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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur formgebenden Bearbeitung von
Werkstücken.
Dabei soll eine dreidimensionale, hoch präzise Bearbeitung durchgeführt werden
können.
Insbesondere sollen filigrane Oberflächenkonturen, wie z. B. Hinterschneidungen
oder auch senkrechte, Wandungen mit scharfen Kanten oder Ecken ausgebildet
werden können.
Als Werkstücke
können
bei der Bearbeitung Modelle, Formwerkzeuge, Werkzeuge oder Werkzeugeinsätze bearbeitet
werden. Besonders vorteilhaft ist die Erfindung auf den Gebieten
des Rapid Prototyping, Rapid Tooling oder auch des Rapid Manufacturing
einsetzbar. Für
die formgebende Bearbeitung von Werkstücken sind unterschiedliche
Verfahren oder Technologien seit langem Stand der Technik. So erfolgt
die spanende Bearbeitung durch rotierende Werkzeuge oder auch statisch
angeordnete Werkzeuge und rotierende Werkstücke an den verschiedensten Werkzeugmaschinen.
Für eine
Bohr- oder auch Fräsbearbeitung
werden Bearbeitungszentren eingesetzt, die CNC-gesteuert sind. Mit
solchen Bearbeitungszentren ist eine Bearbeitung in bis zu fünf Achsen
möglich.
In dieser Form sind relativ hohe Fertigungsgeschwindigkeiten und
entsprechende Abtragsraten erreichbar. Die damit herstellbaren Oberflächentopographien
sind in der Regel aber durch die eingesetzten Werkzeuge begrenzt,
da sich nicht beliebig scharfe Kanten oder auch Hinterschneidungen
an jedem beliebigen Werkstück
herstellen lassen.
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Ein
weiteres üblicherweise
eingesetztes Bearbeitungsverfahren ist das Erodieren. Damit lassen sich
zwar sehr filigrane Oberflächenkonturen
ausbilden. Hierfür
ist aber gesonderte Anlagentechnik erforderlich, die auch nicht
ohne weiteres mit einer spanenden, wie vorab erläuterten Bearbeitung, in Kombination
eingesetzt werden kann. Außerdem
ist eine entsprechend geeignete Anlagentechnik für das Erodieren erforderlich
und es können
insbesondere elektrisch nicht-leitende Werkstoffe nicht durch Erodieren bearbeitet
werden. Für
die Manipulation von Erodierwerkzeugen ist außerdem bei kompliziert auszubildenden
Konturen ein erheblicher Aufwand erforderlich.
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Desweiteren
ist aus
US 6,476,353
B2 eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Oberflächenbearbeitung
von Werkstücken
mit Laserstrahlung bekannt. Dabei soll mit Laserstrahlen eine nachträgliche Oberflächenbearbeitung
mit entsprechendem Werkstoffabtrag in gesteuerter Form durchgeführt werden.
Hierfür
wird die jeweilige zu bearbeitende Oberfläche abgetastet und ein Soll-/Ist-Wert-Vergleich
bezüglich
der gewünschten
und erreichten Höhe
der Oberfläche
durchgeführt,
mit dessen Hilfe die Laserbearbeitung gesteuert werden kann.
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Bei
einer Laserbearbeitung können
aber nur begrenzte Werkstoffabtragsraten erreicht werden, was zu
einem erhöhten
Fertigungszeitaufwand führt.
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Aus
DE 299 24 727 U1 ist
eine Werkzeugmaschine für
die Werkstückbearbeitung
mit Werkzeugen und Laserstrahl bekannt.
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Die
aus
DE 101 16 672
A1 bekannte technische Lösung betrifft ein Verfahren
und eine Vorrichtung zur Materialbearbeitung, bei der eine Feinbearbeitung
mit Laserstrahlung erfolgen soll.
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In
US 5,525,776 A ist
eine Werkzeugmaschine beschrieben, bei der ebenfalls Laserstrahlung
eingesetzt werden soll.
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Die
DE 41 13 633 A1 offenbart
eine Bearbeitungsvorrichtung bei der eine Pinole für einen
Laserbearbeitungskopf genutzt wird.
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Aus
DE 102 25 451 A1 ist
ein Verfahren zum Entgraten von Werkstücken und eine mit diesem Verfahren
entgratetes Werkstück
bekannt.
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In
DE 102 26 359 A1 ist
ein Laserbearbeitungskopf zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels Laserstrahl
beschrieben.
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Auf
Möglichkeiten
zur Herstellung komplexer Profile auf Oberflächen mit Energiestrahlung wird
in
US 6,511,627 B1 hingewiesen.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten zu schaffen, um
eine formgebende Bearbeitung an Werkstücken in verkürzter Zeit,
zu ermöglichen
und Schäden
an Werkstück
und Werkzeugmaschine zu vermeiden.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist,
gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungsformen und Weiterbildungen der Erfindung
können
mit in den untergeordneten Ansprüchen
bezeichneten Merkmalen erreicht werden.
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Bei
einem erfindungsgemäßen Verfahren
zur formgebenden Bearbeitung von Werkstücken wird so vorgegangen, dass
eine spanende Bearbeitung und ein Werkstoffabtrag mittels Laserstrahlung
an einem Werkstück,
das in einer Einspannung gehalten ist, durchgeführt wird. Die spanende Bearbeitung
mit Fräs-
oder Bohrwerkzeugen erfolgt dabei an zu bearbeitenden Bereichen
eines Werkstücks,
an denen hohe Abtragsraten gewünscht
sind und die eingesetzten Werkzeuge für die spanende Bearbeitung diese
Bereiche von Werkstücken
ohne weiteres bearbeiten können.
Die Laserstrahlung wird im Gegensatz dazu lediglich in Bereichen
für den
gewünschten Werkstoffabtrag
eingesetzt, die für
die für
die spanende Bearbeitung eingesetzten Werkzeuge nicht oder nur unvollkommen
zugänglich
sind.
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Während der
Bearbeitung mit den zwei unterschiedlichen Bearbeitungstechnologien
verbleibt das Werkstück
in der einen Einspannung, die Bestandteil einer Werkzeugmaschine
oder auch eines Bearbeitungszentrums, wie im einleitenden Teil der Beschreibung
bereits ausgeführt,
vorhanden ist.
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Ein
für den
Werkstoffabtrag eingesetzter Laserstrahl sollte dabei mindestens
entlang einer Achse ausge lenkt werden können, wobei eine Auslenkung
in mindestens zwei senkrecht zueinander ausgerichteten Achsen bevorzugt
ist. Außerdem
sollte die Brennweite bei der Bearbeitung mit der Laserstrahlung
ebenfalls veränderbar
sein. Hierfür
können verschwenkbare,
reflektierende Elemente eingesetzt werden, die üblicherweise auch als Scannerspiegel bezeichnet
werden. Eine Brennweitenveränderung kann
auch mit geeigneten optischen Elementen erreicht werden.
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Die
formgebende Bearbeitung der Werkstücke sollte möglichst
in mindestens fünf
Freiheitsgraden durchgeführt
werden können,
was sowohl auf die spanende Bearbeitung, wie auch auf den Werkstoffabtrag
mit Laserstrahlung zutreffen soll. Dementsprechend können die
Werkzeuge für
die spanende Bearbeitung in drei Achsen, wie auch ein Laserstrahl
bewegt bzw. ausgelenkt werden. Die beiden anderen Achsen können durch
entsprechende Bewegungsmöglichkeiten
einer an einer Werkzeugmaschine vorhandenen Werkstückaufnahme
mit Einspannung für Werkstücke erreicht
werden.
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Die
erforderliche Bearbeitungszeit kann dadurch verkürzt werden, dass gleichzeitig
eine spanende Bearbeitung mit mindestens einem hierfür geeigneten
Werkzeug und ein Werkstoffabtrag mit Laserstrahlung durchgeführt wird,
wobei dies an unterschiedlichen Positionen des Werkstücks durchgeführt werden
sollte, um eine gegenseitige Beeinflussung möglichst weitestgehend ausschließen zu können. In
dieser Form besteht die Möglichkeit,
dass ein Laserstrahl unmittelbar nachfolgend an die spanende Bearbeitung
auf Bereiche des Werkstücks
gerichtet wird, an denen kurz zuvor die spanende Bearbeitung durchgeführt worden
ist, wobei vorteilhaft die im Werkstück verbliebene Restwärme der
spanenden Bearbeitung ausgenutzt werden kann.
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Eine
solche Bearbeitungsform ist insbesondere bei einer Trockenbearbeitung
unter Verzicht auf flüssige
Kühlmittel
geeignet.
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Besonders
vorteilhaft ist es, vor und möglichst
auch während
der Bearbeitung die Oberflächentopographie
des Werkstücks
zumindest in den für
die Bearbeitung vorgesehenen Bereichen dreidimensional zu bestimmen
und dabei in dieser Form die momentanen Positionskoordinaten zu
ermitteln. Diese können
dann insbesondere für
die Steuerung der Laserbearbeitung genutzt werden. Eine Bestimmung
der Oberflächentopographie
kann selbstverständlich
auch nach dem Ende der Bearbeitung als Qualitätskontrolle durchgeführt werden.
Die Positionskoordinaten sollten möglichst berührungslos bestimmt werden,
wobei hierfür
optische Systeme oder andere geeignete physikalische Prinzipien
eingesetzt werden können.
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Die
dreidimensional bestimmten Positionskoordinaten können dann
einer elektronischen Auswerteeinheit zugeführt werden, in der dann wiederum
ein Soll-/Ist-Wert-Vergleich
durchgeführt
wird, um Vorgaben einer bestimmten maßhaltigen Oberflächenkontur
mit den bei der Bearbeitung erreichten Ist-Werten vergleichen zu
können,
um die gewünschte
Fertigungsgenauigkeit einzuhalten.
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Bei
der Erfindung soll mit bereits vor der Bearbeitung vorliegenden
Bearbeitungskoordinaten eine Simulationsrechnung durchgeführt werden,
mit deren Hilfe dann die Steuerung der Bearbeitung erfolgen kann.
Dies kann zu einer Optimierung führen, bei
der die spanende und die Laserbearbeitung so durchgeführt werden,
dass möglichst
kleine Taktzeiten erreicht werden. So kann der Werkstoffabtrag der mittels
La serstrahlung und/oder spanender Bearbeitung entsprechend vorab
bestimmt werden und dieser dann lokal durch Steuerung der Werkzeuge
und Auslenkung der Laserstrahlung sehr effektiv erfolgen.
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Mittels
der Simulation soll dann eine Reflexion der Laserstrahlung in unerwünschte Richtungen vermieden
werden. Dabei kann beispielsweise der Einfallswinkel entsprechend
verändert
werden, so dass von der Oberfläche
des Werkstücks
reflektierte Laserstrahlung in eine Richtung reflektiert wird in
der dann ein Absorber für
die Laserstrahlung angeordnet ist. So können Schäden an Werkstück oder
Werkzeugmaschine vermieden werden.
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Beim
Werkstoffabtrag mit der Laserstrahlung kann dieser an den zutreffenden
Bereichen schichtweise durchgeführt
werden. Hierzu können
die vorab dreidimensional bestimmten Positionskoordinaten ebenfalls
so verarbeitet werden, dass sich entsprechende Schichten für den Werkstoffabtrag
mit der Laserstrahlung ergeben und der für die Bearbeitung eingesetzte
Laserstrahl dann entsprechend gesteuert werden kann.
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Die
letztgenannten Daten können
aber auch zwischengespeichert und dann für die Bearbeitung nachfolgender
gleicher Werkstücke
genutzt werden.
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Wie
bereits angesprochen, besteht die Möglichkeit, Werkstücke. in
einer ebenfalls in mindestens zwei Achsen bewegbaren Werkstückaufnahme
einer Werkstückmaschine
zu spannen. Dabei kann diese Manipulationsmöglichkeit eines so gespannten Werkstücks zusätzlich und
in Verbindung mit der Möglichkeit
zur Auslenkung eines Laserstrahls bei der Laserbearbeitung gemeinsam
ausgenutzt werden, so dass quasi ein doppelter Vor schub durch die beiden
Bewegungsmöglichkeiten
erreichbar ist und die erforderliche Fertigungszeit reduziert werden kann.
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Da
es insbesondere bei der Laserbearbeitung zu einem Werkstoffabtrag
und Sublimation eines Werkstoffs kommen kann, bei dem Gase freigesetzt
werden können
oder auch andere abgetragene Bestandteile auftreten können, die
die für
die Bearbeitung eingesetzte Laserstrahlung nachteilig beeinflussen
können,
sollte eine Absaugung vorgesehen werden, die wiederum besonders
vorteilhaft in Form einer Querstromabsaugung ausgebildet ist, so
dass die eigentliche Bearbeitung auch durch die Absaugung nahezu
unbeeinflusst bleiben kann. Dadurch können eine Reduzierung der Strahlqualität eines
Laserstrahls und ggf. auch absorptionsbedingte Laserstrahlungsverluste
vermieden werden.
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Insbesondere
unter Berücksichtigung
ggf. bei einer Sublimation gebildeter Gase kann auch eine Zufuhr
eines Gastromes (Jetstream) günstig
sein, um zum einen die Absorptionswirkung gebildeter Gase für die Laserstrahlung
zu vermeiden. Es kann aber auch eine Schutzgaswirkung erreicht werden,
wenn ein inertes Gas eingesetzt wird. Eine Absaugung oder Zuführung für einen
Gasstrom sollte möglichst mobil
sein, um eine nahe Positionierung zum jeweiligen Bearbeitungsort
mit der Laserstrahlung zu ermöglichen.
Mit dem Gasstrom können
auch Partikel entfernt werden.
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Die
nachteilige Absorptionswirkung gebildeter Gase kann auch durch eine
sehr schnelle und ggf. sprunghafte Verlagerung der Position des
Brennflecks eines Laserstrahls vermieden werden. Dadurch gelangt
der Laserstrahl immer durch Bereiche in denen kein störendes gebildetes
Gas vorhanden ist und trifft zumin dest nahezu unbeeinflusst auf
abzutragenden Werkstoff.
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Bei
der Erfindung besteht die Möglichkeit,
die für
die Laserbearbeitung erforderlichen Elemente ggf bis auf die Laserstrahlquelle
an bzw. innerhalb eines Bearbeitungsraums einer Werkzeugmaschine
anzuordnen. Bei Werkzeugmaschinen, in denen eine Nassbearbeitung
mit flüssigem
Kühlmittel
durchgeführt
werden soll, ist es günstig,
die für
die Manipulation der Laserstrahlung erforderlichen Elemente mobil
zu gestalten, so dass sie während
solcher Bearbeitungsphasen entfernt werden können.
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Ein
gewisses Maß an
Mobilität
ist aber auch bei den Elementen, die für die Auslenkung und Manipulation
eines Laserstrahls erforderlich sind, zu sichern. So können beispielsweise
eingesetzte reflektierende Elemente (Scanner) ebenfalls beweglich sein,
so dass bei der Bearbeitung ihre jeweilige Position an den gewünschten
Bearbeitungsort und die Form der Bearbeitung angepasst werden kann.
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Für die Laserbearbeitung
können
unterschiedlichste Laserstrahlquellen eingesetzt werden. Bevorzugt
sind dabei Faserlaser, gepulst betriebene Festkörperlaser, Diodenlaser oder
auch CO2-Laser, wobei die jeweilige Auswahl
unter Berücksichtigung des
zu bearbeitenden Werkstoffs erfolgen kann und dessen Absorptionsverhalten
für die
jeweilige elektromagnetische Strahlung der gewählten Laserstrahlquelle berücksichtigt
werden sollte. Dieser Aspekt trifft insbesondere auf nichtmetallische
Werkstoffe, wie Polymere oder Keramiken, zu.
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Bei
der Bearbeitung mit der Laserstrahlung kann diese gepulst oder moduliert
oder gepulst und moduliert werden, wobei bei gepulstem Betrieb mit einer
Pulsüberhöhung unter
Verwendung eines Q-Switches erreichbar ist. So ist eine Beeinflussung der
Pulsfrequenz und auch der Pulsform möglich. Im letztgenannten Fall
kann der Anstieg zu Beginn und/oder zum Ende der Einzelpulse eine
Modulationsmöglichkeit
sein.
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Mit
der erfindungsgemäßen technischen
Lösung
kann bei der Möglichkeit
einer Verkürzung
der Bearbeitungszeit in Verbindung mit hoher Präzision und Filigranität auf einen
erhöhten
Aufwand für
erforderliche Anlagentechnik, wie dies bei der Erodierbearbeitung
der Fall ist, verzichtet werden.
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Es
können
detailgetreu in Mikro- bis Makro-Größenordnungen
unterschiedlichste Konturen an Oberflächen von Werkstücken ausgebildet
werden, bei denen Vorgaben hochgenau mit sehr guter Oberflächengüte in reproduzierbarer
Form an Werkstücken
erreicht werden können.
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Durch
das schichtweise sublimieren beim Werkstoffabtrag mit der Laserstrahlung
treten sehr kurze Wechselwirkungszeiten zwischen Laserstrahlung
und Werkstück
auf, was zu einem reduzierten Wärmeeintrag
in den Werkstoff des Werkstücks
führt.
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Neben
den bereits erwähnten
Konturen können
auch senkrechte Wände
mit scharfen Kanten oder Ecken und geringer Wandstärke an Werkstücken ausgebildet
werden.
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Weiterhin
besteht die Möglichkeit
mittels der Laser strahlung eine Oberflächenstrukturierung auszubilden,
die einen positiven Einfluss auf das optische Wahrnehmungsvermögen oder
die Haptik ausüben kann. Die Strukturierung kann sehr fein und
dabei auch lokal differenziert, z. B. in Form einer Gravur ausgebildet
werden.
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Mit
der integrierten Möglichkeit
zum Messen von tiefen oder anderen Positionskoordinaten einer Oberflächentopographie
können
Abweichungen von vorgegebenen Konturen sehr schnell korrigiert und so
Ausschuss vermieden werden.
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Außerdem ist
ein elektronischer Nachweis nach Beendigung der Bearbeitung für das erreichte Fertigungsergebnis
erhältlich.
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Die
Oberflächentopographie
kann aber auch in integrierter Form über die eingesetzten reflektierenden
Elemente für
die Laserstrahlung bestimmt werden und dadurch eine sog. „Closed-Loop-Regelung” durchgeführt werden.
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Weiterhin
besteht die Möglichkeit,
sehr einfach und schnell sich auf verändernde vorgegebene Geometrien
einzustellen, da lediglich die Eingabe geänderter dreidimensionaler CAD-Daten
erforderlich ist, die dann wiederum für den bereits erwähnten Soll-/Ist-Wert-Vergleich herangezogen
werden können.
So können
die Produktentwicklungszeiten ebenfalls verkürzt werden.
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Mit
der Erfindung können
auch großformatige
Werkstücke
oder mehrere Werkstücke
innerhalb eines entsprechend groß dimensionierten Bearbeitungsraums
bearbeitet werden. Im letztgenannten Fall besteht dann auch die
Möglichkeit,
an einem Werkstück
eine spanende Bearbeitung und die Laserbearbeitung an einem weiteren
Werkstück
durchzuführen,
das vorab in der gleichen Einspannung spanend bearbeitet worden
ist.
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Es
können
neben den bereits erwähnten spanenden
Bearbeitungen, wie Fräsen
oder Bohren, auch ein Laserabtragen, Laserpolieren, Remote-Schneiden,
Härten,
Beschriften/Gravieren oder eine Reinigung von Oberflächen mit
der Laserstrahlung durchgeführt
werden, Es liegt auf der Hand, dass das erfindungsgemäße Verfahren
automatisiert durchgeführt
werden kann und dadurch eine entsprechend hohe Produktivität eingehalten
ist.
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Eine
Anlagentechnik für
die Laserbearbeitung kann ohne weiteres in eine bereits vorhandene Werkzeugmaschine
oder ein Bearbeitungszentrum integriert werden. Die Erfindung kann
auch in Kombination mit einem Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen
Bauteilen, wie es in
DE
103 10 987 B3 beschrieben ist, eingesetzt werden. Bei diesem
zum Stand der Technik gehörenden
Verfahren erfolgt eine spanende Bearbeitung in einer Aufspannung,
bei der unmittelbar in der Werkzeugmaschine eine in Richtung auf
mindestens ein Spanwerkzeug offene Gussform angeordnet ist. In der
Gussform ist ein dreidimensional zu bearbeitendes Halbzeug enthalten.
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Bei
einer Kombination des erfindungsgemäßen Verfahrens mit diesem Verfahren
können
Werkstücke
aus den unterschiedlichsten Werkstoffen, auch Faserverbundwerkstoffe,
glasfaserverstärkte Kunststoffe,
Kunststoffe, in denen Partikel, bevorzugt Nanopartikel oder Nanoröhren enthalten
sind, bearbeitet werden.
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Solche
polymere Werkstoffe weisen dann verbesserte mechanische Eigenschaften
auf, können elektrisch
leitend, verbessert wärmeleitend
oder für elektromagnetsiche
Strahlung absorbierend sein. Dabei können auch lokal gezielt Bereiche
ausgebildet werden, die eine höhere
elektrische oder Wärmeleitfähigkeit
aufweisen. Insbesondere eine elektrische Leitfähigkeit kann für elektrische
Leiterbahnen oder als Heizer ausgenutzt werden.
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Bei
Einsatz von Faserlasern können
infolge der erhöhten
Abtragsraten und Abtragsgeschwindigkeit ein Laserschruppen, Laserschlichten
oder Laservorschlichten bei der Bearbeitung von Werkstückoberflächen durchgeführt werden.
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Nachfolgend
soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
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Dabei
zeigt:
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1 in
schematischer Form und beispielhaft eine Möglichkeit zu einer Bearbeitung
mit Laserstrahlung an einem kritischen Bereich 1' an einem Werkstück 1,
das in hier nicht dargestellter Form in einer Einspannung einer
Werkzeugmaschine gehalten ist und vorab in der gleichen Einspannung
spanend bearbeitet wurde.
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Bei
dem hier gezeigten Werkstück 1 soll
eine scharfe rechtwinkelige Kante ausgebildet werden. Nach der spanenden
Bearbeitung ist im Kantenbereich eine Abrundung ausgebildet, die
vom für
die spanende Bearbeitung eingesetzten Werkzeug nicht entfernt werden
konnte.
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Der
Bereich 1' wird
nach der spanenden Bearbeitung mit der Energie eines Laserstrahls 2,
der von einem auslenkbaren reflektierenden Element 3 in zwei
Achsen mit seinem Brennfleck auf der Oberfläche des Bereichs 1 ausgelenkt
werden kann, weiter formgebend bearbeitet. Wie im allgemeinen Teil
der Beschreibung bereits erwähnt,
wurde vorab keine Bestimmung der Oberflächentopographie und die Ermittlung
von dreidimensionalen Positionskoordinaten durchgeführt und
diese dann in Schichten zerlegt. Der Werkstoffabtrag erfolgt dann
ebenfalls schichtweise mit dem Laserstrahl 2, wie dies
in 1 im Bereich 1' angedeutet ist. Die Schichten
sind dabei horizontal zueinander ausgerichtet und weisen dann jeweils
unterschiedliche Flächen
auf, die mit der Laserstrahlung abgetragen werden müssen.
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In
nicht dargestellter Form oder auch ggf. mit dem reflektierenden
Element 3 kann die Brennweite des Laserstrahls 2 ebenfalls
an die jeweilige Position der abzutragenden Schicht im Bereich 1' angepasst werden.