DE102010032781B4 - Method for separating workpieces with laser beams - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum trennenden Bearbeiten von Werkstücken mit Laserstrahlen, bei dem mindestens zwei im cw-Mode betriebene Laserstrahlen (1, 2), die voneinander abweichende Wellenlängen aufweisen, durch eine Relativbewegung der Laserstrahlen (1, 2) und des Werkstücks (5) entlang einer Schneidkontur (6) ausgelenkt und mit einem optischen Element (9, 10) fokussiert auf die zu bearbeitende Oberfläche gerichtet werden und die Laserstrahlen (1, 2) gleichzeitig so auf die zu bearbeitende Werkstückoberfläche gerichtet werden, dass sich dabei die Brennflecke zumindest zum größten Teil überdecken; wobei mit dem optischen Element (9) die Position der Brennpunktebene entsprechend des erfolgten Werkstoffabtrags nachgeführt wird und die Bearbeitung an Werkstücken (5), die als Verbund mit mindestens zwei unterschiedlichen Werkstoffen mit Schichten A und B gebildet sind, so durchgeführt wird, dass eine Schicht A in einem ersten Trennschnitt und im Anschluss daran eine Schicht B in einem zweiten Schnitt abgetragen wird.Method for the separating machining of workpieces with laser beams, in which at least two cw-mode operated laser beams (1, 2) having mutually different wavelengths, by a relative movement of the laser beams (1, 2) and the workpiece (5) along a cutting contour (6) deflected and focused with an optical element (9, 10) are directed to the surface to be processed and the laser beams (1, 2) are simultaneously directed to the workpiece surface to be machined so that cover the focal spots at least for the most part ; wherein with the optical element (9) the position of the focal plane is tracked according to the material removal carried out and the machining of workpieces (5), which are formed as a composite with at least two different materials with layers A and B, is carried out so that a layer A in a first separation cut and then a layer B is removed in a second section.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur trennenden Bearbeitung mit Laserstrahlen. Dabei kann in so genannter Remote-Technik gearbeitet werden. Sie kann vorteilhaft bei der Bearbeitung von Verbundwerkstücken eingesetzt werden.The invention relates to a method for separating processing with laser beams. It can be worked in so-called remote technique. It can be used advantageously in the machining of composite workpieces.
Bei Verbundwerkstücken können diese aus mehreren Schichten gebildet sein, die wiederum aus unterschiedlichen Werkstoffen gebildet sind. Werkstoffe zeigen aber ein unterschiedliches Absorptionsverhalten bei Strahlung mit unterschiedlichen Wellenlängen. Dadurch kann sich die für die Bearbeitung erforderliche Zeit erhöhen oder die Qualität der Schnittkanten lässt zu wünschen übrig.In composite workpieces, these can be formed of several layers, which in turn are formed of different materials. However, materials show a different absorption behavior for radiation with different wavelengths. This may increase the time required for processing or the quality of the cut edges leaves something to be desired.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur trennenden Bearbeitung mit Laserstrahlen. Dabei kann in so genannter Remote-Technik gearbeitet werden. Sie kann vorteilhaft bei der Bearbeitung von Verbundwerkstücken eingesetzt werden.The invention relates to a method for separating processing with laser beams. It can be worked in so-called remote technique. It can be used advantageously in the machining of composite workpieces.
Bei Verbundwerkstücken können diese aus mehreren Schichten gebildet sein, die wiederum aus unterschiedlichen Werkstoffen gebildet sind. Werkstoffe zeigen aber ein unterschiedliches Absorptionsverhalten bei Strahlung mit unterschiedlichen Wellenlängen. Dadurch kann sich die für die Bearbeitung erforderliche Zeit erhöhen oder die Qualität der Schnittkanten lässt zu wünschen übrig.In composite workpieces, these can be formed of several layers, which in turn are formed of different materials. However, materials show a different absorption behavior for radiation with different wavelengths. This may increase the time required for processing or the quality of the cut edges leaves something to be desired.
In
Bei der aus
In
Das
Eine Laserbearbeitung mit zwei Laserstrahlen eines YAG-Lasers und eines CO2-Lasers, die auf einen Punkt einer Werkstückoberfläche gerichtet werden sollen, ist aus
Die
Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur punktuellen Bearbeitung eines Werkstücks mittels Laserstrahlung sind in
Es ist daher Aufgabe der Erfindung die Produktivität und Qualität bei der trennenden Bearbeitung mit Laserstrahlen zu erhöhen.It is therefore an object of the invention to increase the productivity and quality of the cutting processing with laser beams.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen können mit in untergeordneten Ansprüchen enthaltenen Merkmalen erreicht werden.According to the invention, this object is achieved by a method having the features of
Bei erfindungsgemäßen Verfahren werden mindestens zwei im cw-Mode betriebene Laserstrahlen, die voneinander abweichende Wellenlängen aufweisen mit einem Strahlablenksystem entlang einer Schneidkontur ausgelenkt und mit einem optischen Element fokussiert auf die zu bearbeitende Oberfläche gerichtet. Dabei werden die beiden Laserstrahlen und das Werkstück relativ zueinander bewegt. Es kann dabei, für eine bevorzugt zweidimensionale Auslenkung, ein Strahlablenksystem (Scanner), mit zwei um jeweils eine Achse oder einem um zwei Achsen verschwenkbaren reflektierenden Element(en), eingesetzt werden. Diese Auslenkung kann einer anderen Vorschubbewegung überlagert werden, so dass eine großflächige Bearbeitung in verkürzter Zeit durchgeführt werden kann.In the method according to the invention, at least two laser beams operated in cw mode, which have wavelengths deviating from one another, are deflected along a cutting contour with a beam deflecting system and focused with an optical element on the surface to be machined. In this case, the two laser beams and the workpiece are moved relative to each other. In this case, for a preferably two-dimensional deflection, a beam deflecting system (scanner) can be used with two reflecting elements (s) pivotable about one axis each or one about two axes. This deflection can be superimposed on another feed motion, so that a large-scale processing can be carried out in a shorter time.
Es besteht die Möglichkeit zwei oder mehrere Laserstrahlen gleichzeitig auf die Oberfläche eines Werkstücks zu richten und damit Werkstoff abzutragen. Die Laserstrahlen können hierfür alternierend mit veränderter Leistung auf die Oberfläche gerichtet werden. Es kann also zu gleichen Zeitpunkten ein Laserstrahl einer Wellenlänge mit höherer Leistung als ein jeweils anderer Laserstrahl zur Bearbeitung auf das Werkstück gerichtet werden. Die Erhöhung und Absenkung der Leistung kann ebenfalls alternierend durchgeführt werden. Ein zu einem Zeitpunkt für die Bearbeitung nicht benötigter Laserstrahl kann aber auch auf eine Strahlfalle gerichtet werden.It is possible to direct two or more laser beams simultaneously on the surface of a workpiece and thus to remove material. The laser beams can be directed alternately with changed power to the surface. It can therefore be directed at the same time a laser beam of a wavelength with higher power than a respective other laser beam for processing on the workpiece. The increase and decrease in power can also be done alternately. However, a laser beam which is not required for processing at a time can also be directed to a beam trap.
Für die Strahlführung und -formung der Laserstrahlen können dieselben Elemente genutzt werden, so dass der anlagentechnische Aufwand gering ist.For the beam guidance and shaping of the laser beams, the same elements can be used, so that the system complexity is low.
Bei der Erfindung ist es vorteilhaft, dass auf ein Schneidgas verzichtet werden kann und der Werkstoffabtrag durch Ablation erreicht werden kann, wodurch die Betriebskosten klein gehalten werden können.In the invention, it is advantageous that it is possible to dispense with a cutting gas and the ablation of the material can be achieved, whereby the operating costs can be kept small.
Vorteilhaft ist es, mit dem optischen Element zur Strahlformung die Position der Brennpunktebene entsprechend des erfolgten Werkstoffabtrags nachzuführen, so dass im Brennfleck eine hohe Energiedichte ausgenutzt werden kann und die Schnittfuge durch eine Divergenz der Strahlung nicht vergrößert wird. Als optisches Element kann bevorzugt ein für eine Fokussierung geeignetes reflektierendes Element eingesetzt werden. Bei der Bearbeitung sollten die Laserstrahlen so auf die Werkstückoberfläche, an der ein Werkstoffabtrag erfolgen soll, gerichtet werden, dass die Größe der Fläche der Brennflecke gleich, zumindest annähernd gleich groß ist. Dadurch können sie sich bei gleichzeitiger Bestrahlung des Werkstücks überdecken. Dies kann durch geeignete Strahlformung erreicht werden. Da sich durch den Werkstoffabtrag auch die Ebene der Bearbeitung verändert und demzufolge auch der Weg den die Laserstrahlen bis zum Auftreffen auf die zu bearbeitende Oberfläche verlängert, solle dies auch bei der Fokussierung und bei der Auslenkung der Laserstrahlung berücksichtigt werden, da dies eine andere Führung der Brennflecke in den unterschiedlichen Ebenen erfordert, berücksichtigt werden. Dies sollte auch für die Ausbildung einer über die Dicke des Werkstücks gleich breiten Schnittfuge berücksichtigt werden. Beide Brennflecke sollten in jeder Ebene bei der Bearbeitung eine Ausdehnung senkrecht zur Vorschubachsrichtung aufweisen, die ≤ der ausgebildeten Schnittfuge ist.It is advantageous with the optical element for beam shaping to track the position of the focal plane corresponding to the removal of material so that a high energy density can be utilized in the focal spot and the kerf is not increased by a divergence of the radiation. As the optical element, a reflective element suitable for focusing can be preferably used. During processing, the laser beams should be directed to the workpiece surface at which a material removal should take place so that the size of the surface of the focal spot is the same, at least approximately the same size. This allows them to cover themselves while irradiating the workpiece. This can be achieved by suitable beam shaping. Since the level of machining also changes as a result of the removal of material, and consequently the path which lengthens the laser beams to the surface to be machined, this should also be taken into account in the focusing and in the deflection of the laser radiation, since this requires a different guide Burning spots in the different levels requires consideration. This should also be taken into account for the formation of a kerf of the same width across the thickness of the workpiece. Both focal spots should have in each plane during machining an extension perpendicular to the feed axis direction, which is ≤ the formed kerf.
Bei sich vergrößernder Brennfleckfläche sollte entsprechend der reduzierten Energiedichte im Brennfleck die Leistung der die Laserstrahlen emittierenden Laserstrahlquellen erhöht werden können.With increasing focal spot area, the power of the laser beam emitting laser beam sources should be increased according to the reduced energy density in the focal spot.
Es sollten Laserstrahlen, deren Wellenlänge größer 800 nm ist, eingesetzt werden. Bevorzugt sind Wellenlängen im Infrarot-Bereich zwischen 1 und 15 μm. Es können Faser- oder Scheibenlaser für einen Laserstrahl mit kleinerer Wellenlänge (λ ca. 1 μm), z. B. für einen Metallabtrag und ein CO2-Laser für einen Abtrag von Kunststoff mit einer Wellenlänge von 10 μm eingesetzt werden.It should laser beams whose wavelength is greater than 800 nm, are used. Wavelengths in the infrared range between 1 and 15 μm are preferred. It can be fiber or disk laser for a laser beam with a smaller wavelength (λ about 1 micron), z. B. for a metal removal and a CO 2 laser for a removal of plastic with a wavelength of 10 microns are used.
Dadurch kann das Absorptionsverhalten der unterschiedlichen Werkstoffe berücksichtigt und kurze Wechselwirkungszeiten, die zu einem verringerten Wärmeeintrag in das und einen geringeren Verzug des Werkstücks führen, erreicht werden.As a result, the absorption behavior of the different materials can be taken into account and short interaction times, which lead to a reduced heat input into and a lower distortion of the workpiece, can be achieved.
Werden zwei Laserstrahlen gleichzeitig auf die Werkstückoberfläche gerichtet, sollen sich dabei die Brennflecke zumindest zum größten Teil überdecken. Dadurch kann eine gleiche Schnittfugenbreite über die Dicke des zu bearbeitenden Werkstücks erreicht werden.If two laser beams are simultaneously directed onto the workpiece surface, the focal spots should at least largely overlap. As a result, an equal kerf width can be achieved across the thickness of the workpiece to be machined.
Wie bereits ausgeführt kann durch den Einfluss der Laserstrahlung aufgeschmolzener Werkstoff ohne Zufuhr von Schneidgas ausgetrieben und dies durch Dampfdruck oder Sublimation/Verdampfen/Oxidation erreicht werden.As already stated, melted material can be expelled without the supply of cutting gas due to the influence of the laser radiation and this can be achieved by vapor pressure or sublimation / vaporization / oxidation.
Es besteht aber die Möglichkeit, ein Schutzgas in den Bearbeitungsbereich zuzuführen. Es kann auch eine Absaugung oder ein so genannter Cross-Jet für die Entfernung gebildeter Dämpfe vorgesehen werden.However, it is possible to supply a protective gas in the processing area. It can also be a suction or a so-called cross-jet for the removal of formed vapors are provided.
Da die Transmission und Reflektivität für die Laserstrahlen mit den unterschiedlichen Wellenlängen für für die Strahlführung und -formung eingesetzten optischen Elemente unterschiedlich sind, kann auch dies vorteilhaft bei der Auswahl solcher optischen Elemente berücksichtigt werden. So können auf diesen optischen Elementen Beschichtungen ausgebildet werden, die jeweils ein hohe Transmission oder Reflektivität für die Strahlung mit den unterschiedlichen mindestens zwei Wellenlängen erreichen.Since the transmission and reflectivity for the laser beams having the different wavelengths are different for the optical elements used for the beam guidance and shaping, this can also be taken into account advantageously in the selection of such optical elements. Thus, coatings can be formed on these optical elements, each of which achieves a high transmission or reflectivity for the radiation having the different at least two wavelengths.
Bei der trennenden Bearbeitung kann mindestens ein Laserstrahl mit einem reflektierenden Element oder von einer reflektierenden Fläche eines Elements auf die zu bearbeitende Oberfläche gerichtet werden. Dabei gibt es mehrere alternative Möglichkeiten. So können die Laserstrahlen aus unterschiedlichen Richtungen auf einen Punkt einer reflektierenden Fläche eines Elements gerichtet und so reflektiert werden, dass sie mit derselben optischen Achse auf die zu bearbeitende Oberfläche des Werkstücks auftreffen. Das entsprechende Element kann dabei statisch angeordnet sein und die Einfallswinkel der Laserstrahlen können unter Berücksichtigung der jeweiligen Wellenlänge gewählt werden.In the separating processing, at least one laser beam may be directed to the surface to be processed with a reflective element or from a reflective surface of an element. There are several alternative options. Thus, the laser beams can be directed from different directions onto a point of a reflective surface of an element and be reflected so that they impinge with the same optical axis on the surface to be machined of the workpiece. The corresponding element can be arranged statically and the angle of incidence of the laser beams can be selected taking into account the respective wavelength.
Bei anderen Alternativen kann ein bewegliches Element genutzt werden, bei dem die unterschiedlichen Laserstrahlen infolge der Bewegung des Elements an unterschiedlichen Positionen des Elements auf dieses auftreffen. Dabei kann es sich um ein rotierendes oder um eine translatorische Bewegung zwischen zwei Umkehrpunkten zurücklegendes Element handeln.In other alternatives, a movable element may be used in which the different laser beams impinge on the same as a result of the movement of the element at different positions of the element. This may be a rotating or a translational movement between two reversal points traversing element.
An solchen bewegbaren Elementen kann mindestens eine reflektierende Fläche vorhanden sein, auf die einer der Laserstrahlen in einer Position des Elements auftrifft und von dieser reflektierenden Fläche auf die zu bearbeitende Oberfläche des Werkstücks gerichtet wird. Am Element kann dann mindestens eine Durchbrechung/Aussparung vorhanden sein, durch die in einer anderen Position des Elements nach dessen Bewegung ein anderer Laserstrahl in Richtung auf die zu bearbeitende Oberfläche des Werkstücks gerichtet wird. Die Laserstrahlen werden dabei aus gegenüberliegenden Richtungen auf das bewegbare Element gerichtet. Ein durch eine Durchbrechung auf das Werkstück gerichteter Laserstrahl kann in einer Position des Elements, bei der ein anderer Laserstrahl von einer reflektierenden Fläche auf das Werkstück gerichtet wird, auf eine ebenfalls reflektierende Fläche am Element, die an der der anderen reflektierenden Fläche des Elements gegenüberliegenden Seite des Elements gerichtet und von dort auf eine Strahlfalle gerichtet werden.Such movable elements may have at least one reflecting surface on which one of the laser beams impinges in a position of the element and is directed by this reflecting surface onto the surface of the workpiece to be machined. At least one opening / recess may then be present on the element, by means of which, in another position of the element after its movement, a different laser beam is directed in the direction of the surface of the workpiece to be machined. The laser beams are from opposite directions directed to the movable element. A laser beam directed through an aperture on the workpiece may, in a position of the element where another laser beam is directed from a reflecting surface onto the workpiece, be directed to a likewise reflecting surface on the element opposite the other reflecting surface of the element directed to the element and directed from there to a beam trap.
Mit der Erfindung können Verbundbauteile aus Glasfaserverstärktem Aluminium (Glare), Ti-CFK-Komposit, TiGr-Komposit, andere Verbundplatten (für Fassaden, Gipsfaserplatten/Fermacell, eine mit einer Metallfolie, aus z. B. Aluminium, die auf eine Kunststoff oder Kunststoffschaumplatte aufgebracht ist, bearbeitet werden. Außerdem können Elektrobleche, die an mindestens einer Oberfläche mit einem Lack beschichtet sind, andere mit Folien kaschierte Bauteile oder auch Verbundbauteile, die aus Metall/Keramik/Kunststoff gebildet sind, trennend bearbeitet werden.With the invention composite components of glass fiber reinforced aluminum (glare), Ti-CFK composite, TiGr composite, other composite panels (for facades, gypsum fiber / Fermacell, one with a metal foil, such as aluminum, on a plastic or plastic foam board In addition, electrical sheets which are coated on at least one surface with a lacquer, other foil-laminated components or composite components, which are formed of metal / ceramic / plastic, can be processed separately.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail by way of example in the following.
Dabei zeigen:Showing:
Das Werkstück
In nicht dargestellter Form besteht die Möglichkeit einen weiteren dritten Laserstrahl einzusetzen, der dann ebenfalls zumindest teilweise auf derselben optischen Achse, wie die beiden dargestellten Laserstrahlen
Mit
Nach Abtrag dieser obersten Schicht A wird im zweiten Schnitt die darunter liegende und aus dem Werkstoff B gebildete Schicht abgetragen, wofür im Wesentlichen, wie vorab zur obersten Schicht beschrieben vorgegangen, jedoch der entsprechend andere Laserstrahl
Mit dem optischen Element
Handelt es sich bei dem zu bearbeitenden Werkstück um einen Verbundwerkstoff, der als „Glare” bezeichnet wird und der aus einem Mehrschichtverbund mit alternierend angeordnetem glasfaserverstärkter-Kunststoff und Aluminium hergestellt worden ist, kann ein Werkstoffabtrag der Aluminiumschichten mit einem Laserstrahl bei einer Wellenlänge um 1 μm und der bei glasfaserverstärkten-Kunststoffschichten mit einem Laserstrahl einer Wellenlänge um 10 μm erreicht werden.If the workpiece to be machined is a composite material which is referred to as "glare" and which has been produced from a multi-layer composite with glass fiber reinforced plastic and aluminum arranged alternately, a material removal of the aluminum layers with a laser beam at a wavelength of 1 μm and can be achieved with glass fiber reinforced plastic layers with a laser beam of a wavelength of 10 microns.
Die
Am Strahlablenksystem
Im Strahlablenksystem
Bei der in
Die vom reflektierenden Element
Bei den Beispielen nach den
Die
Dabei können sie durch die Blende
In
Die
Der jeweils andere Laserstrahl, hier also der Laserstrahl
Bei einer Ausführung eines ebenfalls rotierenden Elements
Mit der Länge der reflektierenden Flächen
Die reflektierenden Flächen
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