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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum dreidimensionalen Bearbeiten
eines Werkstücks mittels eines Laserbearbeitungswerkzeugs
gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein
System zum dreidimensionalen Bearbeiten eines Werkstücks
gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 6.
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Bei
heute in der Fertigungstechnik zum Einsatz kommenden, konturgebenden
Fertigungsprozessen, wie Prägen, Stanzen, Bohren etc.,
sind Nachbearbeitungsprozesse wie Entgraten, Bürsten, Feinschleifen
etc., nachgeordnet, um Fertigungstoleranzen auszugleichen. Diese
Endbearbeitung des Werkstücks ist meist unwirtschaftlich
und zu wenig präzise. Ein weiterer Nachteil besteht darin,
dass für die Nachbearbeitung häufig in mehrere
Prozesse, wie das Entgraten durch Hochdruckwasserstrahl, das Glätten
durch Feinschleifen oder das Einbringen von Strukturierungen durch
Prägen etc., unterteilt werden muss.
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Die
optische, berührungslose und zum Teil vollflächige
Erfassung von Topologien (sogenannte 3D-Messung) hat in den letzten
Jahren große Fortschritte gemacht; neben Laserinterferrometrieverfahren
wurden viele alternative Vermessungsverfahren entwickelt, die auch
ohne den Einsatz teurer Lichtquellen auskommen können,
wobei eine vertikale Präzision von deutlich unter einem
Mikrometer erreichbar ist. So ist beispielsweise in der
DE 197 55 667 A1 ein
Verfahren zum Vermessen einer dreidimensionalen Werkstückkontur
bekannt, bei dem das Werkstück aus mindestens zwei Positionen
eines Bildaufnahmesystems aufgenommen und entsprechende Bildelemente
erhaltener Bilder als Bildinformationen erfasst werden, wobei aus
den Bildinformationen und den zugehörigen Positionsinformationen entsprechende
Entfernungsinformationen berechnet werden.
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Ferner
ist es bekannt, Werkstücke mittels sogenannter Laserbearbeitungswerkzeuge
mit ultrakurzen Laserpulsen zu bearbeiten. Bewährt haben
sich insbesondere sogenannte Laserscanner, bei denen ein Laserstrahl über
bewegliche optische Elemente dreidimensional im Raum bewegbar ist,
wobei die erzielbaren Abtragstiefen präzise über
die Pulsenergie des Lasers eingestellt werden. Mittlerweile sind
Abtragstiefen von weniger als 100 Nanometer realisierbar.
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Offenbarung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein alternatives, wirtschaftliches
Bearbeitungsverfahren für Werkstücke anzugeben.
Bevorzugt soll auf weitere Bearbeitungsprozesse, wie Entgraten,
Bürsten, Feinschleifen etc., verzichtet werden können.
Ferner besteht die Aufgabe darin, ein entsprechend optimiertes System
zur Werkstückbearbeitung anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs
1 und hinsichtlich des Systems mit den Merkmalen des Anspruchs 6
gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind
in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der Erfindung
fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in
der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den Figuren offenbarten
Merkmalen. Zur Vermeidung von Wiederholungen sollen verfahrensgemäß offenbarte
Merkmale als vorrichtungs-(system-)gemäß offenbart
gelten und beanspruchbar sein. Ebenso sollen vorrichtungs-(system-)gemäß offenbarte
Merkmale als verfahrensgemäß offenbart gelten
und beanspruchbar sein.
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Der
Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, ein Laserbearbeitungswerkzeug
zum Bearbeiten eines Werkstücks mit, insbesondere gepulster,
Laserstrahlung mit einer dreidimensionalen Ist-Werkstück-Kontur-Vermessung
(Topologievermessung) zu kombinieren, um mittels der Laserstrahlung
abzutragende Konterüberschüsse auf Basis eines Ist-Soll-Vergleichs
der Werkstückkontur zu ermitteln. Anders ausgedrückt
wird eine Ist-Werkstück-Kontur, vorzugsweise nach einem
vorangehenden konturgebenden Fertigungsprozess, wie Prägen,
Stanzen und/oder Bohren etc. vermessen, und die erhaltenen Ist-Daten
werden mit, beispielsweise aus einem CAD-Programm erhaltenen, Soll-Daten
verglichen, um somit eine Basis für eine Ansteuerung des
Laserbearbeitungswerkzeugs zu erhalten, mit dem die ermittelten
Konturüberschüsse, zumindest zum Teil, vor zugsweise
vollständig, abgetragen werden, mit dem Ziel, die Ist-Werkstück-Kontur
möglichst exakt an die Soll-Werkstück-Kontur anzugleichen.
Bevorzugt werden bei der Vermessung bzw. dem nachfolgenden Vergleich
sowohl die Position der Konturüberschüsse als
auch deren Außenmaße bestimmt. Der wesentliche
Vorteil eines nach dem Konzept der Erfindung ausgebildeten Verfahrens
bzw. eines entsprechenden Systems besteht in der Möglichkeit
zur wirtschaftlichen Endbearbeitung unterschiedlichster Geometrieformen
bei gleichzeitiger Erfüllung hoher Präzisionsanforderungen,
insbesondere von weniger als 0,02 mm mittels eines, vorzugsweise
einzigen, Prozesses. Es ist keine Aufteilung der Nachbearbeitung
in verschiedene Prozesse, wie Entgraten, Glätten, Prägen,
Feinschleifen, Bürsten etc., mehr notwendig. Ein besonderer
Vorteil des Einsatzes eines Laserbearbeitungswerkzeugs ist dabei
darin zu sehen, dass selbst gehärtete und ultraharte Materialien bearbeitbar
sind, welche bisher mit bekannten Methoden nur sehr schwer endbearbeitbar
waren.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass die
durch einen Ist-Soll-Vergleich ermittelten Konturüberschüsse
des Werkstücks durch Laserpulse, insbesondere ultrakurze
Laserpulse, abgetragen werden. Hierdurch sind höchste Genauigkeiten
im Hinblick auf die laterale Lage der Bearbeitungsposition sowie
der Abtragstiefe erzielbar.
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Grundsätzlich
ist es möglich, den eigentlichen konturgebenden Fertigungsprozess
mit demselben Laserbearbeitungswerkzeug durchzuführen, mit
dem auch die durch Ist-Soll-Vergleich zu ermittelnden Konturüberschüsse
abgetragen werden. Bevorzugt erfolgt der vorgelagerte konturgebende
Fertigungsprozess durch mindestens ein anderes Werkzeug, beispielsweise
durch Prägen, Stanzen, Bohren, Schleifen etc.
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Grundsätzlich
ist es möglich, die Vermessung der Ist-Werkstück-Kontur
und die Bearbeitung derselben mittels des Laserbearbeitungswerkzeuges,
also das Abtragen von Konturüberschüssen, zeitlich
und/oder räumlich zu trennen. Ganz besonders bevorzugt
ist dabei eine rein zeitliche Trennung der Verfahrensschritte, sodass
entweder keine Bewegung des Werkstücks von einer Vermessungsstation
bzw. -position zu einer Bearbeitungsstation bzw. -position notwendig
ist, oder eine Inline-Vermessung der Ist-Werkzeug-Kontur während
der Bearbeitung, d. h. während der Abtragung von Konturüberschüssen
mittels des Laserbearbeitungs- Werkzeugs. Im letzteren Fall wird
die Ist-Werkstück-Kontur quasi während der Bearbeitung,
d. h. während des Abtragens der Konturüberschüsse,
ermittelt, wodurch die Konturüberschussabtragung geregelt
erfolgen kann.
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Zur
dreidimensionalen Konturvermessung des Werkstücks gibt
es die unterschiedlichsten Möglichkeiten. So kann die Vermessung
taktil unter Einsatz von Messspitzen erfolgen. Bevorzugt ist es
jedoch, eine berührungslose Vermessung des Werkstücks
zu realisieren, beispielsweise durch ein aktives Vermessungsverfahren
unter Einsatz von Laserstrahlung, Ultraschall und/oder Radar. Weiterhin
ist es möglich, ein Vermessungsverfahren einzusetzen, das
die dreidimensionalen Informationen durch passive Messmethoden ermittelt.
Dabei existieren monokulare Techniken zur Rückgewinnung
von dreidimensionalen Informationen aus zweidimensionalen Vorlagen
sowie die Stereobildauswertung. Auch ist es möglich, Bilderfolgen
auszuwerten, um zu den Ist-Werkzeug-Kontur-Daten zu gelangen. Ganz
besonders bevorzugt ist es, wenn ein wie in der
DE 197 55 667 A1 beschriebenes
Messverfahren zur Anwendung kommt. Diesbezüglich soll die
vorgenannte Druckschrift als zur Offenbarung gehörig offenbart gelten.
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Die
Erfindung führt auch auf ein System zur dreidimensionalen
Bearbeitung eines Werkstücks, insbesondere zur Durchführung
eines zuvor beschriebenen Verfahrens. Das System zeichnet sich aus
durch mindestens ein Laserbearbeitungswerkzeug, also mindestens
eine Laserstrahlquelle, zum Aussenden eines, insbesondere gepulsten,
Bearbeitungslaserstrahls. Ferner umfasst das System, insbesondere
wie zuvor beschrieben ausgebildete, Messmittel zum Vermessen der
dreidimensionalen Ist-Werkstück-Kontur sowie signalleitend
mit den über eine entsprechende Sensorik verfügenden Messmitteln
verbundene Auswertemittel zum Vergleichen der Ist-Kontur-Daten mit,
insbesondere in einem Speicher abgelegten, Soll-Kontur-Daten. Als Vergleichsergebnis
resultieren Konturüberschüsse, die mittels des
Laserbearbeitungswerkzeugs abgetragen werden, wobei das Laserbearbeitungswerkzeug
mit Hilfe von Steuermitteln entsprechend angesteuert wird, um das
Werkstück, genauer die Konturüberschüsse,
an geeigneter Position mit geeigneter Intensität mit Laserstrahlung
zu beaufschlagen. Die Erfindung erlaubt es, die reale Kontur des
Werkstücks nach einem konturgebenden Fertigungsprozess
zu erfassen und gezielt jene Stellen am Werkstück abzutragen,
welche außerhalb von definierten Toleranzen liegen.
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Wie
in Zusammenhang mit dem Bearbeitungsverfahren beschrieben, gibt
es unterschiedliche Möglichkeiten zur Ausbildung der Messmittel.
Grundsätzlich können diese taktil oder berührungslos,
insbesondere passiv oder aktiv arbeitend, ausgebildet sein.
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Bevorzugt
sind die Messmittel derart ausgebildet, dass höchsten Genauigkeitsanforderungen genügt
wird. Bevorzugt können die Messmittel insbesondere Tiefeninformationen
im Nano- und/oder Mikrobereich erfassen.
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Ganz
besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform des Systems,
bei der das Laserbearbeitungswerkzeug als sogenannter Laserscanner
ausgebildet ist, um den Laserstrahl an die gewünschten Bearbeitungspositionen
zum Abtragen von Konturüberschüssen zu lenken.
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Ganz
besonders bevorzugt ist es, wenn der Vergleich zwischen Ist- und
Soll-Kontur mittels einer geeigneten Bildverarbeitungssoftware durchgeführt wird.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
sowie anhand der Zeichnung.
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Diese
zeigt in der einzigen
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1 eine
schematische Darstellung einer möglichen Ausführungsform
eines Systems zur dreidimensionalen Bearbeitung eines Werkstücks.
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In 1 ist
ein System 1 zum dreidimensionalen Bearbeiten eines Werkstücks 2 gezeigt.
Aus einem nicht dargestellten, vorgelagerten Formgebungsprozess
wird das in 1 links gezeigte Werkstück 2 erhalten.
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In
einem ersten Verfahrensschritt I wird das Werkstück 2 dreidimensional
vermessen, sodass eine Ist-Werkstück-Kontur 3 (Ist-Kontur-Daten)
erhalten wird. Diese werden über eine Signalleitung 4 von die
Vermessung durchführenden Messmitteln 5 an Auswertemittel 6 übergeben.
Diese vergleichen in einem zweiten Verfahrensschritt II die Ist-Werkstück-Kontur 3 (Ist-Kontur-Daten)
mit einer in einem Speicher der Auswertemittel 6 abgelegten
Soll-Werkstück-Kontur 7 (Soll-Kontur-Daten) auf
Basis eines Bildvergleichs unter Einsatz einer geeigneten Bildverarbeitungssoftware.
Die Soll-Werkstück-Kontur-Daten werden beispielsweise aus
einem CAD-Modell erhalten.
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Aus
dem Vergleich resultieren Konturüberschüsse 8 (Differenzdaten),
die an Steuermittel 9 über eine Signalleitung 10 gesendet
werden. Die Steuermittel 9 steuern in einem dritten Verfahrensschritt
III ein als Laserscanner ausgebildetes Laserbearbeitungswerkzeug 11 derart
an, dass ein gepulster Laserstrahl 12 in der jeweils notwendigen
Intensität auf die ermittelten Konturüberschüsse 8 (Konturüberschusspositionen)
des Werkstücks 2 gelenkt wird, um so die Konturüberschüsse 8 gezielt
abzutragen.
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Bei
dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel des Systems
sind der erste und der dritte Verfahrensschritt (I und III) zeitlich
sowie räumlich getrennt. Der Transport des Werkstücks 2 erfolgt
von einer Messposition 13 an eine Bearbeitungsposition 14 über
eine präzise Linearachse 15 (Linearantrieb, alternative
Verstellantriebe ebenfalls realisierbar).
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Alternativ
ist es möglich, das Werkstück 2 an einer
gemeinsamen Mess- und Bearbeitungsposition (nicht dargestellt) zu
vermessen und zu bearbeiten, wobei es hier grundsätzlich
zwei weitere Alternativen gibt. Gemäß einer ersten
Alternative ist die Vermessung der Ist-Kontur vollständig
vor der Bearbeitung mittels des Laserbearbeitungswerkzeugs 11 durchgeführt,
also zeitlich getrennt von der Bearbeitung bzw. von dem Abtragen
der Konturüberschüsse 8. Gemäß einer
zweiten Alternative erfolgt keine zeitliche Trennung von Vermessung
und Bearbeitung, wobei in diesem Fall die Ansteuermittel 9 bevorzugt
derart ausgebildet sind, dass die Bearbeitung mittels des Laserbearbeitungswerkzeugs 11 bzw.
das Abtragen von Konturüberschüssen 8 geregelt
in Abhängigkeit der von den Messmitteln 5 ermittelten
Regelgröße erfolgt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19755667
A1 [0003, 0011]