DE102005027836B4

DE102005027836B4 - Vorrichtung zum Laserstrahlschneiden

Info

Publication number: DE102005027836B4
Application number: DE102005027836A
Authority: DE
Inventors: Lothar Dr.-Ing. Morgenthal; Thomas Dr.-Phys. Schwarz; Eduard Dipl.-Ing. Pfeiffer
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2005-06-10
Filing date: 2005-06-10
Publication date: 2007-08-02
Anticipated expiration: 2025-06-11
Also published as: DE102005027836A1

Abstract

Vorrichtung zum Laserstrahlschneiden, bei der ein Laserstrahl zweidimensional relativ in Bezug zu einer Oberfläche eines Werkstückes (10) bewegbar ist und gemeinsam mit einem Schneidgas durch eine Düsenöffnung einer Düse (7) auf das Werkstück (10) gerichtet ist; dabei der Laserstrahl (2) mittels mindestens eines Umlenkelementes (3, 4, 5) um mindestens eine Achse verschwenkbar ist und außerdem die um eine senkrecht zur Werkstückebene ausgerichtete Achse drehbare Düse (7) mit als Längsschlitz, Kreuzschlitz oder ellipsenförmig ausgebildeter Düsenöffnung so gestaltet und dimensioniert ist, dass eine Verschwenkung des Laserstrahls (2) um mindestens 10° in Bezug zu einer senkrecht zur Werkstückebene ausgerichteten Achse auf der Werkstückoberfläche und/oder eine zusätzliche Auslenkung des Laserstrahls durch Verschwenkung um mindestens 3 mm am Werkstück erreichbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Laserstrahlschneiden, bei der ein Laserstrahl zweidimensional relativ im Bezug zu einer Oberfläche eines Werkstückes bewegbar ist, so dass unterschiedlichste Konturen aus einem Werkstück ausgeschnitten werden können.
Dabei wird ein Laserstrahl üblicherweise durch eine Düse mit einer entsprechenden Düsenöffnung auf die jeweilige Oberfläche des Werkstückes, gemeinsam mit einem Schneidgasstrom gerichtet, und so geschmolzener Werkstoff des Werkstückes aus der Schneidfuge entfernt.
Die Relativbewegung des Laserstrahles wird dabei üblicherweise durch zusätzliche Antriebe erreicht, wobei in der Regel ein so genannter Laserbearbeitungs kopf, in dem für eine Strahlumlenkung und ggf. auch Strahlformung geeignete Elemente aufgenommen sind, in zwei Linearachsen in Bezug zur Oberfläche des Werkstückes bewegt wird. Dabei kann ein Werkstück stationär angeordnet sein. Es besteht aber auch die Möglichkeit allein oder zusätzlich das Werkstück zu bewegen, wobei häufig eine einachsige translatorische Werkstückbewegung bevorzugt ist.
Bei den gewünschten hohen Bearbeitungsgeschwindigkeiten müssen auch hohe Beschleunigungen bei einer solchen Relativbewegung realisiert werden, wenn beim gewünschten Schneidvorgang Änderungen der jeweiligen Schneidrichtung gefordert sind.
So ist es bisher üblich bei einer Richtungsänderung im Bereich von 90° eine zumindest bis in die Nähe von 0 gehende Geschwindigkeit der Laserstrahlbewegung durch entsprechendes Abbremsen einzuhalten und nachfolgend die Bewegung in die jeweils geänderte Schneidrichtung wieder durch hohe Beschleunigungswerte bis hin zu einer maximal erreichbaren Schneidgeschwindigkeit zu erhöhen, worauf hin sie bei einer nachfolgend wieder erforderlichen Richtungsänderung abgebremst und dann wieder beschleunigt werden muss.
Dabei kommt es zu Zeitverlusten, die die jeweils erforderliche Bearbeitungszeit erhöhen.
Außerdem werden die Antriebselemente, die für die zweiachsige Bewegung eingesetzt werden in Folge der durch die hohen Beschleunigungen wirkenden Kräfte erheblich belastet, so dass sie entsprechend gestaltet und dimensioniert sein müssen, um die erforderlichen Festigkeiten zu erreichen. Außerdem ist mit einem erhöhten Verschleiß der jeweiligen Antriebselemente zu rechnen, so dass sie eine begrenzte Lebensdauer erreichen.

So sind in EP 1 475 182 eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Laserbearbeitung mit einem eine verstellbare Umlenkeinheit umfassenden Laserkopf beschrieben. Durch eine Düse wird ein Laserstrahl und Druckgas auf die zu bearbeitende Oberfläche gelenkt, um hohe Vorschubgeschwindigkeiten zu erreichen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine Möglichkeit vorzuschlagen, um die erforderlichen Bearbeitungszeiten beim Laserschneiden zu verkürzen und/oder die Ansprüche an Antriebe für eine Bewegung eines Laserstrahles relativ in Bezug zum Werkstück einfacher und kostengünstiger gestalten und betreiben zu können.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Vorrichtung, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen und Weiterbildungen der Erfindung können mit den in den untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist dabei mit wesentlichen Teilen, wie aus dem Stand der Technik bekannt, ausgebildet.

So kann der Laserstrahl mittels eines an sich bekannten Laserbearbeitungskopfes entsprechend zweidimensional in Bezug zu einer Werkstückebene oder Oberfläche bewegt werden, wobei der Laserstrahl eine vorgegebene Werkstückkontur abfährt, und das entsprechende Werkstück durch einen Schneidvorgang ausschneidet. Im Laserbearbeitungskopf können laserstrahlformende und auch laserstrahlumlenkende Elemente aufgenommen sein, wobei mit laserstrahlformenden Elementen beispielsweise die jeweilige Brennweite beeinflussbar ist.

Der Laserstrahl wird außerdem durch eine Düse mit Düsenöffnung auf das jeweilige Werkstück gerichtet, so dass mit der entsprechenden Laserenergie Werkstoff aufgeschmolzen wird. Durch die Düse ist zusätzlich ein Schneidgasstrom auf die Werkstückoberfläche gerichtet, mit dem der flüssige Werkstoff aus der Schneidfuge ausgetrieben werden kann.

Der Laserstrahl wird außerdem mit mindestens einem Umlenkelement um mindestens eine, bevorzugt um zwei Achsen verschwenkt, so dass durch die Verschwenkbewegung eine zusätzliche Auslenkung des Brennfleckes am Werkstück, die der eingangserläuterten Relativbewegung überlagert werden kann, erreichbar ist. Eine solche zusätzliche Auslenkung durch eine Verschwenkung des Laserstrahles sollte bevorzugt immer in Bereichen vorgenommen werden, in denen größere und ggf. auch unkontinuierliche Richtungsänderungen der Schneidbewegung erforderlich sind.

Durch eine solche Verschwenkung kann eine voreilende Richtungsänderung des Brennfleckes auf der Werkstückoberfläche erreicht werden, die eine Reduzierung der Bewegungsgeschwindigkeit des Laserstrahles zumindest in die Nähe von 0 nicht mehr erforderlich macht und außerdem bei Richtungsänderungen größere Radien abgefahren werden können, so das die zweidimensionale Bewegung des Laserstrahles relativ zum Werkstück nicht mehr mit der jeweiligen auszuschneidenden Werkstückkontur übereinstimmen muss. Dadurch lassen sich höhere Bearbeitungsgeschwindigkeiten sowie eine geringere mechanische Beanspruchung von Antriebselementen in Folge der verringert wirkenden Beschleunigen und dementsprechenden Kräfte erreichen.

An der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dabei eine Düse mit Düsenöffnung vorhanden, die so gestaltet und dimensioniert sind, dass eine Verschwenkung eines Laserstrahls um mindestens 10° in Bezug zu einer senkrecht zur Werkstückebene ausgerichteten Achse auf der Werkstückoberfläche und/oder eine zusätzliche Auslenkung des Laserstrahls durch die Verschwenkung um mindestens 3 mm am Werkstück erreichbar ist.

Dementsprechend sollte die Düse in ihrem Inneren einen entsprechend großen Hohlraum aufweisen und auch die Düsenöffnung in mindestens einer Achse eine entsprechende große Ausdehnung mit entsprechend langem freien Querschnitt aufweisen, so dass gewährleistet ist, dass der durch Verschwenkung zusätzlich ausgelenkte Laserstrahl ungehindert das Werkstück um Schneiden erreichen kann.

Eine Düsenöffnung einer Düse kann hier zu mindestens einer Achsrichtung einen freien Querschnitt aufweisen, durch den ein verschwenkter Laserstrahl auf das Werkstück gerichtet werden kann, der mindestens fünffach größer, als der Durchmesser des Querschnitts des Laserstrahls im Bereich der Düsenöffnung ist.

Die Düsenöffnung einer an einer erfindungsgemäßen Vorrichtung einsetzbaren Düse kann unterschiedlichste geometrische Gestalten aufweisen. So ist sie als Längsschlitz, Kreuzschlitz in Ellipsenform oder ausgebildet.

Es ist vorteilhaft, die Düse um eine senkrecht zur Werkstückebene ausgerichtete Achse drehbar anzuordnen, so dass eine gezielte Anpassung der Ausrichtung einer solchen Düsenöffnung bei einer erforderlichen Veränderung der jeweiligen Schneidrichtung durch Drehung der Düse erreichbar ist. So kann in kritischen Bereichen, bei denen eine erhebliche Veränderung der Schneidrichtung, beispielsweise im Be reich um 90° eine Drehung der Düse vorgenommen werden, mit der gewährleistet ist, dass die Düsenöffnung so ausgerichtet ist, dass eine Verschwenkung des Laserstrahls in einer Achse zumindest in der Nähe von 90° in Bezug zur jeweiligen Schneidbewegungsrichtung erreichbar ist.

Die Elemente für die Einleitung der Relativbewegung, der Verschwenkung des Laserstrahles und ggf. auch ein zusätzlicher Drehantrieb für die bereits angesprochene Drehung der Düse mit entsprechender Ausrichtung der Düsenöffnung können über eine elektronische Steuerung beeinflusst werden, die mit dem Schneidvorgang für das jeweilige Werkstück mit den jeweils auszuschneidenden Konturprogramm gesteuert realisieren kann.

Vorteilhaft kann das Innere der Düse sich in Richtung auf die Düsenöffnung konisch verjüngend ausgebildet sein.

Zusätzlich kann auch ein zweiachsiger Linearantrieb für die Düse vorgesehen werden, um höhere Schneidgeschwindigkeiten und Beschleunigungen bei gleichzeitig hoher Fertigungsgenauigkeit zu ermöglichen.

Die bereits angesprochenen Vorteile, nämlich der Verkürzung der Bearbeitungszeit und den verringerten Ansprüchen an die Bewegungsantriebe kompensieren den durch die Modifizierung von erfindungsgemäß einzusetzenden Düsen erhöhten Schneidgasvolumenstrom weitestgehend.

Nachfolgend soll die erfindungsgemäße Vorrichtung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert werden.
Dabei zeigt:
1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Laserstrahlschneiden.
In 1 ist eine Vorrichtung zum Laserstrahlschneiden als schematischer Aufbau gezeigt. Dabei wird eine Düse 7 mit einem Düsenöffnungsdurchmesser von 4 mm eingesetzt. Dadurch ist es möglich eine Verschwenkung des Laserstrahls 2 senkrecht zur Werkstückebene um mindestens 3 mm während der Bearbeitung des Werkstückes 10 vorzunehmen, was insbesondere bei Richtungsänderungen vorteilhaft ist.
Die Düse 7 ist bei diesem Beispiel in ihrem Inneren Konisch ausgebildet. Sie verjüngt sich dabei in Richtung auf die Düsenöffnung um 30°.
Mit der Erfindung können Schneidgeschwindigkeiten im Bereich von 30 m/min ohne weiteres erreicht werden, ohne das eine wesentliche Beeinträchtigung der gewünschten zu schneidenden Konturen auftritt.
Bei der Vorrichtung wird der Laserstrahl 2 von einer Laserstrahlquelle 1 emittiert und trifft auf einen ersten Umlenkspiegel 3 auf und wird von dort auf einen ersten Scannerspiegel 4 für eine Auslenkung in y-Achsrichtung und von dort auf einen zweiten Scannerspiegel 5 für eine Auslenkung in x-Achsrichtung reflektiert.
Zumindest die Scannerspiegel 4 und 5 sind über einen Scannerverstärker 13 mit einem Computer 12 und einer Maschinensteuerung 11 verbunden.
Die Auslenkung des Laserstrahles 2 kann unter Ausnutzung der erfindungsgemäß gestalteten Düse 7 so erfolgen, wie dies im allgemeinen Teil der Beschreibung erklärt worden ist, so dass die Schneidgeschwindigkeit auch bei Richtungsänderungen beim Ausschneiden vorgegebener Konturen 8 oder 9, wenn überhaupt nur geringfügig reduziert werden muss und die wirkenden Beschleunigungen dadurch reduziert sind.

Claims

Vorrichtung zum Laserstrahlschneiden, bei der ein Laserstrahl zweidimensional relativ in Bezug zu einer Oberfläche eines Werkstückes (10) bewegbar ist und gemeinsam mit einem Schneidgas durch eine Düsenöffnung einer Düse (7) auf das Werkstück (10) gerichtet ist; dabei der Laserstrahl (2) mittels mindestens eines Umlenkelementes (3, 4, 5) um mindestens eine Achse verschwenkbar ist und außerdem die um eine senkrecht zur Werkstückebene ausgerichtete Achse drehbare Düse (7) mit als Längsschlitz, Kreuzschlitz oder ellipsenförmig ausgebildeter Düsenöffnung so gestaltet und dimensioniert ist, dass eine Verschwenkung des Laserstrahls (2) um mindestens 10° in Bezug zu einer senkrecht zur Werkstückebene ausgerichteten Achse auf der Werkstückoberfläche und/oder eine zusätzliche Auslenkung des Laserstrahls durch Verschwenkung um mindestens 3 mm am Werkstück erreichbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenöffnung in mindestens einer Achsrichtung einen freien Querschnitt aufweist, der mindestens fünffach größer, als der Durchmesser des Querschnitts des Laserstrahls (2) im Bereich der Düsenöffnung ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (2) um zwei Achsen verschwenkbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung für die Relativbewegung von Laserstrahl (2) und Werkstück (10), das/die Umlenkelement(e) (3, 4, 5) und/oder ein Drehantrieb für die Düse (7) an eine elektronische Steuerung angeschlossen sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das/die Umlenkelement(e) (3, 4, 5) um mindestens eine Achse verschwenkbare reflektierende Elemente sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Innere der Düse (7) sich in Richtung auf die Düsenöffnung konisch verjüngend ausgebildet ist.