DE102009025260A1

DE102009025260A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Laser-Remote-Schneiden

Info

Publication number: DE102009025260A1
Application number: DE200910025260
Authority: DE
Inventors: Jürgen Scholz
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2009-06-17
Filing date: 2009-06-17
Publication date: 2010-12-30

Abstract

Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst eine Laserschneidvorrichtung mit einem Laser zum Erzeugen eines Laserstrahls, eine Steuereinrichtung zum Lenken des Laserstrahls auf ein Werkstück entlang einer Schnittstelle und eine Gaszuführeinrichtung mit zumindest einer Düse. Die Düse ist entweder mit Befestigungselementen versehen um auf einem Werkstück befestigt zu werden oder die Düse ist an einem Rahmen angeordnet, so dass sie benachbart zur Schnittlinie anordbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Laser-Remote-Schneiden.
In der noch nicht veröffentlichten DE 10 2007 062212 wird ein Werkstück mittels Laser Remote Schneiden bearbeitet. Dabei wird der Schnittbereich mit einer verfahrbaren Düse mit Schneidgas beaufschlagt. Die Düse ist in einer großen Höhe über dem Werkstück angeordnet, damit sie mit dem Laserstrahl bei der Bearbeitung nicht kollidiert. Der Gasstrahl der Düse soll dem Laserstrahl beim Laserschneiden folgen. Die Steuerung einer derartigen Düse ist aufgrund der hohen Geschwindigkeit des Laserstrahls sehr teuer und aufwändig. Zudem ist der Gasverbrauch sehr hoch, da die Düse in großem Abstand über dem Werkstück angeordnet ist. Somit muss viel Gas unter hohem Druck abgegeben werden, um überhaupt am Wirkort anzukommen.
Bei dieser Vorrichtung ist vorgesehen, mit der Düse einen Bearbeitungsbereich mit ca. 20 cm Durchmesser zu begasen. Das Schneiden erfolgt dann ausschließlich in diesem Bereich. Wenn dieser Bereich abgearbeitet ist, dann wird die Düse auf den nächsten Bearbeitungsbereich gelenkt, in dem dann geschnitten wird. Ein Nachfüh ren der Düse ist beim Laser-Remote-Schneiden aufgrund der hohen Geschwindigkeit des Lasers nicht möglich.
Aus der WO 2006/050043 A2 geht ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Punktschweißen nach der Laser-Remote-Methode hervor. Die Vorrichtung weist eine U-förmige Düse zum Aufbringen von Schneidgas auf, die in unmittelbarer Nähe eines Bearbeitungsbereichs ortsfest angeordnet ist. Die Düse wird z. B. durch Druck mittels eines hydraulischen Zylinders auf dem Werkstück gehalten. Der Gasaustritt ist in unmittelbarer Nähe des Bearbeitungsbereichs angeordnet. Die U-Form der Düse begrenzt den Bearbeitungsbereich.
Das Laser-Remote-Schweißen unterscheidet sich grundsätzlich von dem eingangs erläuterten Laser-Remote-Schneiden, dadurch, dass der Laser-Strahl wesentlich langsamer verfahren wird. Dies gilt insbesondere für das Verfahren nach der WO 2006/050043 A2 , bei dem Schweißpunkte geschweißt werden, wobei zum Schweißen eines jeden Schweißpunktes eine Düse entsprechend gesetzt werden muss.
In der DE 10 2006 021 622 A1 ist eine Vorrichtung beschrieben, um ein Werkstück beim Laserfügen nach der Laser-Remote-Methode bereichsweise zu begasen. Diese Vorrichtung weist zumindest zwei Schneidgasdüsen zum Zuführen von unterschiedlichen Schneidgasen auf. Ein zu bearbeitendes Werkstück wird in einer entsprechenden Wanne mit durch Trennwänden segmentierten Arbeitsbereichen angeordnet, um zwei verschiedene Fügearbeiten auszuführen. Dabei wird das Gas in der Wanne vorgehalten. Durch die Wanne bzw. deren Segmente ist ein Arbeitsbereich vorgegeben.
Bei Verwendung derartiger Wannen ist durch die Größe der Wanne der Bearbeitungsbereich beschränkt, da größere Werkstücke nicht bearbeitet werden können.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Laser-Remote-Schneiden bereit zu stellen, bei dem es möglich ist beliebige Schnittlinien kostengünstig zu bearbeiten.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Vorrichtung zum Laser-Remote-Schneiden vorgesehen ist. Die Vorrichtung umfasst eine Laserschneideinrichtung und eine Gaszuführeinrichtung zum Zuführen von Schneidgas mit zumindest einer Düse. Die Düse weist ein Befestigungselement zum Befestigen der Düse am Werkstück oder eine Haltestrebe zum Halten der Düse, die sich etwa parallel zum Werkstück erstreckt, auf, so dass die Düse benachbart zur Schnittlinie ortsfest anordbar ist.
Dadurch, dass die Düse mittels eines Befestigungselementes unmittelbar am Werkstück befestigbar ist, ist die gesamte Halterung der Düse relativ flach, so dass sie der Bewegung des Laserstrahls nicht im Weg steht.
Gleiches gilt, wenn die Düse mittels der etwa parallel zum Werkstück verlaufenden Haltestrebe gehalten wird.
Mit der Erfindung wird somit wenig Raum oberhalb des Werkstückes für die Düsen) und die entsprechenden Schneidgaszuführmittel (Schläuche, Befestigungselemente, Haltestreben, etc.) beansprucht. Insbesondere sind keine hochragenden Teile vorgesehen. Die Elemente zum Zuführen von Schneidgas befinden sich alle in einem Bereich von wenigen cm über der Oberfläche des Werkstückes. Dieser Bereich ist vorzugsweise nicht höher als 10 cm, insbesondere nicht höher als 8 cm bzw. nicht höher als 5 cm bzgl. der Oberfläche des Werkstückes.
Die Düse ist in unmittelbarer Nähe zur Schnittlinie angeordnet. Unmittelbare Nähe bedeutet einen Abstand von wenigen Zentimetern, insbesondere weniger als 10 cm, vorzugsweise weniger als 5 cm und insbesondere weniger als 3 cm.
Vorzugsweise wird das Schneidgas mit geringem Druck bzw. mit einer niedrigen Strömungsgeschwindigkeit ausgegeben. Da die Düse in unmittelbarer Nähe zur Schnittli nie angeordnet ist, genügt ein niedriger Druck, um die Schnittlinie zuverlässig mit Schneidgas abzudecken. Der niedrige Druck bewirkt einen geringen Schneidgasverbrauch.
Es ist möglich durch Vorsehen mehrerer Düsen beliebig lange und beliebig geformte Schnittlinien mit Schneidgas zu beaufschlagen.
Durch das Abdecken der Schnittlinien mit Schneidgas kann Sauerstoff aus der Luft von den Schnittlinien fern gehalten werden, was unkontrollierte Oxidationen verhindert. Genauso wird das Eindringen von Stickstoff in die Schnittkanten verhindert, was zu einer Aufnitrierung führen würde. Somit werden schädliche Reaktionen an den Schnittkanten verhindert.
Durch das Wegblasen des verdampfenden Metalls vom Schnittbereich durch die Düse wird auch verhindert, dass der beim Verdampfen des Metalls entstehende Rauch nach oben steigt und einen Teil der Laserstrahlung absorbiert oder streut.
Zudem ist die Vorrichtung aufgrund ihres einfachen Aufbaus kostengünstig und einfach ausgebildet.
Vorteilhafterweise ist ein Roboter vorgesehen, um eine oder mehrere Düsen auf einem zu bearbeitenden Werkstück entlang der Schnittlinie aufzubringen und nach der Bearbeitung zu entfernen. Auf diese Weise ist es möglich hintereinander schnell und flexibel verschiedene Schnittlinien an einem Werkstück und mehrere Werkstücke mit unterschiedlichen Schnittlinien automatisch zu bearbeiten.
Als Schneidgase werden Kohlendioxid (CO₂), Stickstoff (N2), Argon (Ar), Stickstoff (N2), Argon (Ar), Sauerstoff (O₂) und Wasserstoff (H2) oder deren Gemische verwendet. Mit diesen Gasen und Gasmischungen aus diesen Gasen ist eine besonders vorteilhafte Beeinflussung der Bearbeitungsstellen gegeben. So ist z. B. bei Verwendung von Sauerstoff oder sauerstoffhaltigen Gasen beim Schneiden von eisenhaltigen Werkstoffen ein zusätzlicher Energieeintrag in das Werkstück durch eine kontrollierte Oxidation gegeben.
Über die Befestigungselemente die z. B. als Magnete ausgebildet sind, ist die erfindungsgemäße Düse einfach, flexibel und schnell einsetzbar. Die Düsen können z. B. auf verschiedenen Werkstücke einfach entlang verschiedener Schnittverläufe angeordnet werden. Auch ein Saugnapf oder ein anderes lösbares Befestigungselement ist möglich.
Insbesondere erlaubt die Befestigung über Magnete eine hohe Variabilität bezüglich individueller bzw. verschiedener Schnittverläufe bei einem oder mehreren verschiedenen Werkstücken. Hierdurch ist es möglich, z. B. verschiedene Kleinserien hintereinander schnell und einfach zu bearbeiten, da die Düsen variabel an den verschiedensten Schnittverläufen anordbar sind.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Laser-Remote-Schneiden wird eine erfindungsgemäße Laserschneidvorrichtung verwendet. Dabei wird ein Werkstück entlang einer Schnittlinie geschnitten, wobei die eine Düse ortsfest benachbart zur Schnittlinie angeordnet und über die Düse die Schnittlinie mit Schneidgas beaufschlagt wird.
Durch das Beaufschlagen der Schnittlinie mit Schneidgas wird beim Schneiden verdampfendes Metall vom Schnittbereich weggeblasen.
Dadurch wird verhindert, dass der beim Verdampfen des Metalls entstehende Rauch nach oben steigt und einen Teil der Laserstrahlung absorbiert oder streut. Zudem wird das Eindringen von Sauerstoff verhindert, was zu ungewünschten Oxidationen führt. Genauso wird das Eindringen von Stickstoff verhindert, was zu einer Aufnitrierung führt. Somit werden schädliche Reaktionen im Bearbeitungsbereich bzw. an der Schnittkante verhindert.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Diese zeigen schematisch in:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Düse und einem Befestigungselement,
2 mehrere Düsenanordnungen an. einem Bauteil zur Darstellung eines horizontalen und eines vertikalen Schneidgasausgabewinkels,
3 ein zweites Ausführungsbeispiel der Düsen und der Befestigungselemente der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
4 ein drittes Ausführungsbeispiel der Düse und einer Haltestrebe der erfindungsgemäßen,
5 ein viertes Ausführungsbeispiel der Düsen und einer Haltestrebe der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
6 ein fünftes Ausführungsbeispiel der Düsen und der Befestigungselemente der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
7 ein sechstes Ausführungsbeispiel der Düsen und einer Haltestrebe bzw. eines Rahmens der erfindungsgemäßen Vorrichtung, und
8 ein siebtes Ausführungsbeispiel der Düsen und einer rohrförmig ausgebildeten Haltestrebe der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Eine Vorrichtung 1 zum Laser-Remote-Schneiden (1) weist eine Laserschneideinrichtung 20 zum Laser-Remote-Schneiden und eine Gaszuführeinrichtung 10 zum Zuführen von Schneidgas 15 auf.
Die Laserschneideinrichtung 20 zum Laser-Remote-Schneiden umfasst eine Steuereinrichtung 2, eine Laserstrahlquelle 3 zum Ausgeben eines Laserstrahls 4 und eine (dynamische) Scannereinrichtung 5, um den Laserstrahl 4 entlang einer zu schneidenden Schnittlinie 6 auf einer Werkstückoberfläche 7 eines Werkstücks 8 zu verfahren. Die Scannereinrichtung 5 ist bspw. als Strahlablenkeinrichtung ausgebildet und weist schnell beweg- und/oder verkippbare Spiegel (nicht dargestellt) zum Lenken des Laserstrahls 4 auf. Mit der Laser-Remote-Schneide-Vorrichtung 1 wird mittels der Laser-Remote-Methode ein Werkstück 8 geschnitten. Mittels der Steuereinrichtung 2 wird die gesamte Vorrichtung 1 gesteuert.
Die Laserstrahlquelle 3 umfasst vorzugsweise einen Faserlaser, einen Scheibenlaser (z. B. Er:YAG-Laser) oder einen anderen Festkörperlaser, deren Laserstrahl mittels Lichtleiter an die Strahlablenkeinrichtung 5 geführt werden kann. Es können jedoch auch Laser mit höherer Leistung, wie z. B. CO₂-Laser verwendet werden.
Vorzugsweise ist die Scannereinrichtung 5 an einem Roboterarm 9 angeordnet. Mittels des Roboterarms 9 ist die Scannereinrichtung 5 über das Werkstück 8 verfahrbar und dort ortsfest anordbar. Zudem ist die Scannereinrichtung mittels des Roboterarms von einem Berarbeitungsbereich 6 zum nächsten verfahrbar. Hierdurch kann ein großer Arbeitsbereich bearbeitet werden. Das zu bearbeitende Werkstück ist in der Regel ein Blech 8.
Alternativ kann die Scannereinrichtung 5 auch ortsfest angeordnet sein.
Die Scannereinrichtung 5 kann durch einen Roboterarm dargestellt werden. Hierbei wird die Laserstrahlquelle 3 vom Roboterarm gehalten. Der Laserstrahl 4 wird durch schnelles Verkippen des Roboterarms über die Werkstückoberfläche 7 bewegt. Bei einer derartigen Ausführungsform ist es zweckmäßig, die am Roboterarm angeordnete Laserstrahlquelle 3 mit großem Abstand zum Werkstück 8 anzuordnen, damit eine hohe Bearbeitungsgeschwindigkeit erzielt werden kann.
Die Scannereinrichtung 5 gemäß 1 ist in einem Abstand von in etwa 30 cm bis 300 cm, insbesondere in einem Abstand von in etwa 30 cm bis 120 cm, über dem Werkstück 8 angeordnet. Durch den Abstand zwischen der Scannereinrichtung 5 und dem Werkstück 8 bewirken kleine Auslenkungen in der Strahlablenkeinrichtung 5 große Wegstrecken am Werkstück 8. Aufgrund dieses Übersetzungsverhältnisses und der relativ kleinen bewegten Massen können hohe Bearbeitungsgeschwindigkeiten, auch bei komplizierten Schnittlinienverläufen 6, am Werkstück 8 erzielt werden.
Die Bearbeitungsgeschwindigkeit, d. h. die Geschwindigkeit mit der sich der Laserstrahl über die Werkstückoberfläche bewegt und dabei Material sublimiert oder verdampft, beträgt etwa 60 m/min bis 100 m/min und sogar bis zu 300 m/min. Der Laserstrahl 4 fährt dabei eine Schnittlinie 6 mehrmals hintereinander ab, wobei jeweils eine dünne Schicht geschmolzen und/oder verdampft wird. Dieses wiederholte Abfahren der Schnittlinie 6 erfolgt so schnell, dass aufgrund der thermodynamischen Verzögerungen am zu schneidenden Blech 8 das Blech entlang der gesamten Schnittlinie quasi-gleichzeitig geschnitten wird. Durch die Wechselwirkung des Laserstrahls 4 mit dem Werkstück 8 wird Material sublimiert, verdampft oder aufgeschmolzen und auf diese Weise kontinuierlich bis zur Materialtrennung abgetragen.
Bei dünnen Metallfolien 8 mit einer Dicke bis etwa 2/100 mm ist vorgesehen, dass der Laserstrahl 4 lediglich ein einziges Mal die Schnittlinie 6 abfährt.
Die Bearbeitungsgeschwindigkeit ist von der Dicke des Werkstücks und vom Energieeintrag des Laserstrahls 4 abhängig. Die Schnittgeschwindigkeit ergibt sich aus der Bearbeitungsgeschwindigkeit geteilt durch die Anzahl der Abfahrvorgänge bzw. der Wiederholungen wie oft der Laserstrahl die Schnittlinie abfährt.
Die Gaszuführeinrichtung 10 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zum Laser-Remote-Schneiden beaufschlagt die Werkstückoberfläche 7 entlang einer zu schneidenden Kontur bzw. Schnittlinie 6 mit Schneidgas 11.
Die Gaszuführeinrichtung 10 weist zumindest eine Düseneinrichtung 12 auf. Die Düseneinrichtung 12 ist mit einer Düse 16 versehen, die über eine Leitung 13 mit einer Gasquelle 14 verbunden ist. Die Gasquelle 14 ist zum Zuführen von Schneidgas 11, wie z. B. Stickstoff und/oder Kohlendioxid und/oder Argon ausgebildet. Vorzugsweise sind Schneidgase 11 vorgesehen die schwerer als Luft sind bzw. deren Gewicht ähnlich dem der Luft ist damit sie möglichst effektiv und lange in dem Bereich der Schnittlinie 6 verbleiben, wo der Laserstrahl 4 gerade schneidet.
Die Düseneinrichtung 12 umfasst die Düse 16 und ein Befestigungselement 17 bzw. eine Halterung.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel (1) ist das Befestigungselement 17 ein Magnet. Der Magnet 17 ist z. B. unterseitig an der Düse 16 angeordnet. Die Düse 16 ist in unmittelbarer Nähe zur Schnittlinie 6 des Werkstücks 8 angeordnet. Unmittelbare Nähe bedeutet einen Abstand von wenigen Zentimetern, insbesondere weniger als 10 cm, vorzugsweise weniger als 5 cm und insbesondere weniger als 3 cm. Mittels des Magneten 17 ist die Düseneinrichtung 12 einfach auf ein zu bearbeitendes magnetisches Werkstück 8 aufsetzbar und entfernbar. Falls das Werkstück 8 nicht magnetisch ist, wird es vorzugsweise auf einer magnetischen Unterlage (nicht dargestellt) angeordnet, so dass der Magnet 17 mit der magnetischen Unterlage zusammenwirkt. Eine bevorzugte Ausführungsform dieser Unterlage umfasst eine paramagnetische Platte mit einem darunter angeordneten Elektromagneten. Der Elektromagnet ist mittels der Steuereinrichtung 2 ein- und ausschaltbar. Im eingeschalteten Zustand besteht eine starke magnetische Kraft zwischen dem Magneten 17 und der vom Elektromagneten magnetisierten paramagnetischen Platte. Hierdurch wird nicht nur die Düse 16 auf dem Werkstück 8 gehalten, sondern auch das Werkstück 8 während des Betriebes auf der Unterlage fixiert. Dies gilt insbesondere, wenn mehrere Magnete bzw. mehrere Düsen 16 verwendet werden. Nach dem Bearbeitungsvorgang wird die Haltekraft durch Abschalten des Elektromagneten gelöst, womit sowohl die Düsen 16 als auch das in mehrere Teile getrennte Werkstück 8 einfach von der Unterlage abgehoben werden kann.
Das Befestigungselement 17 kann alternativ auch als Saugnapf oder als Klemmeinrichtung nach Art einer Schraubzwinge oder dergleichen ausgebildet sein. Der Saugnapf ist dann vorzugsweise aus einem temperaturbeständigen Material ausgebildet, um nicht durch das vom Laserstrahl 4 aufgewärmte Werkstück 8 beschädigt zu werden.
Dadurch, dass die Düse 16 mittels eines Befestigungselementes 17 unmittelbar am Werkstück befestigbar ist und dadurch dass das Befestigungselement 17 flach ausgebildet ist, weist die Düseneinrichtung 12 eine geringe Bauhöhe auf. Durch die geringe Bauhöhe der Düseneinrichtung 12 auf dem Werkstück 8 wird der Verfahrbereich des Laserstrahls 4 nicht eingeschränkt.
Durch die variablen Anordnungsmöglichkeiten der Düseneinrichtung 12 mittels des Befestigungselementes 17 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zum Laser-Remote-Schneiden sehr variabel, einfach und gezielt an die verschiedensten Schnittlinienverläufe 6 anpassbar. Zudem wird das Schneidgas 11 sehr gezielt an den Stellen aufgebracht, wo es benötigt wird.
Die Düseneinrichtung 12 ist in einem Abstand von 1 cm bis zu 30 cm und vorzugsweise von 3 cm bis zu 10 cm zur Schnittlinie 6 auf dem Werkstück 8 angeordnet. Dadurch wird der Verbrauch an Schneidgas 15 sehr gering gehalten.
Die Düse 16 gibt Schneidgas 15 entlang einer Schneidgasausgaberichtung 21 aus (2). Der Winkel zwischen der Werkstückoberfläche 7 und der Schneidgasausgaberichtung 21 wird als vertikaler Schneidgasausgabewinkel 22 bezeichnet. Der Winkel zwischen der Schnittlinie 6 auf der Werkstückoberfläche 7 und der in die Tangentialebene der Oberfläche projizierten Schneidgasausgaberichtung 21 wird als horizontaler Schneidgasausgabewinkel 23 bezeichnet.
Im folgenden wird die Einstellung unterschiedlicher horizontaler und vertikaler Schneidgasausgabewinkel 22, 23 erläutert.
Wird ein kleiner horizontaler Schneidgasausgabewinkel 23 im Bereich von z. B. 0° bis 30° gewählt, wird eine geradlinige Schnittlinie 6 über einen langgestreckten Bereich mit Schneidgas beaufschlagt.
Wird ein großer horizontaler Schneidgasausgabewinkel 23 im Bereich von z. B. 75° bis 90° angelegt, kreuzt der Schneidgasstrahl die Schnittlinie 6, wodurch die Schnittlinie lediglich in einer Länge mit Schneidgas beaufschlagt wird, die etwa der Breite des Schneidgasstrahls entspricht. Bei dieser Anordnung der Düse wird sehr effizient Dampf von der Schnittlinie 6 weggeblasen.
Je größer der Druck des Schneidgases 11 im Bereich der Schnittlinie eingestellt wird, desto effektiver wird verdampfendes Metall vom Schnittbereich weggeblasen.
Die Einstellung des horizontalen Schneidgasausgabewinkels 23 und des Drucks sind somit im Hinblick auf einem minimalen Schneidgasverbrauch, einer möglichst großen Abdeckung der Schnittlinie 6 mit möglichst wenig Düsen 16 und einem effizienten Wegblasen des erzeugten Dampfes abzustimmen. Es hat sich herausgestellt, dass bei langgestreckten Schnittlinien 6 horizontale Schneidgasausgabewinkel 23 im Bereich von 10° bis 50° und vorzugsweise 20° bis 45° am wirkungsvollsten sind.
Der vertikale Schneidgasausgabewinkel kann zwischen 0° und 90° gewählt werden. Im Bereich zwischen 0° und 45° wird das verdampfende Metall von der Schnittlinie 8 effizient weggeblasen. Im Bereich zwischen 45° und 90° wird der Schneidgasstrahl in die beim Schneiden erzeugte Kerbe im Werkstück geblasen, wodurch eine bessere Tiefenwirkung erzielt wird und die Schmelze effizient ausgetrieben wird. Bei dickeren Werkstücken ist ein größerer vertikaler Schneidgasausgabewinkel als bei dünneren Werkstücken empfehlenswert.
Durch das Wegblasen des verdampfenden Metalls vom Schnittbereich bzw. der Schnittlinie 6 durch die Düse 16 wird verhindert, dass der beim Verdampfen des Metalls entstehende Rauch nach oben steigt und einen Teil der Laserstrahlung 4 absorbiert oder streut. Zudem wird das Eindringen von Luft verhindert, was zu ungewünschten Oxidationen führt. Genauso wird das Eindringen von Stickstoff verhindert, was zu einer Aufnitrierung führt. Somit werden schädliche Reaktionen an der Schnittlinie 6, insbesondere an der Schnittkante, verhindert.
Das Schneidgas 15 wird mittels der Düse 16 mit einem Druck von 1 bar bis 6 bar und vorzugsweise von 1 bar bis 4 bar ausgegeben, wodurch sich ein sehr geringer Schneidgasverbrauch ergibt und eine Bearbeitungsstelle der Schnittlinie 6 dennoch ausreichend mit Schneidgas 15 versorgt wird. Ein Druck von 1 bar bis 6 bar und vorzugsweise von 1 bar bis 4 bar ist insbesondere bei einem flachen vertikalen Schneidgasausgabewinkel von 0° bis 45° vorgesehen, wenn das Schneidgas als Schutzgas wirkt, um Sauerstoff und/oder Stickstoff von der Schnittkante fernzuhalten. Aufgrund des geringen Drucks beeinflusst das Schneidgas 15 die Schneidwirkung des Laserstrahls 4 nicht negativ. Kurzzeitig kann auch ein Maximaldruck von 20 bis 25 bar vorgesehen sein, um effektiv die Schmelze aus der Schnittfuge auszutreiben. Hierbei ist dann ein steiler vertikaler Schutzgasausgabewinkel zwischen 30° und 90° vorgesehen.
Die im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele weisen, sofern nichts anderes beschrieben ist, die im ersten Ausführungsbeispiel beschriebenen Merkmale auf.
In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 (3) zum Laser-Remote-Schneiden sind mehrere Düseneinrichtungen 12 vorgesehen. Durch Vorsehen mehrerer Düseneinrichtungen 12 sind nahezu beliebige Schnittlinien und/oder mehrere Schnittlinien 6, 6', 6'', usw. mit Gas beaufschlagbar.
Die Düseneinrichtungen 12 sind entlang einer Schnittlinie 6 eines Werkstücks 8 anordbar. Auf diese Weise ist es möglich auch längere Schnittlinien 6 ausreichend mit Schneidgas zu beaufschlagen. Hierbei ist vorgesehen die Düseneinrichtungen 12 über die Steuereinrichtung 2 gleichzeitig zu schalten, da aufgrund der hohen Bearbeitungsgeschwindigkeit und der wiederholten Bewegung des Laserstrahls über die Schnittlinie die gesamte Schnittlinie 6 gleichzeitig begast werden muss.
Für die beiden Ausführungsformen gemäß 1 und 3 kann der Roboterarm 9 mit einem Greifer 18 versehen sein, um die Düseneinrichtungen 12 vordem Schneidvorgang auf der Werkstückoberfläche 7 anzuordnen und sie nach dem Schneidvorgang wieder zu entfern
In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 (4) zum Laser-Remote-Schneiden weist die Düseneinrichtung 12 statt des Befestigungselements eine Haltestrebe 25 auf. Die Haltestrebe 25 ist außerhalb eines Bearbeitungsbereiches an einem Rahmen 26 fixiert. Die Verbindung zwischen der Haltestrebe 25 und dem Rahmen 26 ist lösbar und im Winkel verstellbar, so dass die Düse 16 an beliebigen Positionen mit beliebigen Richtungen im Bearbeitungsbereich angeordnet werden kann.
An einem Ende der Haltestrebe 25 ist die Düse 16 angeordnet. Die Haltestrebe 25 erstreckt sich in etwa parallel zur Werkstückoberfläche 7. Dadurch, dass sich die Düse 16 in etwa parallel zur Werkstückoberfläche 7 erstreckt ist die Bauhöhe bzgl. der Werkstückoberfläche sehr gering.
In einer weiteren Ausführungsform sind mehrere Düsen an einer Haltestrebe angeordnet (5).
Bei großen Schnittbereichen und/oder komplexen Schnittlinien 6 können auch mehrere Haltestreben 25 vorgesehen sein. Die Haltestreben 25 sind derart angeordnet, dass sie die Schnittlinie 6 nicht kreuzen.
Eine Gruppe von Düsen 16 kann auch an einer abgewinkelten und/oder gekrümmten und/oder ringförmigen Haltestrebe 25 angeordnet sein (7), um eine z. B. runde, quadratische oder beliebig ausgebildete Schnittlinie vollständig mit Schneidgas zu beaufschlagen. Diese Gruppe von Haltestreben 25 wird als Einheit an oder über dem Werkstück angeordnet und an einem Rahmen 26 oder direkt am Werkstück 8 befestigt. Eine derartige Düsengruppe macht insbesondere bei einer automatisierten Herstellung größerer Stückzahlen Sinn.
Es kann auch eine variable bzw. in ihrer Form veränderliche Haltestrebe 25 vorgesehen sein, die individuell auf das jeweilige zu schneidende Werkstück anpassbar ist. Die Haltestrebe 25 kann z. B. aus Steckelementen oder anderen variabel verbindbaren Teilen ausgebildet sein. Die Haltestrebe 25 ist auf ein Werkstück 8 aufsetzbar oder darüber anordbar und die Düsen 16 sind entsprechend auf der Haltestrebe 25 angeordnet um sämtliche Schnittlinien 6, die auf dem Werkstück 8 erzeugt werden sollen, mit Schneidgas 11 zu beaufschlagen. Über feste oder lösbare Verbindungselement, wie z. B. Schnellverschlüsse oder dergleichen, ist es möglich die Düsen 16 entsprechend auf der Haltestrebe 25 zu fixieren.
Bei einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Haltestrebe 25 bzw. der Rahmen 26 als Rohr ausgebildet (8). Auf diese Weise kann die an der Haltestrebe angeordnete Düse 16 bzw. Düsen durch den Hohlraum des Rohres mit Schneidgas 11 versorgt werden.
Der Roboterarm kann auch eine mit der Steuereinrichtung 2 verbundene Kamera (nicht dargestellt) aufweisen, um Werkstücke 8 und/oder Schnittlinien 6 und/oder eine korrekte Anordnung der Düse/n 16 eigenständig zu detektieren und um den gesamten Bearbeitungsvorgang somit vollautomatisch selbstständig auszuführen.
Für alle eben beschriebenen Ausführungsformen ist vorgesehen, dass der Abstand zwischen der bzw. den Düsen und der bzw. den Schnittlinien zwischen 1 cm und maximal 30 cm beträgt, um lediglich dort Gas aufzutragen wo das Werkstück bearbeitet wird.
Im Folgenden wird das Verfahren zur Benutzung der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Laserschneiden ist vorzugsweise zum bearbeiten von Folien mit einer Materialstärke von bis zu 0,05 mm und von Blechen mit einer Materialstärke bis zu 6 mm, insbesondere von 0,5 mm bis 2 mm vorgesehen. Grundsätzlich können aber auch Werkstücke beliebiger Dicke mit dem erfindungsgemäßen Verfahren geschnitten werden.
Die Düse 16 der erfindungsgemäßen Gaszuführeinrichtung 12 wird unmittelbar neben der Schnittlinie auf dem Werkstück ortsfest angeordnet. Wenn die Düse mit einem horizontalen Schneidgasausgabewinkel von 0° bis 50° und vorzugsweise von 10° bis 50° und insbesondere von 20° bis 45° bzgl. der Schnittlinie angeordnet ist, beträgt der Abstand zur Schnittlinie maximal 20 cm und vorzugsweise 3 cm bis 10 cm. Wenn die Düse mit einem horizontalen Schneidgasausgabewinkel von 45° bis 90° und vorzugsweise von 10° bis 50° und insbesondere von 55° bis 75° bzgl. der Schnittlinie angeordnet ist, beträgt der Abstand zur Schnittlinie maximal 50 cm und vorzugsweise ≤ 40 cm und insbesondere ≤ 30 cm. Vorzugsweise wird die Düse aber so nah wie möglich neben der Schnittlinie angeordnet, um den Schneidgasverbrauch möglichst gering zu halten.
Über die Gasquelle 14 wird die Düse 16 mit Schneidgas 11 versorgt. Das Schneidgas 11 wird über die Düse im Bereich der Schnittlinie auf die Werkstückoberfläche aufgebracht. Da in der Regel ein Gas, das schwerer als Luft ist verwendet wird, wird das Gas mit einem geringen Druck von 1 bar bis 6 bar ausgegeben und verbleibt auf diese Weise an der Schnittlinie 6 in dem Bereich in dem das Werkstück 8 geschnitten wird.
Ist eine längere Schnittlinie 6 zu erzeugen werden mehrere Düsen 16 entlang der Schnittlinie angeordnet, um die Schnittlinie ausreichend mit Gas zu versorgen. Die Werkstückoberfläche wird so während des Schneidvorgangs permanent mit Gas beaufschlagt.
Hierbei ist insbesondere vorgesehen, die Düsen 16 mittels eines am Roboterarms 9 angeordneten Greifers auf der Werkstückoberfläche 8 anzuordnen.
Durch Bewegen der Scannereinrichtung 5 bzw. Verkippen der Spiegel fährt der Laserstrahl 4 je nach Werkstückdicke die Schnittlinie mehrmals hintereinander ab und durchtrennt auf diese Weise da Werkstück 8.
Die Scannereinrichtung 5 wird vom Roboterarm 9 von einem Bearbeitungsbereich bzw. von einer Schnittlinie 6 zum nächsten Bearbeitungsbereich und/oder von einem Bauteil zum nächsten Bauteil verfahren.
Nach dem der Schnitt ausgeführt wurde kann sofort ein weiteres Werkstück 8 mit dem gleichen oder einem anderen Schnittlinienverlauf bearbeitet werden, da die Düsen 16 mittels des Roboterarms 9 beliebig bzw. entsprechend der Programmierung entlang eines beliebigen Schnittverlaufs 6 angeordnet werden können.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 ist durch die variable Anordnung und Ansteuerung der Düse/n 16 besonders flexibel, variabel und einfach einsetzbar.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird die Düseneinrichtung der Gaszuführeinrichtung mittels des Roboterarms an der Schnittlinie eines Werkstücks angeordnet und mit der Befestigungseinrichtung auf der Werkstückoberfläche fixiert. Anschließend wird die Schnittlinie mit Schneidgas beaufschlagt. Danach wird der Schneidvorgang ausgeführt. Die Düsen können dann mittels des Roboterarms zu einer weiteren Schnittlinie umgesetzt werden und der Vorgang wird wiederholt.

1: Vorrichtung zum Laser-Remote-Schneiden
2: Steuereinrichtung
3: Laserstrahlquelle
4: Laserstrahl
5: Scannereinrichtung
6: Schnittlinie
7: Werkstückoberfläche
8: Werkstück
9: Roboterarm
10: Gaszuführeinrichtung
11: Schneidgas
12: Düseneinrichtung
13: Leitung
14: Gasquelle
15: Schneidgas
16: Düse
17: Befestigungselement
18: Greifer
19
20: Laserschneideinrichtung
21: Schneidgasausgaberichtung
22: vertikaler Schneidgasausgabewinkel
23: horizontaler Schneidgasausgabewinkel
24
25: Haltestrebe
26: Rahmen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102007062212 [0002]
- WO 2006/050043 A2 [0004, 0005]
- DE 102006021622 A1 [0006]

Claims

Vorrichtung zum Laser-Remote-Schneiden mit einer Laserschneideinrichtung (20) zum Laser-Remote-Schneiden und einer Gaszuführeinrichtung (10) zum Zuführen von Schneidgas mit zumindest einer Düse (16), dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (16) entweder mit einem Befestigungselement (17) zum Befestigen der Düse (16) am Werkstück (8) oder mittels einer Haltestrebe (25, 26), die sich etwa parallel zum Werkstück (8) erstreckt, gehalten wird, so dass die Düse (16) benachbart zur Schnittlinie (6) ortsfest anordbar ist.
Laserschneidvorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (16) und das Befestigungselement (17) oder die Düse (16) und die Haltesrebe (25, 26) eine maximale Bauhöhe von 10 cm, insbesondere 8 cm und vorzugsweise von 5 cm bzgl. der Oberfläche des Werkstücks (7) aufweisen.
Laserschneidvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement (17) als Magnet ausgebildet ist.
Laserschneidvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement (17) ein Saugnapf ist.
Laserschneidvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Düsen (16) vorgesehen sind.
Laserschneidvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (16) mit einem horizontalen Schneidgasausgabewinkel (23) von 0° bis 50° und vorzugsweise von 10° bis 50° und insbesondere von 20° bis 45° bzgl. der Schnittlinie (6) angeordnet ist, wobei der Abstand zur Schnittlinie (6) maximal 20 cm und vorzugsweise 3 cm bis 10 cm beträgt.
Laserschneidvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse mit einem vertikalen Schneidgasausgabewinkel (22) von 45° bis 90° und vorzugsweise von 10° bis 50° und insbesondere von 55° bis 75° bzgl. der Schnittlinie angeordnet ist wobei der Abstand zur Schnittlinie (6) maximal 50 cm und vorzugsweise ≤ 40 cm und insbesondere ≤ 30 cm beträgt.
Verfahren zum Laser-Remote-Schneiden, wobei eine Laserschneidvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 verwendet wird und ein Werkstück (8) entlang einer Schnittlinie (6) geschnitten wird, wobei die eine Düse (16) ortsfest benachbart zur Schnittlinie (6) angeordnet wird und durch die Düse (16) der Schnittlinie (6) Schneidgas zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Schneidgas Kohlendioxid (CO₂), Stickstoff (N2), Argon (Ar), Stickstoff (N2), Argon (Ar), Sauerstoff (O₂) und Wasserstoff (H2) oder deren Gemische verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Laserschneideinrichtung (20) einen Laserstrahl (4) ausgibt der mit einer Bearbeitungsgeschwindigkeit von 50 m/min bis zu 150 m/min und vorzugsweise mit 100 m/min über eine Werkstückoberfläche (7) bewegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass Bleche (8) mit einer Dicke von bis zu 6 mm, und vorzugsweise von 0,5 mm bis 2 mm bearbeitet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (16) mittels eines Roboterarms (9) auf dem Werkstück angeordnet und/oder ausgerichtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck mit dem das Schneidgas ausgegeben wird 1 bar bis 6 bar und vorzugsweise 1 bar bis 4 bar beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck mit dem das Schneidgas ausgegeben wird während des Bestrahlens mit Laserlicht auf über 6 bar bis maximal etwa 25 bar erhöht wird.