DE10105346A1

DE10105346A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Wendelschneiden von Löchern in Werkstücke

Info

Publication number: DE10105346A1
Application number: DE2001105346
Authority: DE
Inventors: Tobias Abeln; Friedrich Dausinger; Christian Foehl; Knut Jasper; Joachim Radtke
Original assignee: Institut fuer Strahlwerkzeuge Universitaet Stuttgart
Current assignee: Institut fuer Strahlwerkzeuge Universitaet Stuttgart
Priority date: 2001-02-05
Filing date: 2001-02-05
Publication date: 2002-08-29

Abstract

Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Wendelschneiden von Löchern in Werkstücke beschrieben, bei welchen linear polarisierte Laserimpulse mit einer Impulsdauer von weniger als einer Nanosekunde wiederholt entlang einer geschlossenen Kontur des Werkstücks geführt werden. Dabei wird das Werkstück in einer wendelförmigen Schnittlinie durchtrennt. Um zu vermeiden, daß sich in der Schnittfläche Riefen bilden, wird durch eine entsprechende Einrichtung (2, 7) Sorge dafür getragen, daß die Polarisationsebene des Laserstrahls (1) während seiner Bewegung so verdreht wird, daß sie stets unter demselben Winkel zur gerade bearbeiteten Schnittfläche steht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Wendelschneiden von Löchern in Werkstücke, bei welchem ein Laserstrahl in Form linear polarisierter Laserimpulse mit einer Impulsdauer von weniger als einer Nanosekunde wiederholt entlang einer geschlossenen Kontur des Werkstücks geführt wird und dabei das Werkstück in einer wendelförmigen Schnittlinie durchtrennt,
sowie
eine Vorrichtung zum Wendelschneiden von Löchern in Werkstücke mit

a) einer Laserlichtquelle, welche linear polarisierte Laserimpulse mit einer Impulsdauer von weniger als einer Nanosekunde erzeugt;
b) einer Führungseinrichtung für den Laserstrahl, mit welcher dieser wiederholt so entlang einer geschlos senen Kontur des Werkstücks geführt werden kann, daß das Werkstück in einer wendelförmigen Schnitt linie durchtrennt wird.

Ein Verfahren und eine Vorrichtung dieser Art sind in dem Zeitschriftenartikel "Bohren keramischer Werkstoffe mit Kurzpuls-Festkörperlasern" von Friedrich Dausinger et al., LaserOpto 31 (3)/1999, Seiten 78 bis 85 beschrieben. Dieses Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß eine hohe Präzision der Lochgeometrie auch bei sehr kleinem Lochdurchmesser bei gleichzeitig gutem Wirkungsgrad erzielbar ist. Es ist insoweit älteren bekannten Verfahren, z. B. dem Einzelpuls-Betrieb, dem Perkussions-Betrieb und dem Trepanieren überlegen. Wenn auch die Löcher, die nach diesem Verfahren hergestellt werden, sehr häufig kreisförmigen Querschnitt aufweisen, sind beliebige andere geschlossene Konturen, z. B. rechteckige, eben falls möglich.

Es hat sich in der praktischen Anwendung herausgestellt, daß sich bei Verwendung sehr kurzer Impulsdauern unter einer Nanosekunde Riefen an den Schnittflächen bilden können.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszu gestalten, daß die Riefenbildung unterbleibt und glatte Schnittflächen erhalten werden.

Diese Aufgabe wird, was das Verfahren angeht, dadurch gelöst, daß die Polarisationsebene des Laserstrahls während der Bewegung so verdreht wird, daß sie stets unter dem selben Winkel zur gerade bearbeiteten Schnitt fläche steht.

Die Erfindung fußt auf der Erkenntnis, daß die unerwünschte Riefenbildung beim herkömmlichen Wendelschneiden damit zu tun hat, daß die Polarisationsebene des verwendeten Laser strahls während dessen Bewegung unter unterschiedlichen Winkeln auf die Werkstückoberfläche trifft. Die Abtragef fizienz des Laserstrahls hängt nämlich von der Orientierung der Polarisationsebene gegenüber der Schnittfläche ab. Dieser Einfluß wird nun erfindungsgemäß dadurch ausgeschal tet, daß die Polarisationsebene ständig unter den selben Winkel gegenüber der Schnittfläche gestellt und hierzu ggf. während der Bewegung des Laserstrahls entlang der Kontur verdreht wird.

Dabei ist es an und für sich aus der DE 199 05 571 C1 bekannt, beim Laserschneiden von Löchern in Werkstücke die Polarisationsebene synchron zur Taumelbewegung eines eine Kegelmantelfläche durchlaufenden Laserstrahls mit zudrehen. Auch dabei bleibt die Polarisationsebene stets im selben Winkel zur Schnittfläche. In dieser Druckschrift ist jedoch kein Wendelschneiden mit sehr kurzen Laserim pulsen beschrieben; die Nachführung der Polarisationsebene hat hier den Sinn, definierte ovale Lochaustrittsquer schnitte zu erzeugen. Die Erkenntnis, daß mit dieser Maß nahme auch die Riefenbildung beim gattungsgemäßen Wendel schneiden vermieden werden kann, läßt sich der DE 199 05 571 C1 nicht entnehmen.

Die o. g. Aufgabe wird, was die Vorrichtung angeht, da durch gelöst, daß

a) sie eine Einrichtung umfaßt, mit welcher die Polarisa tionsebene des Laserstrahls während der Bewegung des Laserstrahls so mitgedreht werden kann, daß sie stets unter dem selben Winkel zur gerade bearbei teten Schnittfläche steht.

Die Vorteile dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung stimmen sinngemäß mit den oben geschilderten Vorteilen des erfin dungsgemäßen Verfahrens überein.

Sehr häufig ist die geschlossene Kontur, entlang welcher der Laserstrahl geführt wird, und damit die Querschnitts form des entstandenen Lochs ein Kreis. In diesem Fall empfiehlt sich eine Ausgestaltung der Erfindung, bei welcher die Einrichtung zur Drehung der Polarisationsebene ein starres λ/4-Plättchen, welches zirkular polarisier tes Licht erzeugt, und ein zweites λ/4-Plättchen umfaßt, welches mit der selben Winkelgeschwindigkeit wie die Führungsseinrichtung für den Laserstrahl um die optische Achse verdrehbar ist und dabei einen linear polarisierten Laserstrahl erzeugt, dessen Polarisationsebene sich gemeinsam mit der Führungseinrichtung verdreht. Dieser Aufbau ist außerordentlich einfach; das sich drehende λ/4-Plättchen kann mit der Führungseinrichtung für den Laserstrahl eine gemeinsam verdrehbare Baueinheit bilden. Auf diese Weise ergeben sich keinerlei Probleme mit der Synchronisierung der Verdrehung der Führungseinrichtung einerseits und des λ/4-Plättchens andererseits.

Alternativ kann die Einrichtung zur Drehung der Polarisa tionsebene auch ein λ/2-Plättchen umfassen, welches sich mit der halben Winkelgeschwindigkeit wie die Führungs einrichtung um die optische Achse dreht und dabei einen linear polarisierten Laserstrahl erzeugt, dessen Polari sationsebene sich gemeinsam mit der Führungseinrichtung verdreht. Diese Ausführungsform kommt mit einer optischen Komponente weniger aus; es ist jedoch erforderlich, die Verdrehung des λ/2-Plättchens durch ein Unterset zungsgetriebe mit der Führungseinrichtung zu verbinden, damit es sich genau mit der halben Winkelgeschwindigkeit der Führungseinrichtung verdreht.

Die Führungseinrichtung kann in an und für sich bekannter Weise zwei etwa gleichsinnig orientierte Keilplatten umfassen. In Kombination mit dem abbildenden Objektiv wird auf diese Weise ein Brennfleck auf dem Werkstück erzeugt, dessen Abstand von der optischen Achse, der dem Radius der Drehbewegung entspricht, von den Keilwinkeln der beiden Keilplatten abhängt.

Dabei ist es vorteilhaft, wenn die beiden Keilplatten gegeneinander verdrehbar sind. Hierdurch läßt sich der erzeugte Strahlversatz auf dem Werkstück einstellen.

Zusätzlich oder alternativ kann die Führungseinrichtung zwei etwa gegensinnig orientierte Keilplatten aufweisen. Im Zusammenwirken mit dem abbildenden Objektiv läßt sich so der Einfallswinkel des Laserstrahls auf das Werkstück verändern, der sowohl von den Keilwinkeln als auch dem Abstand der beiden Keilplatten in axialer Richtung abhängt.

Erneut ist es in diesem Zusammenhang besonders günstig, wenn der Abstand der beiden etwa gleichsinnig orientierten Keilplatten veränderbar ist, wodurch der Einfallswinkel auf dem Werkstück eingestellt werden kann.

Eine besonders kostengünstige und einfache Bauweise der Führungseinrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß sie drei Keilplatten aufweist, von denen zwei benachbarte etwa gleichsinnig und zwei benachbarte etwa gegensinnig angeordnet sind. Mit dieser Ausgestaltung lassen sich sowohl der Abstand des Brennflecks von der optischen Achse als auch der Einfallswinkel des Laserstrahls auf das Werkstück variieren.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert; Es zeigen

Fig. 1 schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Tre panieroptik zum Wendelschneiden;

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer solchen Trepanieroptik.

Die nachfolgend im einzelnen erläuterten Komponenten der in Fig. 1 dargestellten Trepanieroptik sind in einem Gehäuse angeordnet, welches nicht dargestellt ist. Ein linear polarisierter Laserstrahl, dessen Mittel strahl mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnet ist, fällt von links achsparallel in die Trepanieroptik ein. Die lineare Polarisierung ist schematisch durch den Doppel pfeil 2 angedeutet. Der Laserstrahl 1 ist mit einer Impuls dauer gepulst, die unter einer Nanosekunde liegt. Er durchsetzt ein λ/4-Plättchen 3, welches stationär in dem Gehäuse montiert ist. Er ist danach zirkular polarisiert, wie durch den gebogenen Pfeil 4 symbolisiert ist.

Der Laserstrahl 1 tritt sodann in eine optische Baugruppe 5 ein, die in einem gemeinsamen Untergehäuse 6 montiert ist, welches mit einer bestimmten Winkelgeschwindigkeit um die optische Achse verdrehbar ist. Innerhalb der optischen Baugruppe 5 sind, der Durchgangsrichtung des Laserstrahls 1 folgend, ein weiteres λ/4-Plättchen 7, eine erste Keilplatte 8 mit einem Keilwinkel β₁, eine zweite Keilplatte 9 mit einem Keilwinkel von β₁ + β₂ und eine dritte Keilplatte 10 mit einem Keilwinkel β₂ angeordnet.

Das λ/4-Plättchen 7 ist starr mit dem Untergehäuse 6 verbunden, so daß es sich gemeinsam mit diesem verdreht. Gleiches gilt für die zweite Keilplatte 9. Die erste Keilplatte 8 läßt sich in Axialrichtung gegenüber der zweiten Keilplatte 9 verschieben, so daß der zwischen ihnen befindliche Abstand D veränderlich ist. Die Halterung der ersten Keilplatte 8 ist jedoch so, daß auch sie die Drehung der optischen Baugruppe 5 mitmacht. Die zweite Keilplatte 9 ist gegenüber der ersten Keilplatte 8 gegen sinnig angeordnet. Die dritte Keilplatte 10 schließlich steht in axialer Richtung fest, ist jedoch gegenüber der zweiten Keilplatte 9 verdrehbar und in unterschiedlichen Winkelpositionen fixierbar. Auch sie dreht sich im Betrieb der Trepanieroptik mit der optischen Baugruppe 5 mit.

Nach dem Durchtreten der optischen Baugruppe 5 wird der Laserstrahl 1 mittels eines Objektivs 11 auf dem in der Brennebene des Objektivs 11 liegenden Werkstück (nicht dargestellt) abgebildet.

Die oben beschriebene Trepanieroptik arbeitet wie folgt:
Der von links her eintretenden Laserstrahl 1 wird zunächst, wie schon erwähnt, mit Hilfe des stationären λ/4-Plätt chens 3 zirkular polarisiert, wie durch den Pfeil 4 angedeutet. Die optische Baugruppe 5 wird mit konstanter Winkelgeschwindigkeit ω um die optische Achse gedreht. Nach dem Durchtritt durch das rotierende λ/4-Plättchen 7 ist der Laserstrahl 1 wieder linear polarisiert, wobei sich jedoch die Polarisationsebene gemeinsam mit der optischen Baugruppe 5 mit der Winkelgeschwindigkeit ω um die optische Achse dreht. Dies ist durch das Pfeilbündel 12 angedeutet. Durch die erste Keilplatte 8 wird der Laserstrahl 1 nunmehr so gebrochen, daß er in einem Winkel zur optischen Achse weiter verläuft. Er trifft auf die zweite Keilplatte 9 in einem Abstand δ (D) von der opti schen Achse, der eine Funktion des Abstands D zwischen der ersten Keilplatte 8 und der zweiten Keilplatte 9 ist. Beim weiteren Durchtritt durch die beiden Keilplatten 9, 10 wird der Winkel des Laserstrahls 1 gegenüber der optischen Achse erneut um einen Betrag δα verändert, der seinerseits von der Drehstellung der dritten Keil platte 10 gegenüber der zweiten Keilplatte 9 abhängt. Das Objektiv 11 bildet diesen Laserstrahl 1 dann in einem Brennfleck auf dem Werkstück ab, der sich in einem Abstand r von der optischen Achse befindet, der von dem Winkel zwischen der dritten Keilplatte 10 und der zweiten Keil platte 9 abhängt. Der Einfallswinkel dieses Laserstrahls 1 auf das Werkstück hängt vom Abstand D zwischen der zweiten Keilplatte 9 und der ersten Keilplatte 8 ab.

Aufgrund der Verdrehung der optischen Baugruppe 5 dreht sich der Brennfleck mit der selben Winkelgeschwindigkeit um die optische Achse und führt dabei eine Kreisbewegung aus. Er gräbt sich dabei wendelförmig in das Werkstück ein, das dabei durchtrennt wird.

Da, wie erwähnt, aufgrund des mitrotierenden λ/4-Plätt chens auch die Polarisationsebene des auf das Werkstück auftreffenden Laserstrahls 1 mit der gleichen Winkelge schwindigkeit mitgedreht wird, steht die Polarisationsebene des Laserstrahls 1 immer in der selben Winkelbeziehung zur Bohrungswandung, beispielsweise immer senkrecht auf dieser. Wird der richtige Winkel eingehalten, der experimentell ermittelt werden kann, entsteht auf diese Weise ein vollständig glatter, riefenfreier Schnitt.

Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel der Trepanieroptik stimmt weitgehend mit demjenigen überein, das oben anhand der Fig. 1 erläutert wurde. Entsprechende Elemente sind daher mit dem selben Bezugszeichen zuzüglich 100 versehen.

Erneut sei davon ausgegangen, daß sehr kurze Laserstrahl impulse mit einer Impulsdauer unter einer Nanosekunde von links her in die Trepanieroptik einfallen. Der Laser strahl 101 ist linear polarisiert, wie durch den Pfeil 102 angedeutet. Das λ/4-Plättchen 3 des ersten Ausführungs beispiels ist durch ein λ/2-Plättchen 103 ersetzt, welches mit einer Winkelgeschwindigkeit ω/2 um die optische Achse verdreht wird. Der Laserstrahl 101, der das λ/2-Plättchen 103 verläßt, ist nach wie vor linear polarisiert, wobei sich jedoch die Polarisationsebene mit der Winkelgeschwin digkeit ω (also doppelt so schnell wie das das λ/2-Plätt chen) um die optische Achse dreht. Dies ist durch das Pfeilbündel 112 angedeutet. Der Laserstrahl 101 tritt daraufhin in die optische Baugruppe 105 ein, die der optischen Baugruppe 5 der Fig. 1 völlig entspricht mit der einen Ausnahme, daß sie das λ/4-Plättchen 7 nicht enthält. Der die optische Baugruppe 105 verlassende Laserstrahl 101 wird von dem Objektiv 111 in einen Brenn fleck auf dem Werkstück fokussiert. Für die Lage des Brennflecks auf dem Werkstück und den Winkel des Laser strahls 101 gegenüber der optischen Achse an dieser Stelle sowie für die Relativposition der Polarisationsebene gegenüber der Bohrungswandung gilt für das Ausführungsbei spiel von Fig. 2 das selbe, was oben für das Ausführungs beispiel von Fig. 1 ausgeführt wurde.

Claims

1. Verfahren zum Wendelschneiden von Löchern in Werk stücke, bei welchem ein Laserstrahl in Form linear polarisierter Laserimpulse mit einer Impulsdauer von weniger als einer Nanosekunde wiederholt entlang einer geschlossenen Kontur des Werkstücks geführt wird und dabei das Werkstück in einer wendelförmigen Schnittlinie durchtrennt, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisationsebene des Laserstrahls während seiner Bewegung so verdreht wird, daß sie stets unter dem selben Winkel zur gerade bearbeiteten Schnittfläche steht.

2. Vorrichtung zum Wendelschneiden von Löchern in Werk stücke mit

a) einer Laserstrahlquelle, welche linear polarisierte Laserimpulse mit einer Impulsdauer von weniger als einer Nanosekunde erzeugt;
b) einer Führungseinrichtung für den Laserstrahl, mit welcher dieser wiederholt so entlang einer geschlos senen Kontur des Werkstücks geführt werden kann, daß das Werkstück in einer wendelförmigen Schnitt linie durchtrennt wird,

dadurch gekennzeichnet, daß

a) sie eine Einrichtung (3, 7; 103) umfaßt, mit welcher die Polarisationsebene des Laserstrahls (1; 101) während der Bewegung des Laserstrahls (1; 101) so mit gedreht werden kann, daß sie stets unter dem selben Winkel zur gerade bearbeiteten Schnittfläche steht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei welcher die geschlos sene Kontur ein Kreis ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (3, 7) zur Drehung der Polarisationsebene ein stationäres λ/4-Plättchen (3), welches zirkular polarisiertes Licht erzeugt, und ein zweites λ/4-Plätt chen (7) umfaßt, welches mit der selben Winkelgeschwindig keit wie die Führungseinrichtung (5) für den Laserstrahl (1) um die optische Achse verdrehbar ist und dabei einen linear polarisierten Laserstrahl (1) erzeugt, dessen Polarisationsebene sich gemeinsam mit der Führungseinrich tung (5) verdreht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (103) zur Drehung der Polarisa tionsebene ein λ/2-Plättchen (103) umfaßt, welches sich mit der halben Winkelgeschwindigkeit wie die Führungs einrichtung (105) um die optische Achse dreht und dabei einen linear polarisierten Laserstrahl (101) erzeugt, dessen Polarisationsebene sich gemeinsam mit der Führungs einrichtung (105) verdreht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die Führungseinrichtung (5; 105) zwei etwa gleichsinnig orientierte Keilplatten (9, 10; 109, 110) umfaßt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden etwa gleichsinnig orientierten Keil platten (9, 10; 109, 110) gegeneinander verdrehbar sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungseinrichtung (5; 105) zwei etwa gegensinnig orientierte Keilplatten (8, 9; 108, 109) umfaßt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (D) der beiden etwa gegensinnig orientierten Keilplatten (8, 9; 108, 109) veränderbar ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie drei Keilplatten (8, 9, 10; 108, 109, 110) umfaßt, von denen zwei benachbarte etwa gleichsinnig und zwei benachbarte etwa gegensinnig ange ordnet sind.