は、断面エリア内では不均一である。
【００２８】
装置１００は、レーザビーム１１２を供給するためのレーザ源１１０を備える。本明細書において説明する他の実施形態と組み合わせることができる実施形態によれば、装置１００は、ガスジェットを供給するためのガス源（図示せず）を備える。ガス源を、レーザ切断ヘッドとすることができる装置１００と一体化することができる。ガス源は、第２の調節装置８００を含むことができる。光学軸１２４に沿ってレーザ源１１０により供給されるレーザビーム１１２とガスジェットが重なるように、ガス源を構成することができる。
【００２９】
集光光学系１２１、１２２を、光学軸１２４を規定する固定または可変の焦点長（ズーム）を有する光学システムとすることができる。集光光学系１２１、１２２は、少なくとも１つの結像光学素子を備える。光学軸１２４に垂直なパワー密度分布は、初期にはすべての平面内で回転対称であり、レーザ源１１０が、例えば、光ファイバの円形または環状である光ガイドコアに当てはまるこの特性をやはり有することを可能にする。本開示によれば、光学システムを、ビーム成形光学系などの第１の調節装置１２０により補うことができ、その結果、回転対称ではないビームプロファイルを選択的な方式で生成することができる。
【００３０】
いくつかの実施形態では、集光光学系１２１、１２２は、コリメータ光学系１２１および集光光学系１２２を含むことができる。例えば、レーザ源１１０の光ファイバから出てくる発散レーザ光ビームが、コリメータ光学系１２１により平行レーザ光ビームへと変換され、これが集光レンズ１２２によりワーク１０上に集光される。調節機構、そして特に第１の調節装置１２０を、コリメータ光学系１２１と集光光学系１２２との間の平行レーザ光ビームへと挿入することができる。
【００３１】
図２Ａおよび図２Ｂは、色スケールでの、光学軸に垂直な平面内での対称（図２Ａ）または非対称（図２Ｂ）パワー密度分布を有するレーザビームの模式図を示している。スケールの単位は、平方センチメートル当たりのワット（Ｗ／ｃｍ２）であり、スケールの上端（赤）が最大値、例えば、５．００Ｅ＋０６Ｗ／ｃｍ２を示し、下端（青）が０の最小値を示している。図２Ａ、図２Ｂ、図３、図５Ａ、図５Ｂ、図６Ａ、および図６Ｂのすべてのビームプロファイル表示は、このスケールに基づいている。
【００３２】
光学軸１２４に垂直なパワー密度分布は、第１の調節装置１２０を用いなくても回転対称であり、レーザ源１１０がこの特性をやはり有することを可能にする。このような対称パワー密度分布２００が図２Ａに示されている。レーザビームのパワー密度または強度は、実質的に均一である。ビーム成形光学系であってもよい第１の調節装置１２０は、レーザビーム１１２の対称性を破り、その結果、レーザビーム１１２は非対称パワー密度分布を有する。第１の調節装置により生成された非対称強度分布が図２Ｂに示されている。レーザビームのパワー密度または強度は、不均一である。
【００３３】
レーザビームの非対称パワー密度分布には、最大部２１０および最小部２２０がある。最大部２１０は、最大パワー密度または強度の領域である。最小部２２０は、最小パワー密度または強度の領域である。最小部２２０、すなわち、最小パワー密度または強度を、最大部、すなわち最大パワー密度または強度の９０％未満とすることができ、好ましくは５０％未満、好ましくは２５％未満、そしてより好ましくは１０％未満とすることができる。第１の調節装置１２０は、強度を再分布させるように構成されてもよく、ここではレーザビーム１１２の総合的な強度を、実質的に一定にすることができる。最大パワー密度を有する領域は、「製品側」に面していてもよい。
【００３４】
同様に、ガスジェットの非対称密度分布には、最大部および最小部がある。最大部は、最大ガス密度の領域である。最小部は、最小ガス密度の領域である。最小部、すなわち、最小ガス密度を、最大部、すなわち最大ガス密度の９０％未満とすることができ、好ましくは５０％未満、好ましくは２５％未満、より好ましくは１０％未満とすることができる。第２の調節装置８００は、ガスを再分布させるように構成されることがあり、ここではガスの全流量を、実質的に一定にすることができる。最大ガス密度を有する領域は、「製品側」に面していてもよい。
【００３５】
パワー密度分布の対称性が破られるとはいえ、光学軸に垂直な平面内でのレーザビーム１１２の空間的な広がりを、実質的に対称にすることができる。例えば、光学軸１２４に垂直な平面内でのレーザビーム１１２の空間的な広がりを、パワー密度分布を非対称なままで、光学軸１２４の周りで対称にすることができる。同じことがガスジェットに同様に当てはまることがある。
【００３６】
本明細書において説明する他の実施形態と組み合わせることができる実施形態によれば、第１の調節装置１２０は、加工方向２０に基づくレーザビーム１１２のパワー密度分布の最大、すなわち、最大強度を調節するように構成される。代替でまたは任意選択で、第２の調節装置８００を、加工方向２０に基づくガスジェットの最大密度として密度分布の最大を調節するように構成することができる。加工方向２０を、ワークに対する装置の移動の方向とすることができる。
【００３７】
いくつかの実施形態では、第１の調節装置１２０は、加工方向２０に応じて非対称になるように加工方向２０に垂直なレーザビーム１１２のパワー密度分布を調節するように構成される。言い換えると、パワー密度を、加工方向２０に対して一方の側で（図２Ｂでは左側で）他方の側（図２Ｂでは右側）よりも高くすることができる。例えば、第１の調節装置１２０の変位を、加工方向２０に結び付けることができる。加工方向２０に沿ったパワー密度分布を対称にすることができる。言い換えると、加工方向２０に平行なパワー密度を、実質的に一定にすることができる。
【００３８】
代替でまたは任意選択で、第２の調節装置８００を、加工方向２０に基づいて非対称になるように加工方向２０に垂直なガスジェットの密度分布を調節するように構成することができる。言い換えると、ガスジェットの密度を、加工方向２０に対して一方の側で他方の側よりも高くすることができる。加工方向２０に沿った密度分布を対称にすることができる。言い換えると、加工方向２０に平行な密度を、実質的に一定にすることができる。
【００３９】
図３は、本開示の実施形態による、ワーク上でのレーザ切断プロセスの模式図である。
【００４０】
レーザ切断プロセスは、レーザビームを用いてワークに穴をあけること、最大速度までレーザビームを持っていくこと、およびワークから外形を切断することを含むことができる。穴をあけることを、図２Ａに示したように、回転対称パワー密度分布２００を用いて実行することができる。外形の切断中に、パワー密度分布を、段階的にまたは連続的に調節することができ、その結果、最大パワー密度領域２１０が「製品側」に面する。特に、パワー密度分布を、図３に示したように、加工方向に基づいて調節することができる。したがって、粗さ、角型性、ビアード形成、均一性、等などの「製品側」の切断端部の品質を改善することができる。
【００４１】
本明細書において説明する他の実施形態と組み合わせることができる実施形態によれば、本発明による装置の加工速度は、少なくとも０．０５ｍ／ｍｉｎ、好ましくは少なくとも１ｍ／ｍｉｎ、より好ましくは少なくとも１０ｍ／ｍｉｎ、それどころかより好ましくは少なくとも１００ｍｍ／ｍｉｎである。
【００４２】
図４Ａは、本開示の他の実施形態による、加工方向に沿ってレーザビーム１１２を用いて材料を加工するための装置４００の模式図を示している。図４Ｂは、本開示の実施形態による、装置４００の旋回装置４１０の模式図を示している。
【００４３】
本明細書において説明する他の実施形態と組み合わせることができる実施形態によれば、第１の調節装置１２０は、光学軸１２４に対して移動可能である。特に、レーザビーム１１２の非対称パワー密度分布を調節するためにおよび／またはビーム成形をオンおよびオフに切り替えるために、第１の調節装置１２０を光学軸１２４に対して移動させることができる。例えば、ビーム成形をできなくするために、第１の調節装置１２０をビーム経路から取り除く（例えば、旋回させる）ことができる。
【００４４】
レーザビーム１１２のパワー密度分布を調節するためにおよび／またはビーム成形オン／オフを切り替えるために、第１の調節装置１２０は、光学軸１２４に実質的に垂直な平面内で移動可能であっても変位可能であってもよい。代替でまたは加えて、レーザビーム１１２のパワー密度分布を調節するために、第１の調節装置１２０は、光学軸１２４に実質的に平行な平面内で移動可能であっても変位可能であってもよい。例えば、第１の調節装置１２０は、光学軸１２４に垂直におよび／または平行に変位可能であってもよい。いくつかの実施形態では、第１の調節装置１２０は、パワー密度分布を調節するために光学軸１２４に対してチルト可能であってもよい。さらなる実施形態では、第１の調節装置１２０は、円形経路に沿って移動可能であってもよい。円形経路の中心点を、光学軸１２４上とすることができる。このような円形の移動に関して、非対称性の程度を一定にすることができ、パワー密度分布は、光学軸１２４の周りを回転することができる。
【００４５】
実施形態によれば、第１の調節装置１２０の移動の方向に沿ったパワー密度分布を、実質的に対称にすることができる。しかしながら、第１の調節装置の移動の方向に垂直なパワー密度分布を、非対称にすることができる。この例が図５Ａおよび図５Ｂにシーメンススターを参照して図示されている。
【００４６】
図４Ａを参照して、装置４００は、旋回軸４１６を規定している可動旋回素子４１４を有する旋回装置４１０を備える。第１の調節装置１２０は、接続素子４１２を介して可動旋回素子４１４に接続される。ビーム成形オン／オフを完全に切り替えるために、第１の調節装置１２０を、旋回軸４１６の周りの回転によりビーム経路の中へ／外へ旋回させることができる。非対称ビーム成形を可能にするために、可動旋回部材４１４または旋回軸４１６を動かすことができる。例えば、旋回軸４１６を動かすまたはチルトさせることができる。実施形態によれば、旋回軸４１６の変位は、光学軸１２４に平行な平面内でおよび／または光学軸１２４に垂直な平面内で行われてもよい。旋回軸４１６と光学軸１２４とが０°よりも大きく９０°未満の角度を囲むように、チルトを実行することができる。言い換えると、チルトは、互いに平行でない旋回軸４１６と光学軸１２４とによって規定される。
【００４７】
総合的なシステムの光学軸１２４は、変位させた第１の調節装置１２０によってはほんのわずかしか影響を受けない。ワーク１０上でわずかに変化したレーザビーム１１２のｘ−ｙ位置の結果として、所望の部品の形状に望ましくない寸法誤差が生じる場合には、寸法誤差を、すべての方向で事前に決定することができ、次いで切断外形のプログラミングの際に補正することができる。第１の調節装置１２０のビーム成形光学系が典型的には平面プレートと比較して形状でわずかな寸法誤差しか示さないので、総合的なシステムの焦点位置は、ビーム成形光学系のすべての変位に対してほぼ同一である。相当な焦点位置の変化が生じる場合には、これらの変化を、基本光学系の可動光学素子を介して補正することができる。
【００４８】
図５Ａは、第１の調節装置１２０、このケースではシーメンススター、の変位の関数として光学軸に垂直な平面（ｘ−ｙ平面）内のレーザビームのパワー密度分布を示している。光学軸は、ｚ軸に沿って延びている。図５Ｂは、第１の調節装置１２０を円形経路に沿って変位させるときの固定のｚ平面（ｚ＝４ｍｍ）内で光学軸に垂直な平面内でのレーザビームのパワー密度分布を示している。このような円形の移動に関して、非対称の程度を一定にすることができ、パワー密度分布を光学軸の周りに回転させることができる。
【００４９】
本明細書において説明する他の実施形態と組み合わせることができる実施形態によれば、第１の調節装置１２０は、シーメンススターを含んでもシーメンススターであってもよい。シーメンススターを、特に、石英ガラスまたは硫化亜鉛製のオプチカルフラットの透明なガラス板からなる板状の形をした光学素子とすることができ、これは、一方の側に、アジマス方向または円周方向に傾斜したシーメンススター状のファセットを有する。
【００５０】
図５Ａおよび図５Ｂに示したシミュレーションのために使用したシーメンススターを用いる配置は、下記のパラメータ：ファセット角＝０．２５°、焦点長ｆｃ＝１００ｍｍとｆｆ＝１５０ｍｍ、ファイバコアΦ＝１００μｍ、およびＮＡ＝０．０６を有する。加えて：焦点面（ｚ＝０ｍｍ）内でリングΦ＝６００μｍおよび検出器ウィンドウサイズ＝１．２ｘ１．２ｍｍ。
【００５１】
シーメンススターがビーム経路の中心にあるときには、焦点の前、焦点位置および焦点の後で得られるパワー密度分布は、限られた数のファセットによる「ホットスポット」を除いて回転対称である。シーメンススターがｘ方向および／またはｙ方向に光学軸から外れて変位する場合には、個々のファセットが異なるパワーで照射されるので、パワー密度分布の回転対称性が失われる。変位方向に沿って、パワー密度分布は、依然として軸対称である。偏向方向に対して横方向に、パワー密度分布は、非対称である。ｘ／ｙ変位の大きさが、この非対称性の程度を決定する。
【００５２】
光学系が中心として光学軸を有する円形経路に沿って変位するときには、図５Ｂに示したように、非対称性の程度は一定であり、パワー密度分布が光学軸の周りを回転する。
【００５３】
好ましくは、第１の調節装置１２０の変位または移動の方向が、切断方向に結び付けられる。実施形態によれば、第１の調節装置１２０の変位または移動の大きさは、プロセスパラメータに結び付けることができる。プロセスパラメータを、切断速度、焦点位置、切断ガス圧、および類似のパラメータを含む群から選択することができる。
【００５４】
図６Ａは、ここではアキシコンとして具体化された第１の調節装置１２０の変位の関数として光学軸に垂直なレーザビームの強度分布を示している。図６Ｂは、第１の調節装置を円形経路に沿って変位させるときの固定のｚ平面（ｚ＝０ｍｍ）内での光学軸に垂直なレーザビームの強度分布を示している。
【００５５】
アキシコンは、円錐形の研磨レンズである。アキシコンは、点光源を光学軸に沿った線上へと結像する、またはレーザビームをリングへと変換する。
【００５６】
図６Ａおよび図６Ｂに示したシミュレーションのために使用したアキシコンを用いた配置は、下記のパラメータ：アキシコン角＝０．１７°、焦点長ｆｃ＝１００ｍｍとｆｆ＝１５０ｍｍ、ファイバコアΦ＝１００μｍ、およびＮＡ＝０．１を有する。加えて、焦点面（ｚ＝０ｍｍ）内でリングΦ＝４００μｍおよび検出器ウィンドウサイズ＝１．２ｘ１．２ｍｍ。
【００５７】
本明細書において説明する他の実施形態と組み合わせることができる実施形態によれば、第１の調節装置１２０は、シーメンススター、変形可能ミラー、屈折型光学素子、アキシコン、およびこれらの任意の組み合わせからなる群から選択される少なくとも１つのビーム成形光学系を備える。変形可能ミラーは、回転対称ではない反射表面の形成を可能にする。屈折型光学素子は、光学系の変位を回転対称ではない強度分布へと変換するように構成されてもよい。アキシコンの様々な実施形態が図７Ａ〜図７Ｃに示されている。図７Ａは、コーン尖端部の代わりに表面７１０を有する扁平アキシコン７００を示し、中央アライメントで非対称ビーム成形を可能にする。いくつかの実施形態では、アキシコン７００’は、離散化されたコーン表面７１０’（図７Ｂ）を有してもよい。これは、横方向のスポット上でより高い強度を可能にする。加えて、アキシコン７００”は、実施形態にしたがって湾曲したコーン表面７１０”（図７Ｃ）を有してもよい。これは半径方向への横方向スポットの伸長を可能にする。
【００５８】
図８Ａおよび図８Ｂは、本開示の実施形態による、第２の調節装置８００の模式図である。
【００５９】
いくつかの実施形態では、レーザビーム１１２の代替でまたは加えて、ガスジェットを、回転対称ではないようにやはり形成することができる。レーザビーム１１２のように、ガスジェットを、加工方向に応じて方向付けすることができる。本明細書において説明する他の実施形態と組み合わせることができる実施形態によれば、レーザビームを用いて材料を加工するための装置は、ガスジェットを供給するためのガス源を備え、このガス源は、複数の排出口開口部８１０を有し、ここでは第２の調節装置８００が、ガスジェットの密度分布を調節するために排出口開口部８１０のうちの１つ以上を選択的に開くおよび／または閉じるように構成される。特に、例えば、一様に分布した排出口開口部８１０のうちの１つ以上を塞ぐことによって、非対称ガスジェットを生成することができる。
【００６０】
典型的には、レーザ加工ヘッドまたは切断ヘッドであってもよい装置１００または４００へのガスの注入は、一方の側からである。ガスを、そのときには、ヘッドの内側でレーザビーム１１２と同軸的に重ねることができる。好ましくは、ガスは、分割方式で先ず分岐され、その結果、ガスジェット８８０が光学軸１２４に向かっていくつかの空間的な方向から一様に流れる（図８Ｃ参照）。これを、例えば、複数の対称的に配置された排出口開口部８１０により実現することができる。これは、個々の排出口開口部８１０（すなわち、ガス排出口）を塞ぐ可能性を提供する。これにより、非対称性を強制的に作ることができる（図８Ｄ参照）。好ましくは、これらの排出口開口部８１０のうちのいずれかを塞ぐことができる。これを、モータによりまたは任意選択で自動的に実行することができる。図８Ａおよび図８Ｂでは、開いている排出口開口部が白丸で示され、そして閉じられた排出口開口部が黒丸で示されている。いくつかの実施形態では、第２の調節装置８００は、回転可能なピンダイアフラムを備えることができるまたはピンダイアフラムであってもよい。
【００６１】
図９は、本開示の実施形態による、レーザビームを用いて材料を加工するための方法９００のフローチャートを示している。方法９００は、本開示にしたがって、加工方向にレーザビームを用いて材料を加工するための装置を使用することができる。
【００６２】
方法９００は、ステップ９１０において、光学軸に対してパワー密度分布を有するレーザビームを形成するステップと、ステップ９２０において、加工方向に沿ってレーザビームを用いてワークを加工するステップであり、加工方向に垂直なレーザビームのパワー密度分布および／またはガスビームの密度分布が非対称である、加工するステップとを含む。
【００６３】
本開示によれば、レーザパワー密度分布、強度最大部および／または加工方向に応じて光学軸から偏向される「重心」が生成される。特に、ビーム成形光学系を、レーザ材料加工ヘッド内で使用することができ、ビーム成形光学系が、システムの光学軸に対してそれぞれ、加工方向に応じて変位されるおよび／またはチルトされる。結果として、例えば、切断端部の品質の向上、特に、粗さの低減およびバリ形成の低減、切り落とそうとする部品に関係する少なくともカーフの側を、レーザ切断のために提供することができる。
【００６４】
好ましい実施形態は、特に：
１．加工方向（２０）に沿ってレーザビーム（１１２）を用いて材料を加工するための装置（１００、４００）であって、
ワーク（１０）上へと上記レーザビーム（１１２）を集光させるための集光光学系（１２１、１２２）であり、上記集光光学系（１２１、１２２）が光学軸（１２４）を規定する、集光光学系（１２１、１２２）と、
上記加工方向（２０）に垂直な上記レーザビーム（１１２）のパワー密度分布を非対称になるように調節するように構成された上記レーザビーム（１１２）用の第１の調節装置（１２０）、および／または
上記加工方向（２０）に垂直なガスジェット（８８０）の密度分布を非対称になるように調節するように構成されたガスジェット（８８０）用の第２の調節装置（８００）と
を備える、調節機構と
を具備することを特徴とする装置（１００、４００）。
２．実施形態１に記載の装置（１００、４００）であって、上記レーザビーム（１１２）の上記パワー密度分布を調節するために、上記第１の調節装置（１２０）が上記光学軸（１２４）に対して変位可能であることを特徴とする装置（１００、４００）。
３．実施形態２に記載の装置（１００、４００）であって、上記第１の調節装置（１２０）が、上記光学軸（１２４）に実質的に垂直な平面内でおよび／または上記光学軸（１２４）に実質的に平行な平面内で変位可能であることを特徴とする装置（１００、４００）。
４．実施形態２または３に記載の装置（１００、４００）であって、上記第１の調節装置（１２０）が円形経路に沿って変位可能であり、上記円形経路の中心が上記光学軸（１２４）上にあることを特徴とする装置（１００、４００）。
５．実施形態２から４のいずれか１項に記載の装置（１００、４００）であって、上記第１の調節装置（１２０）の上記変位方向が上記加工方向（２０）に結び付けられることを特徴とする装置（１００、４００）。
６．実施形態２から５のいずれか１項に記載の装置（１００、４００）であって、上記第１の調節装置（１２０）の変位の大きさが、加工速度、焦点位置、切断ガス圧からなる群から選択される１つ以上のプロセスパラメータに結び付けられることを特徴とする装置（１００、４００）。
７．実施形態２から６のいずれか１項に記載の装置（１００、４００）であって、上記第１の調節装置（１２０）により調節された上記パワー密度分布が、上記第１の調節装置（１２０）の変位方向に沿って軸対称であるおよび／または上記第１の調節装置（１２０）の上記変位方向に垂直に非対称であることを特徴とする装置（１００、４００）。
８．実施形態１から７のいずれか１項に記載の装置（１００、４００）であって、上記第１の調節装置（１２０）が、シーメンススター、変形可能ミラー、屈折型光学素子、アキシコン、およびこれらの任意の組み合わせからなる群から選択される少なくとも１つのビーム成形光学系を備えることを特徴とする装置（１００、４００）。
９．実施形態１から８のいずれか１項に記載の装置（１００、４００）であって、上記ガスジェット（８８０）を供給するためのガス源であり、上記ガス源が複数の排出口開口部（８１０）を有する、ガス源をさらに備え、上記第２の調節装置（８００）が、上記ガスジェットの上記密度分布を調節するために上記排出口開口部（８１０）のうちの１つ以上を選択的に開くおよび／または閉じるように構成されることを特徴とする装置（１００、４００）。
１０．実施形態１から９のいずれか１項に記載の装置（１００、４００）であって、上記装置が、レーザ加工ヘッドまたレーザ溶接ヘッドを備えることを特徴とする装置（１００、４００）。
１１．レーザビームを用いて材料を加工するための方法（９００）であって、
光学軸に対してパワー密度分布を有するレーザビームを形成するステップ（９１０）と、
加工方向に沿って上記レーザビームを用いてワークを加工するステップ（９２０）であり、上記加工方向に垂直な上記レーザビームの上記パワー密度分布および／またはガスジェット（８８０）の密度分布が非対称である、加工するステップ（９２０）と
を含むことを特徴とする方法（９００）。
【図１】
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【図２Ａ−２Ｂ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
0006872642.tif 000009
【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
0006872642.tif 000011
【図７Ｂ】
0006872642.tif 000012
【図７Ｃ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図９】
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