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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kennzeichnen eines
Werkstücks beim Laserbearbeiten sowie eine Laserbearbeitungsmaschine
zur Bearbeitung von Werkstücken, die zur Durchführung
des Verfahrens ausgelegt ist.
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Es
ist bekannt, bei der Bearbeitung eines Werkstücks mit einem
Laserstrahl eine Kennzeichnung an dem bearbeiteten Werkstück
anzubringen, z. B. indem mittels des Bearbeitungs-Laserstrahls eine
Beschriftung als Klartext-Kennzeichnung oder ein Barcode, d. h.
mehrere parallele Linien, als codierte Information in das Werkstück
geschnitten bzw. graviert werden. Der Kennzeichnungsvorgang stellt hierbei
einen eigenen Bearbeitungsschritt dar, der zusätzliche
Prozesszeit benötigt.
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Aus
der
DE 197 33 786
C1 ist es ferner bekannt, die Kennzeichnung von Werkstücken
bei einem Punkt-Schweißprozess mit einem ohnehin erforderlichen
Bearbeitungsschritt zu verbinden. Hierbei tragen die Schweißpunkte
einer Schweißpunktreihe durch relative Positionierung bezüglich
ihrer jeweiligen Sollpositionen die kennzeichnenden Informationen.
Diese Informationen können insbesondere in binär
codierter Form vorliegen.
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Das
bei dem oben beschriebenen Punkt-Schweißprozess angewandte
Verfahren zur Codierung von Informationen lässt sich nicht
ohne weiteres auf einen Laserbearbeitungsprozess übertragen,
da dort in der Regel eine kontinuierliche Bearbeitung von Werkstücken
entlang von Schweiß- bzw. Schnittkonturen stattfindet.
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Aufgabe der Erfindung
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren sowie
eine Laserbearbeitungsmaschine bereitzustellen, bei denen die Kennzeichnung
eines Werkstücks mit geringem Aufwand sowie mit geringer
zusätzlicher Prozesszeit während des Laserbearbeitens
erfolgen kann.
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Gegenstand der Erfindung
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
ein Verfahren der eingangs genannten Art, umfassend: Bearbeiten
des Werkstücks mittels eines Laserstrahls zum Bilden einer
Schnittkontur an dem Werkstück, wobei der Laserstrahl entlang
der Schnittkontur eine Profilierung als codierte Information zur
Kennzeichnung des Werkstücks erzeugt.
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Erfindungsgemäß wird
entlang einer Schnittkontur eine Profilierung als codierte Information
eingearbeitet. Die Schnittkontur ist hierbei bevorzugt eine Schnittlinie,
d. h. eine geradlinige Kontur, entlang derer mittels des Laserstrahls
z. B. Zähne, Absätze oder dergleichen als Profilierung
gebildet werden, die eine verschlüsselte Information enthalten. Die
für die Bildung der profilierten Schnittkontur benötigte
Prozesszeit ist hierbei nur geringfügig größer als
bei der Bildung einer Schnittkontur ohne Profilierung, da durch
das Einbringen von codierten Informationen, die nicht als Klartext-Informationen
von einem Anwender gelesen werden müssen, die Abweichungen
der Schnittkontur mit Profilierung von der Schnittkontur ohne Profilierung
nur geringfügig ausfallen und z. B. unter 1 mm betragen
können. Einer vorgegebenen, zu erzeugenden Schnittkontur
wird die Profilierung aufmoduliert, wie dies z. B. aus der Nachrichtentechnik
bekannt ist: Die Schnittkontur dient quasi als Trägersignal,
die Profilierung als Modulationssignal.
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Bei
einer vorteilhaften Variante wird in einem nachfolgenden Schritt
die Profilierung der Schnittkontur vermessen und daraus die codierte
Information zurückgewonnen. Um die codierte Information wieder
fehlerfrei zurücklesen zu können, kommt der Präzision
bei der Anbringung der Profilierung eine hohe Bedeutung zu. Dabei
sind die exakte Form, Größe und Tiefe der Punkte
oder Linien der Profilierung wichtige Qualitätsmerkmale.
Schließlich sollen codierte Informationen, wie beispielsweise
die Seriennummer oder eine Teilenummer, fehlerfrei ausgelesen werden
können. Die erforderliche, hohe Präzision kann
im vorliegenden Fall durch die präzise Führung
des Laserstrahls erreicht werden.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Variante wird die Profilierung der Schnittkontur
mechanisch, elektro-magnetisch oder durch Ultraschall vermessen. Die
mechanische Vermessung kann z. B. mittels eines Messfühlers
durchgeführt werden. Um die Profilierung auch bei einem
lackierten Werkstück noch vermessen zu können,
ist das Auslesen mittels eines elektro-magnetischen Messprinzips
oder mit Hilfe von Ultraschall von Vorteil, da die Lackierung die elektro-magnetischen
Eigenschaften des Werkstücks kaum beeinflusst und durch
die sehr stark abweichende Leitfähigkeit der Lackierung
gegenüber dem typischer Weise metallischen Werkstück
auch nach dem Lackieren eine Ultraschall-Vermessung der Profilierung
nach dem Lackieren möglich ist. Beide Messprinzipien haben
weiterhin den Vorteil, dass sie berührungs los arbeiten,
so dass beim Auslesen keine Kratzer an dem Werkstück entstehen
können. Bei der Ultraschall-Messung handelt es sich ferner um
ein bei der Laserbearbeitung ohnehin eingesetztes Verfahren zur
Erkennung von Haarrissen.
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In
einer besonders vorteilhaften Variante enthält die codierte
Information zur Kennzeichnung des Werkstücks einen Fehlerkorrekturcode.
Um die codierte Information auch bei Verformungen des Werkstücks
fehlerfrei zurückgewinnen zu können, kann die
codierte Information um Fehlerkorrekturcodes erweitert werden, d.
h. um redundante Informationen, die eine Rekonstruktion der Nutzdaten
erlauben. Insbesondere bei Verwendung binär codierter Informationen
können die aus der Informations- bzw. Nachrichtentechnik
geläufigen Fehlerkorrekturcodes verwendet werden, z. B.
Paritätsbits, Hamming Codes, Faltungscodes etc.
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Bei
einer besonders vorteilhaften Variante wird die Profilierung an
einer Schnittkontur entlang des Werkstückrands gebildet,
d. h. entlang einer ohnehin zu schneidenden Kontur, so dass die
zusätzliche Prozesszeit zum Anbringen der Profilierung
minimal ist. Bei der Profilierung des Randes des Werkstücks
ist darauf zu achten, dass Abweichungen von der unprofilierten Schnittkontur
möglichst gering ausfallen, um die Störung der
Geometrie des Werkstücks durch die Profilierung möglichst
klein zu halten.
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In
einer weiteren bevorzugten Variante wird die Profilierung an einer
vom Werkstückrand beabstandeten Schnittkontur gebildet.
In diesem Fall bleiben die Randkonturen des Werkstücks
und damit dessen Geometrie unverändert. Es ist aber darauf
zu achten, dass die Länge der Schnittkontur in diesem Fall
nicht zu groß gewählt wird, um dessen Stabilität nicht
zu verschlechtern.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung ist realisiert in einer Laserbearbeitungsmaschine
zur Bearbeitung von Werkstücken, die zur Durchführung
des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche
ausgelegt ist. Eine solche Laserbearbeitungsmaschine weist typischer
Weise eine Codierungseinrichtung auf, welche die auf das Werkstück
aufzubringenden Informationen codiert und eine geeignete Profilierung
einer insbesondere geradliningen Schnittkontur (Schnittlinie) berechnet.
Die Profilierungs-Information wird dann an eine Bahnplanungs- bzw.
Steuerungseinrichtung der Laserbearbeitungsmaschine weitergegeben,
welche den Laserstrahl bei der Bildung der Schnittlinie entsprechend
moduliert, um die gewünschte Profilierung zu erzeugen.
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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 Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Laserbearbeitungsmaschine,
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2a,
b jeweils eine Draufsicht auf ein Werkstück mit einer profilierten
Schnittlinie, die codierte Informationen enthält,
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3 eine
schematische Darstellung eines Messfühlers zur Abtastung
der profilierten Schnittlinie von 2a, und
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4a,
b jeweils eine Draufsicht auf das Werkstück von 2a zur
Erläuterung des Messprinzips der Ultraschall- bzw. der
elektro-magnetischen Vermessung der Profilierung.
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Aus 1 ist
der Aufbau einer Laserbearbeitungsmaschine 1 zum Laserschneiden
mit einem CO2-Laser 2, einer Steuereinrichtung 3,
einem Laserbearbeitungskopf 4 (mit Düse 4a)
und einer Werkstückauflage 5 ersichtlich. Ein
erzeugter Laserstrahl 6 wird mithilfe von Umlenkspiegeln
zum Laserbearbeitungskopf 4 geführt und mithilfe
einer Fokussierlinse 7 auf ein Metallblech 8 gerichtet.
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Bevor
eine durchgängige Schnittfuge in dem Blech 8 entsteht,
muss der Laserstrahl 6 das Metallblech 8 durchdringen.
Das Blech 8 muss hierzu an einer Stelle punktförmig
geschmolzen oder oxidiert werden und die Schmelze muss ausgeblasen
werden. Sowohl das Einstechen als auch das Laserschneiden werden
durch Hinzufügen eines Gases unterstützt. Als
Schneidgase 9 können Sauerstoff, Stickstoff, Druckluft
und/oder anwendungsspezifische Gase eingesetzt werden. Welches Gas
letztendlich verwendet wird, ist davon abhängig, welche Materialien
geschnitten und welche Qualitätsansprüche an das
Werkstück gestellt werden. Bei der Laserbearbeitung entstehende
Gase können mit Hilfe einer Absaugeinrichtung 10 aus
einer Absaugkammer 11 abgesaugt werden.
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2a zeigt
ein rechteckiges Werkstück 12, welches mittels
der Laserbearbeitungsmaschine 1 von 1 von dem
auf der Werkstückauflage 5 aufliegenden Blech 8 freigeschnitten
wurde. Beim Freischneiden wurde an einer geraden Schnittlinie 13 entlang
des Werkstückrands 12a eine Profilierung 14 gebildet,
indem die Position des Laserstrahls 6 auf dem Werkstück 12 während
des Laserschneidens geeignet variiert wurde. Die Variation wurde
hierbei so gewählt, dass die Profilierung 14 codierte
Informationen enthält, denen beispielsweise einer Seriennummer,
Margennummer, Teilenummer etc. zugeordnet werden können
oder ein Code, der eine digitale Signatur (Prüfziffer)
enthält, mit der die Echtheit des Werkstückteils
(Originalhersteller) nachgewiesen werden kann.
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Zur
Umsetzung der Information, z. B. der Seriennummer, in einen in der
Regel binären Code ist in der Laserbearbeitungsmaschine 1 von 1 eine (nicht
gezeigte) Codierungseinrichtung vorgesehen, welche eine geeignete
Modulation des Laserstrahls 6 zur Erzeugung der Profilierung 14 beim
Laserbearbeiten errechnet und diese an die Steuereinrichtung 3 übermittelt.
Bei der Erzeugung der codierten Information können auch
Fehlerkorrekturcodes (Hamming-Codes etc.) als redundante zusätzliche
Informationen zu den Daten, welche die Kennzeichnung enthalten,
hinzugefügt werden, um eine fehlerfreie Rückgewinnung
der Informationen aus der Profilierung 14 zu erleichtern,
z. B. wenn das Werkstück 12 beabsichtigt oder
unbeabsichtigt verformt wird.
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Bei
der in 2a gezeigten Schnittlinie 13 am
Werkstückrand 12a ist darauf zu achten, dass die Profilierung 14 die
Geometrie des Werkstücks 8 nicht zu stark verändert.
Eine binäre Codierung, bei der die Schnittlinie in äquidistante
Teilstücke eingeteilt wird, in denen die Schnittlinie 13 am
Werkstückrand 12a entweder gradlinig verläuft
(erster binärer Zustand) oder eine Profilmarke, z. B. ein
Dreieck, in den Werkstückrand 12a eingebracht
wird (zweiter binärer Zustand) ist in diesem Fall besonders
vorteilhaft, wobei die Profilmarke eine maximale Abweichung von
der Schnittlinie 13 von weniger als 1 mm aufweisen sollte,
damit die Geometrie des Werkstücks 12 im Wesentlichen
erhalten bleibt.
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Größere
Gestaltungsmöglichkeiten bei der Wahl der Profilierung
bieten sich, wenn wie in 2b gezeigt
eine zusätzliche Schnittlinie 16 mit einer Profilierung 17 vom
Werkstückrand 15a eines Werkstücks 15 beabstandet
gebildet wird. In diesem Fall wird die Geometrie des Werkstückrands 15a nicht beeinflusst,
so dass auch größere Abweichungen der Profilierung 16 von
der geraden Schnittlinie 17 möglich sind. Um die
Stabilität des Werkstücks 15 nicht zu beeinträchtigen,
sollte die Schnittlinie 17 möglichst kurz gehalten
werden. Dies ist möglich, wenn eine Codierung gewählt
wird, bei der mehrere unterschiedliche Typen von Profilmarken (Dreiecke,
Halbkreise etc.) zur Kennzeichnung verwendet werden, die sich bei
einer anschließenden Vermessung der Profilierung 16 unterscheiden
lassen, da hierdurch auf einem jeweiligen Teilabschnitt der Schnittlinie 16 mehr
als nur zwei Zustände codiert werden können. Es
versteht sich, dass auch bei Verwendung von Profilmarken mit identischer
Geometrie durch eine Abstufung der maximalen Abweichung von der
Schnittlinie 17 eine Mehrzahl von Zuständen pro
Teilabschnitt codiert werden können.
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Zur
Rückgewinnung der codierten Information wird die Profilierung
der Schnittkontur vermessen, wozu unterschiedliche Messverfahren
verwendet werden können. Bei dem in 3 gezeigten,
mechanischen Messverfahren wird ein Messkopf 18 mittels einer
nicht dargestellten Stelleinrichtung in der x- und y-Richtung einer
Ebene verfahren, die parallel zur Ebene des Werkstücks 12 von 2a angeordnet ist.
Hierdurch kann der Messkopf 18 jede Position entlang der
Schnittlinie 13 anfahren und die als Vertiefungen ausgebildete
Profilierung 14 im metallischen Werkstück 12 abtasten.
Die Profilierung kann einen zweidimensionalen Matrix-Code bilden,
der eine binär verschlüsselte Information enthält.
Die Abtastbewegung in z-Richtung erfolgt gegen die Kraft einer Rückstellfeder 19.
Mittels einer Steuereinrichtung 20 kann die exakte Bewegung
des Messkopfs 18 gesteuert werden. Ein Abtastsignal S kann
hierbei einer (nicht gezeigten) Positionsmessvorrichtung zur weiteren
Signalverarbeitung zugeführt werden.
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4a,
b zeigen jeweils das Werkstück 12 von 2a,
an dem die Profilierung 14 mittels eines berührungslosen
Messverfahrens bestimmt wird, wodurch Kratzer am Werkstück 12 vermieden
werden können. In 4a wird
die Vermessung der Profilierung 14 mittels einer Ultraschall-Messeinrichtung 21 vorgenommen,
welche eine Ultraschallwelle 22 in das metallische Material
des Werkstücks 14 einleitet. Am Werkstückrand 12a bzw.
der Profilierung 14 wird die Ultraschallwelle 22 reflektiert.
Das reflektierte Signal (nicht gezeigt) wird in der Ultraschall-Messeinrichtung 21 vermessen
und daraus der Verlauf der Profilierung 14 ermittelt.
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In 4b ist
die Vermessung der Profilierung 14 mittels eines elektro-magnetischen
Messprinzips gezeigt, bei dem die elektro-magnetischen Eigenschaften
des metallischen Werkstückmaterials ausgenutzt werden.
Mittels einer Spule 23 mit Eisenkern 24 wird ein
elektrisches Wechselfeld (nicht gezeigt) in das Werkstück 12 eingebracht.
Abhängig vom Abstand der Spule 23 vom Werkstückrand 12a ändert
sich deren Induktivität, die gemessen wird und aus der
beim Entlangführen der Spule 22 in konstantem
Abstand zur Schnittlinie 13 (vgl. Pfeil) die codierte Information
zurückgewonnen werden kann.
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Die
beiden in 4a, b gezeigten, berührungslosen
Messverfahren eignen sich insbesondere, um die Profilierung 14 auch
nach der Lackierung des Werkstücks 12 noch vermessen
zu können, denn durch die sehr stark abweichende Leitfähigkeit
der Lackierung gegenüber dem metallischen Werkstück 12 ist
eine Ultraschall-Vermessung der Profilierung 14 nach dem
Lackieren ebenso möglich wie eine elektromagnetische Messung,
da die elektro-magnetischen Eigenschaften des Werkstücks 12 durch
die Lackierung kaum beeinflusst werden.
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Es
versteht sich, dass das oben beschriebene Verfahren nicht auf die
Verwendung einer geraden Schnittlinie 13 bzw. 16 beschränkt
ist, sondern dass auch andere Schnittkonturen, z. B. runde Schnittkonturen
mit einer Profilierung versehen werden können. In diesem
Fall müssen die oben beschriebenen Messverfahren zur Vermessung
der Profilierung an die Vermessung der entsprechenden Konturen angepasst werden.
Es versteht sich ferner, dass zur Vermessung der Profilierung auch
andere als die oben beschriebenen Messverfahren angewendet werden können.
Insbesondere wenn die Schnittlinie vom Werkstückrand beabstandet
ist, kann z. B. auch ein optisches Messverfahren günstig
sein. In jedem Fall ermöglicht das oben beschriebene Verfahren
eine Kennzeichnung eines Werkstücks ohne großen
zusätzlichen Aufwand und mit geringer zusätzlicher Prozesszeit.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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