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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Lage
eines durch eine Öffnung eines Düsenkörpers
einer Laserbearbeitungsdüse hindurch tretenden, fokussierten
Laserstrahls relativ zur Öffnung, eine Laserbearbeitungsdüse,
sowie einen Laserbearbeitungskopf einer Laserbearbeitungsmaschine
mit einer solchen Laserbearbeitungsdüse.
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Für
eine optimale Materialbearbeitung mittels einer Laserbearbeitungsmaschine
ist es erforderlich, den Laserstrahl innerhalb der Laserbearbeitungsdüse
des Laserbearbeitungskopfs möglichst genau, insbesondere
zentrisch, anzuordnen. Hierzu ist es erforderlich, die zweidimensionale
Lage des z. B. in Z-Richtung propagierenden Laserstrahls bezüglich
der XY-Ebene der Öffnung der Laserbearbeitungsdüse
zu bestimmen, was im Stand der Technik vor allem manuell durchgeführt
wird. Hierzu wird auf den Düsenkörper ein Klebestreifen
geklebt und mit geringer Laserleistung ein kleines Loch in diesen
eingebrannt. Die Abweichung der Strahllage von der Düsenmitte
wird mit bloßem Auge und einer Lupe bestimmt. Dieser Vorgang
ist ungenau, zeitintensiv und aufgrund notwendiger manueller Eingriffe
für einen automatisierten Ablauf ungeeignet. Außerdem
lässt er sich nicht bei hoher Laserleistung durchführen.
Da jedoch die optischen Komponenten in der Laserstrahlführung
bei hoher Laserleistung aufgrund der Wärmeentwicklung in
ihren Eigenschaften beeinflusst werden, ist es wünschenswert,
die Strahllage in der Laserbearbeitungsdüse auch bei hoher
Laserleistung überprüfen und ggf. korrigieren
zu können.
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Aus
der
EP 0 597 771 M1 ist
eine Vorrichtung bekannt geworden, mittels derer das Zusammenfallen
der Achse eines fokussierten Laserstrahls mit einer Arbeitsachse überprüft
und ggf. korrigiert werden kann, um den Laserstrahl möglichst
optimal in eine optische Faser einzukoppeln, die den Laserstrahl
zu einem Laserbearbeitungskopf leitet. Hierzu wird unter anderem
vorgeschlagen, die optische Faser mit einem konusförmigen
Lochspiegel zu umgeben, durch den ein Teil der Laserstrahlung aus
einem Randbereich des Laserstrahls abgestreift und auf einen zweiten
konusförmigen Spiegel umgelenkt wird, von dem aus die Laserstrahlung
auf einen Detektor abgebildet wird.
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Auch
die
US 3,423,593 schlägt
zur Überwachung des Zusammenfallens der Laserstrahlachse mit
der optischen Achse (Arbeitsachse) eines Wellenleiters den Einsatz
eines konusförmigen Lochspiegels (Scraperspiegel, Abstreifspiegel)
vor, der den Laserstrahl ringförmig umgibt. Die abgestreifte Laserstrahlung
wird hierbei auf vier lichtempfindliche Messflächen umgelenkt,
die an in axialer Richtung symmetrisch um die optische Achse verteilten
Sensoren gebildet sind.
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Aufgabe der Erfindung
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren, eine
Laserbearbeitungsdüse und einen Laserbearbeitungskopf der
eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass die Bestimmung
der Strahllage und deren Korrektur innerhalb der Laserbearbeitungsdüse
auch bei hohen Strahlleistungen prozesssicher möglich ist.
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Gegenstand der Erfindung
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
ein Verfahren mit den Schritten: Bewegen des Düsenkörpers
und des Laserstrahls relativ zueinander entlang der Ausbreitungsrichtung
des Laserstrahls, bis ein Teil der Laserstrahlung aus einem Randbereich
des Laserstrahls an einer die Öffnung umgebenden, insbesondere
radialsymmetrisch bezüglich der Düsenachse verlaufenden
Streu- und/oder Spiegelfläche abgestreift wird, Detektieren der
Intensität der von der Streu- und/oder Spiegelfläche
reflektierten und/oder gestreuten Laserstrahlung an einer Mehrzahl
von Messflächen, sowie Vergleichen der an der Mehrzahl
von Messflächen detektierten Intensität zum Bestimmen
der Lage des Laserstrahls relativ zur Öffnung.
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Unter
normalen Arbeitsbedingungen befindet sich der Fokuspunkt des Laserstrahls
in der Arbeitsebene und der Strahl tritt berührungslos
durch die Öffnung der Laserbearbeitungsdüse. Die
Messsituation wird durch Aufweiten des Laserstrahls in der Ebene
der Öffnung des Düsenkörpers herbeigeführt. Hierzu
kann durch Bewegen der Fokussierlinse oder eines vorgeordneten adaptiven
Spiegels der Fokuspunkt des Laserstrahls in Z-Richtung von dem Düsenkörper
weg verschoben werden, bis ein Randbereich des Laserstrahls auf
den Rand der Öffnung sowie auf die die Öffnung
umgebende Streu- bzw. Spiegelfläche auftrifft. Nach der
Detektion zumindest eines Teils der reflektierten bzw. gestreuten
Strahlung wird anhand der Leistungs- bzw. Intensitätsverteilung auf
den einzelnen Messflächen die Lage des Laserstrahls in
der Ebene der Düsenöffnung bestimmt und gegebenenfalls
auf eine gewünschte Position korrigiert, z. B. indem der
Laserstrahl durch Verstellen einer Strahlführungsoptik
in der Ebene der Düsenöffnung, d. h. rechtwinklig
zur Düsenachse, verschoben wird. Diese Verschiebung kann
mittels eines Regelkreises erfolgen, wobei die gewünschte Position
erreicht ist, wenn die an den einzelnen Messflächen ermittelten
Intensitäten in einem vorgegebenen Verhältnis
zueinander stehen, wobei bei geeigneter (symmetrischer) Anordnung
der Messflächen die gewünschte Position bei identischen
Intensitäten erreicht wird.
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Es
versteht sich, dass beim Auftreffen von Laserstrahlung auf eine
intransparente optische Oberfläche stets ein erster Teil
der Strahlung reflektiert, ein zweiter Teil (diffus) gestreut und
ein dritter Teil absorbiert wird. Im Sinne dieser Anmeldung wird unter
einer Spiegelfläche eine optische Oberfläche verstanden,
an der ca. 70% oder mehr der einfallenden Strahlung gerichtet (spekular)
reflektiert wird, unter einer Streufläche eine Fläche,
bei der ein Anteil von 70% oder mehr der einfallenden Strahlung
gestreut wird. In beiden Fällen liegt der Anteil an Strahlung,
welcher absorbiert wird, bei weniger als 10%, idealer Weise bei
0%. Eine kombinierte Streu-/Spiegelfläche absorbiert ebenfalls
einen Anteil der auftreffenden Laserstrahlung von 10% oder weniger;
die übrigen 90% der Strahlung werden entweder gestreut
oder reflektiert, wobei der gestreute bzw. reflektierte Anteil durch
geeignete Oberflächen- bzw. Materialwahl eingestellt werden
kann.
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Bei
einer vorteilhaften Variante wird der abgestreifte Teil der Laserstrahlung
an der in radialer Richtung eine Krümmung aufweisenden
Spiegelfläche zusätzlich zur konusförmigen
Strahlaufweitung aufgeweitet oder fokussiert. Hierzu weist die typischerweise
rotationssymmetrisch zur Düsenachse verlaufende Spiegelfläche
eine geeignete Krümmung in radialer Richtung auf, d. h.
sie kann in radialer Richtung beispielsweise konkav oder konvex
gekrümmt sein, die Oberfläche wird in diesem Fall
somit durch einen Torus anstelle eines Konus gebildet. Hierdurch
wird erreicht, dass die reflektierte Strahlung auch in einem radialen
Schnitt betrachtet direkt divergent oder zunächst konvergent
und nach einem Zwischenfokus divergent verläuft, so dass
die Strahlleistung pro Flächeneinheit mit zunehmender Entfernung
von der Spiegelfläche besonders stark abnimmt, was sich
beim Detektieren der Intensität der abgestreiften Laserstrahlung
günstig auswirken kann, da hierdurch die zur Messung verwendeten Messflächen
vor Beschädigungen durch zu intensive Laserstrahlung geschützt
werden können.
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Bei
einer besonders vorteilhaften Variante ist mindestens eine der Messflächen
im divergenten Strahlengang der reflektierten Laserstrahlung angeordnet.
In diesem Fall wird die Strecke, welche die Laserstrahlung von der
Spiegelfläche bis zur Messfläche zurücklegt,
zumindest teilweise dafür genutzt, die Laserstrahlung aufzuweiten.
Hierdurch wird, wie oben dargestellt, die auf die Messfläche(n)
auftreffende Strahlungsleistung pro Flächeneinheit verringert, sodass
diese vor zu intensiver Laserstrahlung geschützt werden
können. Insbesondere kann durch die Strahlaufweitung die
Messfläche näher am Düsenkörper
positioniert werden als für den Fall, dass der Laserstrahl
an der Spiegelfläche lediglich umgelenkt wird, so dass
ein kompakter Messaufbau realisiert werden kann.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Variante sind die Messflächen
durch Sektoren eines Quadrantendetektors oder an einer Mehrzahl
von bevorzugt bezüglich der Düsenachse axial symmetrisch
angeordneten Sensoren gebildet. Anhand der Verteilung der Laserleistung
auf die einzelnen Messflächen lässt sich die Strahllage
in der Ebene der Düsenöffnung bestimmen und gegebenenfalls
auf eine gewünschte Position korrigieren, insbesondere
lässt sich der Laserstrahl in der Düsenmitte zentrieren.
Der Laserstrahl geht genau dann durch die Mitte der Düsenöffnung
(d. h. Laserstrahlachse und Düsenachse stimmen überein),
wenn alle Sektoren des Quadrantendetektors bzw. alle axial symmetrisch
angeordneten Sensoren die gleiche Strahlleistung bzw. Strahlintensität
detektieren.
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Be
einer weiteren vorteilhaften Variante werden der Düsenkörper
und der Laserstrahl relativ zueinander bewegt, bis der abgestreifte
Teil der Laserstrahlung mehr als 3% bevorzugt mehr als 10%, besonders
bevorzugt mehr als 20% der Gesamtleistung des Laserstrahls beträgt.
Hierdurch wird erreicht, dass nicht nur das Randfeld des Laserstrahls
abgestreift wird, welches ca. 1% bis 2% der gesamten Laserleistung
ausmacht, da dieses nicht unbedingt perfekt rotationssymmetrisch
ist, weshalb die Lage des Laserstrahls bezüglich der Öffnung
anhand des Randfeldes gegebenenfalls nur ungenau bestimmt werden
kann. Für die Messung wird daher ein nicht unerheblicher
Anteil der Laserleistung abgestreift, welcher auch einem weiter
innen liegenden, rotationssymmetrischen Bereich des Laserstrahls
umfasst.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Variante wird nach dem Bestimmen der
Lage des Laserstrahls der Laserstrahl in der Öffnung zentriert.
Durch die Zentrierung kann typischer Weise die Materialbearbeitung
mit Hilfe des Laserstrahls optimiert werden.
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Bei
einer besonders bevorzugten Variante wird der Laserstrahl mit einer
Strahlleistung von mehr als 1 kW, bevorzugt von mehr als 2 kW betrieben.
Da die optischen Komponenten in der Laserstrahlführung
bei hoher Laserleistung aufgrund der Wärmeentwicklung ihre
optischen Eigenschaften verändern, ist es günstig,
die Lage des Laserstrahls in der Öffnung der Laserbearbeitungsdüse
bei Nennleistung, d. h. bei der oben angegebenen Laserleistung zu überprüfen
und ggf. zu korrigieren.
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Die
Erfindung ist auch realisiert in einer Laserbearbeitungsdüse,
umfassend: einen Düsenkörper mit einer an dem
Düsenkörper gebildeten Öffnung zum Durchtritt
eines fokussierten Laserstrahls, sowie eine die Öffnung
umgebende, an dem Düsenkörper gebildete, insbesondere
radialsymmetrisch zur Düsenachse verlaufende Streu- und/oder
Spiegelfläche zum Abstreifen eines Teils der Laserstrahlung
aus einem Randbereich des Laserstrahls.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Streu- und/oder
Spiegelfläche in radialer Richtung eine Krümmung
auf, d. h. im Falle einer radialsymmetrischen Oberfläche
wird diese durch einen Torus anstelle eines Konus beschrieben. Durch das
Vorsehen einer gewölbten bzw. gekrümmten Oberfläche
kann die abgestreifte Laserstrahlung in radialer Richtung zusätzlich
zur konusförmigen Strahlaufweitung in einem radialen Schnitt
betrachtet aufgeweitet werden, sodass in einer vorgegebenen Entfernung,
an der eine Messfläche angeordnet werden soll, die Strahlungsintensität
pro Flächeneinheit besonders stark reduziert werden kann.
Es versteht sich, dass alternativ auch eine in radialer Richtung plan
verlaufende Streu- und/oder Spiegelfläche verwendet werden
kann.
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Bei
einer bevorzugten Weiterbildung ist die Streu- und/oder Spiegelfläche
konvex oder konkav gekrümmt, sodass die reflektierte Strahlung
in einem radialen Schnitt betrachtet aufgeweitet bzw. fokussiert
werden kann. Die Fokussierung kann hierbei auf einen Zwischenfokus
in geringem Abstand zum Düsenkörper erfolgen,
hinter dem die Laserstrahlung dann divergent verläuft.
Die Aufweitung ermöglicht es, Messflächen auch
in geringem radialem Abstand vom Düsenkörper anzuordnen,
ohne dass diese durch die detektierte Laserstrahlung beschädigt
werden.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Streu-
und/oder Spiegelfläche an einem in den Düsenkörper
angebrachten Lochspiegel gebildet, durch den die Laserstrahlung
im Bearbeitungsbetrieb berührungslos hindurch tritt. Der
Lochspiegel kann hierbei eine radialsymmetrische, konische oder
auch gewölbte, torische Spiegelfläche aufweisen,
welche einen Teil der Laserstrahlung aus dem Randbereich des Laserstrahls
abstreift. Der Lochspiegel kann als integraler Teil des Düsenkörpers
gefertigt oder in diesen integrierbar, d. h. als separater Ring
mit Streu- und/oder Spiegelfläche in den Düsenkörper
einsetzbar sein. In letzterem Fall kann ein solcher Ring auch entnehmbar
und für verschiedene Düsen verwendbar sein, wobei über
eine Passung die Zentrierung zu den jeweiligen Düsen erfolgen
muss.
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Bei
einer alternativen Ausführungsform ist die Streu- und/oder
Spiegelfläche unmittelbar auf dem Düsenkörper
gebildet. Dies ist vorteilhaft, um die Kontur der Spiegelfläche
in der Bearbeitungsdüse, die sich störend auf
die Gasströmung eines Arbeits- oder Schutzgases durch die Öffnung
im Düsenkörper auswirken kann, möglichst
gering zu halten. Zur Ausbildung der Streu- und/oder Spiegelkontur
kann der Düsenkörper poliert, mattiert und/oder
mit einer oder mehreren eingebrachten Rillen versehen werden. Die
Rillen können hierbei in radialer Richtung eine Ausdehnung
aufweisen, die beispielsweise bei weniger als 1 mm liegt. Es versteht
sich, dass die Spiegelkontur bzw. die Rillen) gewölbt ausgeführt
sein können, um einen in einem radialen Schnitt betrachtet
divergenten oder auf einen Zwischenfokus konvergierenden reflektierten
Strahl zu erzeugen.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Spiegelfläche
in Ausbreitungsrichtung des fokussierten Laserstrahls zulaufend
ausgebildet. Bei einer solchen Spiegelkontur kann die Reflexion
"überkreuzt" erfolgen, d. h. die abgestreifte Laserstrahlung
tritt durch den fokussierten Laserstrahl hindurch und wird z. B.
auf der der Spiegelkontur gegenüberliegenden Seite der Öffnung
detektiert, was bei der Auswertung der Detektorsignale berücksichtigt
werden muss.
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Die
Erfindung ist auch realisiert in einem Laserbearbeitungskopf für
eine Laserbearbeitungsmaschine mit einer Laserbearbeitungsdüse
wie oben beschrieben. Neben der Laserbearbeitungsdüse umfasst
der Laserbearbeitungskopf eine Fokussieroptik zur Fokussierung des
Laserstrahls und in der Regel Umlenkspiegel zur Strahlführung.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst der Laserbearbeitungskopf
eine Mehrzahl von Messflächen zur Detektion der Intensität
der von der Streu- und/oder Spiegelfläche gestreuten und/oder reflektierten
Laserstrahlung. Die von den Messflächen aufgezeichnete
Intensität kann in einer hierfür vorgesehenen
Kontrolleinrichtung verglichen und dadurch auf die Lage des Laserstrahls
bezüglich der Öffnung geschlossen werden. Zwei
Messflächen genügen, um den Laserstrahl in einer
Richtung in der Öffnung zu zentrieren. Bevorzugt werden
vier oder mehr Messflächen verwendet, um die Position des Laserstrahls
in der Öffnung möglichst genau zu bestimmen.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die Messflächen
im divergenten Strahlengang der reflektierten Laserstrahlung angeordnet,
wodurch sich in der Regel die Strahlungsleistung pro Flächeneinheit
auf den Messflächen verringert, sodass diese besser vor
Beschädigungen durch die Laserstrahlung geschützt
sind.
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Durch
Integration der Messflächen in den Bearbeitungskopf ist
die gesamte Messeinrichtung im Laserbearbeitungskopf untergebracht
und somit besonders kompakt aufgebaut. In diesem Fall kann die Vermessung
unabhängig von der Position des Laserbearbeitungskopfs
in der Bearbeitungsmaschine erfolgen. Werden die Messflächen
hingegen außerhalb des Laserbearbeitungskopfes positioniert,
ist es in der Regel erforderlich, dass der Laserbearbeitungskopf
für die Messung bzw. Zentrierung eine fest vorgegebene
Messposition, welche sich in der Regel am Rand der Bearbeitungsebene
befindet, anfährt, wodurch sich die für die Messung
benötigte Zeit erhöht.
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In
der Laserbearbeitungsmaschine oder dem Bearbeitungskopf können
Bewegungseinrichtungen angeordnet sein, welche es erlauben, den
Laserstrahl in einer Ebene senkrecht zur Düsenachse zu verschieben.
Hierzu können einerseits Schrittmotoren vorgesehen sein,
welche an einer vor dem Düsenkörper im Laserbearbeitungskopf
angeordneten Fokussierlinse angreifen, um diese quer zur Ausbreitungsrichtung
des Laserstrahls zu verschieben. Andererseits kann auch eine Winkelverstelleinrichtung vorgesehen
sein, die mindestens einen Umlenkspiegel vor der Fokussierlinse
verkippt, um den Fokuspunkt zu verschieben.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist zwischen
der Laserbearbeitungsdüse und den Messflächen
mindestens ein Umlenkspiegel, bevorzugt ein Lochspiegel, zur Umlenkung
zumindest eines Teils der von der Streu- und/oder Spiegelfläche
reflektierten und/oder gestreuten Laserstrahlung angeordnet. Der
bzw. die Umlenkspiegel sind hierbei in ihrer räumlichen
Anordnung und Ausdehnung vorzugsweise so gestaltet, dass sie nur
einen Teil der abgestreiften Strahlung auf die Messflächen
umlenken. Die Umlenkspiegel können hierbei plan ausgeführt
sein und die Laserstrahlung lediglich umlenken, oder eine Krümmung
aufweisen, um die Laserstrahlung zusätzlich zu fokussieren
oder aufzuweiten. Es versteht sich, dass die Umlenkspiegel auch
mit einer diffus streuenden Oberfläche versehen werden
können, um die von dem Düsenkörper gerichtet
reflektierte Laserstrahlung zu streuen und damit weiter abzuschwächen,
bevor diese auf die Messflächen trifft.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist zwischen
der Laserbearbeitungsdüse und mindestens einer Messfläche
eine Abbildungsoptik zur Abbildung zumindest eines Teils der gestreuten
und/oder reflektierten Laserstrahlung auf die Messflächen
angeordnet. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Sektoren
eines Quadrantendetektors als Messflächen eingesetzt werden.
Die Abbildungsoptik kann daneben auch zur Umlenkung der Laserstrahlung
dienen, z. B. wenn ein gekrümmter Umlenkspiegel zur Abbildung
verwendet wird.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die Messflächen
durch Sektoren eines Quadrantendetektors oder eine Mehrzahl von bevorzugt
bezüglich der Düsenachse axial symmetrisch angeordneten
Sensoren gebildet. Bei axialsymmetrisch angeordneten Sensoren (in
der Regel mindestens vier) findet die Symmetriebewertung durch paarweises
Vergleichen gegenüberliegender Sensoren statt. Auf einem
Quadrantendetektor wird die reflektierte/gestreute Strahlung vorzugsweise
kreisförmig oder ellipsenförmig abgebildet. Der
Quadrantendetektor befindet sich dabei nicht im Fokuspunkt, sondern
zumindest nahe an der oder in der Abbildungsebene.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist mindestens
eine Messfläche mit einer die Laserstrahlung teilweise
reflektierenden und/oder absorbierenden Beschichtung versehen. Die
kommerziell üblicherweise erhältlichen Detektoren
sind mit Messflächen nur für die Messung geringer
Laserleistungen im mW-Bereich ausgelegt, so dass sie vor zu intensiver
Laserstrahlung geschützt werden müssen, was auf
die oben beschriebene Weise, d. h. durch Vorsehen einer geeigneten
Schutzschicht, erfolgen kann. Alternativ oder zusätzlich
kann auch ein speziell beschichtetes Fenster oder eine Blende vor den
Messflächen positioniert werden. Außerdem ist es
vorteilhaft, im Bearbeitungsbetrieb der Laserbearbeitungsmaschine
die Messflächen durch einen Shutter und/oder eine Blende
vor der Laserstrahlung zu schützen.
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Weitere
Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung 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.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Laserbearbeitungsmaschine,
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2 eine
Darstellung eines Laserbearbeitungskopfs mit einer erfindungsgemäßen
Laserbearbeitungsdüse während des Bearbeitungsbetriebs,
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3a,
b den Laserbearbeitungskopf von 2 während
des Messbetriebs in einer Seitenansicht und in einer Draufsicht,
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4 einen
Darstellung des Strahlverlaufs an einer konkaven bzw. konvexen Spiegelfläche,
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5a,
b eine Darstellung einer weiteren erfindungsgemäßen
Laserbearbeitungsdüse mit einer konkav gekrümmten
Spiegelkontur auf dem Düsenkörper,
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6a–c
jeweils eine Abbildungsoptik zur Abbildung der von einer Spiegelfläche
auf einen Quadrantendetektor reflektierten Laserstrahlung, und
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7 eine
Abbildungsoptik zur Abbildung der an einer Streufläche
gestreuten Laserstrahlung auf einen Quadrantendetektor.
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1 zeigt
eine Laserbearbeitungsmaschine 1, welche eine Strahlführungsoptik
mit einer Mehrzahl von optischen Elementen 2.1 bis 2.5 zur
Führung eines Laserstrahls 3 an einen Laserbearbeitungskopf 4 aufweist.
Zur Bewegung des Laserbearbeitungskopfs 4 entlang eines
eine Arbeitsebene 5 definierenden Bearbeitungstisches in
einer ersten Raumrichtung X eines XYZ-Koordinatensystems ist der
Laserbearbeitungskopf 4, wie durch einen Doppelpfeil angedeutet,
an einem in der ersten Raumrichtung X verfahrbaren Schlitten 6 befestigt.
Der Laserbearbeitungskopf 4 kann weiterhin in einer zweiten
Raumrichtung Y in der Arbeitsebene verfahren werden, indem er entlang
des Schlittens 6 verschoben wird, wie ebenfalls durch einen
Doppelpfeil angedeutet ist. Auf diese Weise kann der Laserbearbeitungskopf 4 in
beiden Raumrichtungen X, Y über die gesamte Fläche
des Bearbeitungstisches verschoben und hierbei ein auf diesem positioniertes
Werkstück 7 bearbeitet werden. Zusätzlich
kann eine in dem Laserbearbeitungskopf 4 angeordnete Fokussierlinse 8 in
einer dritten Raumrichtung Z relativ zum Schlitten 6 bewegt
werden, um den Abstand zwischen dem Strahlfokus des Laserstrahls 3 und
der Arbeitsebene 5 bzw. dem dort angeordneten Werkstück 7 einzustellen,
wie durch einen weiteren Doppelpfeil angedeutet ist.
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Bei
der Bearbeitung des Werkstücks 7 befindet sich
der Fokuspunkt des Laserstrahls 3 in der Arbeitsebene und
dieser tritt berührungslos durch eine in 2 gezeigte Öffnung 9 in
einem Düsenkörper 10 einer Laserbearbeitungsdüse 11 hindurch,
welche an einer Befestigungseinrichtung 12 des Laserbearbeitungskopfs 4 mittels
einer lösbaren Verbindung (Gewinde) angebracht ist.
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Der
Düsenkörper 10 besteht aus einem elektrisch
leitfähigen Material, typischerweise aus Kupfer. Die Befestigungseinrichtung 12 weist
zur Befestigung der Laserbearbeitungsdüse 11 ein
(nicht gezeigtes) Innengewinde auf und besteht im vorliegenden Fall
aus einem nicht leitfähigen, keramischen Material. Die
Befestigungseinrichtung 12 ist Teil des (nicht gezeigten)
Körpers des Laserbearbeitungskopfs 4.
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Für
eine optimale Bearbeitung des Werkstücks 7 ist
es erforderlich, dass der Laserstrahl 3 in der Öffnung 9 der
Laserbearbeitungsdüse 11 eine definierte Position
einnimmt. Bei dem in 2 gezeigten, rotationssymmetrischen
Düsenkörper 10 mit einer kreisförmigen Öffnung 9 befindet
sich diese Position im Mittelpunkt der Öffnung 9,
d. h. auf der Düsenachse 13. Um die Lage des Laserstrahls 3 relativ zur Öffnung 9 zu
bestimmen, wird zunächst die Fokussierlinse 8 in
Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls 3 (negative Z-Richtung)
verschoben, bis ein Teil der Laserstrahlung aus einem Randbereich
des Laserstrahls 3 an einer die Öffnung 9 umgebenden, radialsymmetrisch
bezüglich der Düsenachse 13 verlaufenden
konischen Spiegelfläche 14 abgestreift wird (vgl. 3a),
welche an einem konischen Lochspiegel 15 gebildet ist,
der einen integralen Bestandteil oder auch einen abnehmbaren aber
durch eine Passung gut auf den Düsenkörper 10 konzentrisch ausgerichteten
Teil der Laserbearbeitungsdüse 11 bildet. Alternativ
oder zusätzlich kann auch ein vor der Fokussierlinse 8 angeordneter
adaptiver Umlenkspiegel (nicht gezeigt) zur Verschiebung des Fokuspunkts
des Laserstrahls 3 dienen.
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Die
an der Spiegelfläche 14 gerichtet und/oder diffus
reflektierte Laserstrahlung 16 wird an vier Messflächen 17a–d
detektiert, welche auf Sensoren 18a–d angebracht
sind, die in regelmäßigen Abständen (von
90°) axial symmetrisch um die Düsenachse 13 herum
angeordnet sind, vgl. 3b. Die Intensität
der von der Spiegelfläche 14 gerichtet und/oder
diffus auf die Messflächen 17a–d reflektierten
Laserstrahlung 16 wird in den Sensoren 18a–d detektiert.
Anhand der Unterschiede der Strahlungsintensitäten, die
von den einzelnen Sensoren 18a–d geliefert werden,
lässt sich die Lage des Laserstrahls 3 in der
Ebene des Lochspiegels 15 bestimmen. Bei den vier axialsymmetrisch
angeordneten Sensoren 18a–d findet die Symmetriebewertung
durch paarweises Vergleichen der Intensitäten der einander
in einer gemeinsamen Richtung (X bzw. Y) gegenüber liegenden
Sensoren 18a, 18c bzw. 18b, 18d statt. Weichen
die Intensitäten eines jeweiligen Sensorpaars 18a, 18c bzw. 18b, 18d voneinander
ab die Lage des Laserstrahls 3 in der zugehörigen
Richtung (X bzw. Y) korrigiert werden, indem die Strahlführung des
Laserstrahls 3 entsprechend angepasst wird. Der Laserstrahl 3 geht
genau dann durch die Mitte der Öffnung 9 (d. h.
die Düsenachse 13 und die optische Achse des Laserstrahls 3 stimmen überein), wenn
alle axialsymmetrisch angeordneten Sensoren 18a–d
die gleiche Strahlleistung bzw. Strahlintensität messen.
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An
Stelle der in 2 bzw. 3a, b
gezeigten, in radialer Richtung plan verlaufenden, konischen Spiegelfläche 14 ist
es auch möglich, torische Spiegelflächen zu verwenden,
welche in radialer Richtung eine Krümmung aufweisen. 4 zeigt schematisch
eine erste Spiegelfläche 14a mit konkaver Krümmung
in radialer Richtung und eine weitere Spiegelfläche 14b mit
konvexer Krümmung, welche beispielsweise an Stelle der
Spiegelfläche 14 an dem in 2 und 3a,
b gezeigten Lochspiegel 15 ausgebildet sein können.
Bei der konkav gekrümmten Spiegelfläche 14a wird
die reflektierte Laserstrahlung 16a zunächst in
einem radial verlaufenden Schnitt betrachtet auf einen Zwischenfokus
fokussiert, bevor diese auf eine Messfläche 17a trifft,
während bei der konvex gekrümmten Spiegelfläche 14b die
reflektierte Laserstrahlung 16b direkt aufgeweitet wird,
bevor sie auf eine weitere Messfläche 17b auftrifft.
In beiden Fällen sind die Messflächen 17a, 17b im
divergenten Strahlengang der Laserstrahlung 16a, 16b angeordnet.
Es versteht sich, dass in der Regel nicht beide in 4 gezeigten
Spiegeflächen 14a, 14b am Düsenkörper
derselben Laserbearbeitungsdüse realisiert sind, da die
Spiegelflächen in der Regel rotationssymmetrisch bezüglich
der Düsenachse 13 verlaufen.
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Der
Einfluss der Spiegelkontur auf die Gasströmung eines (nicht
gezeigten) Arbeits- oder Schutzgases durch die Laserbearbeitungsdüse 11 sollte
möglichst gering gehalten werden. Daher kann alternativ
zur Anbringung einer Spiegel- und/oder Streufläche auf
dem Lochspiegel 15 der Düsenkörper selbst
als Spiegel genutzt werden, oder, wie in 5a, b
gezeigt ist, eine Spiegel- und/oder Streukontur 14c in
einer Rille in einen Düsenkörper 10a einer
Laserbearbeitungsdüse 11a eingebracht werden. Die
Spiegelfläche 14c ist wie die erste Spiegelfläche 14a von 4 konkav
gekrümmt, so dass die abgestreifte Laserstrahlung in einem
radial verlaufenden Schnitt betrachtet nach einem Zwischenfokus
wieder divergent verläuft. Die Spiegelfläche 14c ist
aber im Gegensatz zur ersten Spiegelfläche 14a von 4 in Ausbrei tungsrichtung
(negativer Z-Richtung) des fokussierten Laserstrahls 3 zulaufend
ausgebildet, sodass sie den Gasfluss durch die Öffnung 9 nur
wenig beeinflusst. Allerdings erfolgt bei der Spiegelkontur 14a der 5a,
b die Reflexion überkreuzt, d. h. ein Teil der Laserstrahlung 3a,
die aus einem rechten Randbereich des Laserstrahls 3 abgestreift
wird, wird auf eine links neben dem Laserstrahl 3 angeordnete Messfläche 17a reflektiert,
wohingegen ein weiterer Teil der Laserstrahlung 3c, die
aus einem rechten Randbereich des Laserstrahls abgestreift wird,
auf eine links neben dem Laserstrahl 3 angeordnete Messfläche 17c reflektiert
wird. Es versteht sich, dass dies bei der Auswertung der Messsignale
bzw. bei der Bewegung des Laserstrahls 3 in die Mitte der Öffnung 9 berücksichtigt
werden muss. Die Messflächen 17a, 17c sind
hierbei an entsprechenden (nicht gezeigten) Sensoren angebracht,
die wie in 3a, b dargestellt auf einer
Befestigungseinrichtung für den Düsenkörper 10a oder
an anderer Stelle im Laserbearbeitungskopf 4 der Laserbearbeitungsmaschine 1 angeordnet
sind. Es versteht sich, dass auch bei der in 5a, b
gezeigten Laserbearbeitungsdüse 11a mindestens
vier Messflächen vorhanden sind, um den Laserstrahl 3 in
der Öffnung 9 zu zentrieren.
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Bei
der Verwendung von vier oder mehr Messflächen 17a–d,
die auf entsprechenden Sensoren 18a–d angeordnet
sind, ist es nicht zwingend erforderlich, die Spiegelfläche 14, 14a–d
rotationssymmetrisch auszubilden, da eine Umlenkung des Laserstrahls 3 nur
in den axialen Richtungen erforderlich ist, in denen sich auch die
Sensoren 18a–d befinden. Allerdings ist die Verwendung
einer rotationssymmetrischen Spiegelfläche in der Regel
günstiger, weil diese einen geringeren Einfluss auf die
Gasströmung durch die Öffnung 9 hat.
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Im
Folgenden wird anhand der 6a–c
und 7 beispielhaft beschrieben, wie die abgestreifte Laserstrahlung 6 auf
Messflächen abgebildet werden kann, die an einem Quadrantendetekor 18 gebildet sind.
Es versteht sich, dass alternativ zu der folgenden Darstellung eine
solche Abbildung auch auf eine oder mehrere Messflächen
erfolgen kann, die an räumlich getrennten (Einzel-)Sensoren
gebildet sind.
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6a zeigt
die Laserbearbeitungsdüse 11 von 2,
die an der Befestigungseinheit 12 angebracht ist. Der Winkel,
unter dem die konische Spiegelfläche 14 bezüglich
des Laserstrahls 3 angeordnet ist, ist in 6a jedoch
derart gewählt, dass die reflektierte Laserstrahlung 6 nicht
auf die Befestigungseinheit 12, sondern auf einen fokussierenden Umlenkspiegel 19 trifft,
der als Lochspiegel ausgebildet ist, und der zumindest einen Teil
der reflektierten Laserstrahlung 6 auf den Quadrantendetektor 18 abbildet. 6b zeigt
eine alternative Ausgestaltung einer Abbildungsoptik für
die reflektierte Laserstrahlung 6 auf den Quadrantendetektor 18,
bei welcher ein planer Umlenkspiegel 19a die Laserstrahlung 6 lediglich
auf eine Fokussierlinse 20 umlenkt, welche die Laserstrahlung
auf die Messflächen 17a–d abbildet, die
als Sektoren des Quadrantendetektors 18 ausgebildet sind.
Wie in 6b ebenfalls zu erkennen, wird
die reflektierte Laserstrahlung 6 auf einen Ring 21 abgebildet.
Es versteht sich, dass die Abbildungseigenschaften der Abbildungsoptik
so gewählt werden können, dass die Laserstrahlung 6 auf
den Messflächen 17a–d in einer anderen
Form abgebildet wird, z. B. in Form einer Ellipse. Der Laserstrahl 3 verläuft
hierbei genau dann durch die Mitte der Öffnung 9 (d.
h. die Laserstrahlachse und die Düsenachse 13 stimmen überein),
wenn auf alle Messflächen 17a–d bzw.
Sektoren des Quadrantendetektors 18 die gleiche Strahlleistung
auftrifft.
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6c zeigt
die Laserbearbeitungsdüse 11a der 5a,
b, bei der die reflektierte Laserstrahlung 6 auf einen
fokussierenden Umlenkspiegel 19b auftrifft, welcher die
Laserstrahlung 6 auf den Quadrantendetektor 18 abbildet.
Der Umlenkspiegel 19b weist hierbei eine Krümmung
auf, die so gewählt ist, dass die abgestreifte Laserstrahlung 6 auf
dem Quadrantendetektor 18 abgebildet wird, der nicht zwingend
wie in 6a und 6b gezeigt
senkrecht zur Laserstrahlachse 13 beleuchtet wird.
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Es
versteht sich, dass bei den in 6a–c gezeigten
Abbildungsoptiken der Quadrantendetektor 18 sich nicht
im Fokuspunkt befinden darf, weil in diesem Fall die Laserstrahlung 6 auf
einen Punkt abgebildet wird, so dass ein Leistungsvergleich nicht möglich
ist. Weiterhin sind die Umlenkspiegel 19, 19a, 19b in
ihrer räumlichen Anordnung und Ausdehnung so gestaltet,
dass sie nur einen Teil der abgestreiften Laserstrahlung 6 auf
den Quadrantendetektor 18 umlenken, damit die auf diesen
auftreffende Strahlungsleistung nicht zu groß wird.
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Bei
den in 2 bis 6c gezeigten Anordnungen wird
in Abhängigkeit vom Verhältnis des Durchmessers
des Lochspiegels 15 bzw. der Öffnung 9 zum
Strahldurchmesser des Laserstrahls 3 bis zu etwa 20% der
gesamten Laserleistung abgestreift, um zu vermeiden, dass ein Großteil
der reflektierten Laserstrahlung 6 aus dem sog. Randfeld
des Laserstrahls 3 entnommen wird, das typischerweise 1
bis 2% der gesamten Laserleistung ausmacht. Die Strahlung im Randfeld
ist gegebenenfalls nicht perfekt rotationssymmetrisch und kann daher
nicht symmetrisch auf die Messflächen 17a–d
des Quadrantendetektors 18 oder der symmetrisch angeordneten Einzeldetektoren 18a–d
abgebildet werden. Für die Messung wird daher der Fokuspunkt
des Laserstrahls 3 so weit verschoben, dass auch ein weiter
innen liegender Teil der Laserstrahlung abgestreift werden kann.
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7 zeigt
schließlich eine Laserbearbeitungsdüse 11b,
welche einen Streuring 22 mit einer planen Streufläche 23 aufweist,
die in einer Ebene senkrecht zur Düsenachse 13 verläuft.
Die diffus streuende Streufläche 23 streift analog
zu einer Spiegelfläche einen Teil der Laserstrahlung aus
dem Randbereich des Laserstrahls 3 ab. Die an der Streufläche 23 diffus
gestreute Laserstrahlung 24 wird wie in 6b durch
die Fokussierlinse 20 auf den Quadrantendetektor 18 abgebildet.
Ein bezüglich der Düsenachse 13 nicht
zentrisch ausgerichteter Laserstrahl bewirkt eine unsymmetrische
Ausleuchtung der Streufläche 23 und führt
somit wie oben beschrieben zu unterschiedlichen Intensitäten
auf den Messflächen 17a–d des Quadrantendetektors 18.
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Alternativ
zur in 7 dargestellten Anordnung, bei der die diffus
reflektierte Strahlung von einer außermittig angeordneten
Linse 20 gesammelt wird, kann – wie in 6a oder 6b gezeigt – die Strahlung
auch über einen Umlenkspiegel 19 oder 19a und
die Fokussierlinse 20 abgebildet werden, wodurch die Symmetrie
der Beobachtung bezüglich der Symmetrie der Bestrahlung
der Streufläche gewahrt bleibt.
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Die
in 2 bis 7 gezeigten Messflächen 17a–d
können jeweils mit einer die Laserstrahlung 16, 16a, 16b teilweise
reflektierenden und/oder absorbierenden Beschichtung versehen sein,
um diese vor zu hoher Strahlungsintensität zu schützen. Alternativ
kann auch ein speziell beschichtetes Fenster oder eine Blende vor
einer oder mehreren der Messflächen 17a–d
positioniert werden. Außerdem ist es günstig,
im Bearbeitungsbetrieb die Messflächen 17a–d
durch einen Shutter und/oder eine Blende zu schützen.
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Die
Auswertung der Messsignale kann für alle oben beschriebenen
Fälle in einer in 1 gezeigten
Kontrolleinrichtung 25 erfolgen, welche die Strahlführung
des Laserstrahls 3 steuert, um die Position des Laserstrahls 3 relativ
zur Öffnung 9 ausgehend von den durch die Messflächen 17a–d
detektierten Signalen an eine gewünschte Endposition zu verbringen.
Bei den in 6a–c und 7 gezeigten Anordnungen
sind die Messflächen 17a–d und der Quadrantendetektor 18 im
Laserbearbeitungskopf 4 angeordnet. Alternativ ist es aber
auch möglich, den Laserbearbeitungskopf 4 für
den Zentrierungsprozess an eine in 1 gezeigte
Messstation 26 zu verbringen, an der ein Quadrantendetektor
oder mehrere symmetrisch angeordnete Sensoren angeordnet ist/sind.
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Alternativ
zu den gezeigten Typen von Sensoren können selbstverständlich
auch andere Detektoren, z. B. Flächendetektoren (CCD-Kameras,
Diodenarrays, etc.) verwendet werden, bei denen jede Messfläche
durch einen einzelnen Pixel oder eine Gruppe von Pixeln gebildet
ist. Für die vorliegende Anwendung, den Laserstahl 3 in
der Öffnung 9 zu zentrieren, ist eine Messung
der Intensität an einer Vielzahl von Punkten jedoch nicht
zwingend erforderlich, so dass typischer Weise die oben beschriebenen
Lösungen zum Einsatz kommen, da diese sich kostengünstiger
realisieren lassen. Hierbei werden in der Regel nicht mehr als zehn
symmetrisch verteilte Einzelsensoren verwendet.
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Mit
den oben beschriebenen Anordnungen lässt sich die Lage
des Laserstrahls relativ zu einer Öffnung einer Laserbearbeitungsdüse
auch bei hohen Laserleistungen (typischerweise bei 1–2
kW oder mehr) prozesssicher ermitteln, da durch das Vorsehen einer
Streu- und/oder Spiegelfläche am Düsenkörper
der Laserbearbeitungsdüse verhindert wird, dass der Düsenkörper
beim Abstreifen der Laserstrahlung beschädigt wird. Eine
Bestimmung der Lage des Laserstrahls relativ zur Öffnung
bei hoher Laserleistung ist immer dann angezeigt, wenn sich die
Strahllage in Abhängigkeit von der Laserleistung aufgrund
der Erwärmung von optischen Komponenten im Strahlführungssystem
des Laserstrahls verändert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 0597771
M1 [0003]
- - US 3423593 [0004]