DE102011078173A1

DE102011078173A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Laserschneiden folierter Bleche

Info

Publication number: DE102011078173A1
Application number: DE102011078173A
Authority: DE
Inventors: Eberhard Wahl; Tobias Kaiser
Original assignee: Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Current assignee: Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Priority date: 2011-06-28
Filing date: 2011-06-28
Publication date: 2013-01-03
Anticipated expiration: 2031-06-29
Also published as: CN203956324U; WO2013000942A1; DE102011078173B4

Abstract

Bei einem Verfahren zum Laserschneiden eines mit einer Folie (3) versehenen Werkstücks (4) mittels eines Schneidlaserstrahls (13) mit einer Laserwellenlänge (λ) kleiner ca. 4 μm, insbesondere im Bereich von ca. 1 μm, wird erfindungsgemäß ein erster Laserstrahl (8) in einen ersten Faserkern (11) einer Doppelkernfaser (10) eingekoppelt und aus dem ersten Faserkern (11) als Schneidlaserstrahl (13) zum Schneiden des Werkstücks (4) ausgekoppelt, und ein zweiter Laserstrahl (9) wird in einen zweiten Faserkern (12) der Doppelkernfaser (10) eingekoppelt und aus dem zweiten Faserkern (12) als ein auf dem Werkstück (4) dem Schneidlaserstrahl (13) zumindest teilweise in Schneidrichtung (16) voreilender Verdampfungslaserstrahl (14) zum Verdampfen der Folie (3) ausgekoppelt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserschneiden eines mit einer Folie versehenen Werkstücks mittels eines Laserstrahls mit einer Laserwellenlänge kleiner ca. 4 μm, insbesondere im Bereich von ca. 1 μm, sowie eine zugehörige Laserschneidmaschine.
Beim Laserschneiden mit einem CO₂-Gaslaser, also mittels Laserstrahlung mit einer Laserwellenlänge von 10 μm, kann foliertes Blech direkt in einem Durchgang und mit guter Qualität geschnitten werden. Beim Laserschneiden mit einem Festkörperlaser (FKL), also mittels Laserstrahlung mit einer Laserwellenlänge von z. B. 1 μm, ergibt sich bei einem Schnitt ohne vorheriges Abdampfen der Folie jedoch eine sichtbare Qualitätsverschlechterung der Schnittkante, da die 1 μm Laserstrahlung in der Folie schlecht absorbiert wird und somit das Folienmaterial beim Schneiden nicht in einem Durchgang sofort verdampft, sondern sich noch negativ in den Schneidprozess einbringt. Deshalb muss beim FKL-Laserschneiden in einem ersten Schritt zuerst die Folie vom Blech abgedampft werden, bevor dann in einem zweiten Schritt das Blech geschnitten werden kann. Diese beiden Schritte vergrößern die Hauptzeit der FKL-Laserschneidmaschine.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das eingangs genannte Verfahren zum Laserschneiden von folierten Werkstücken, wie z. B. folierten Blechen, weiter zu vereinfachen und insbesondere die anfallende Hauptzeit zu reduzieren, sowie eine entsprechende Laserschneidmaschine anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein erster Laserstrahl in einen ersten Faserkern einer Doppelkernfaser eingekoppelt und aus dem ersten Faserkern als Schneidlaserstrahl zum Schneiden des Werkstücks ausgekoppelt wird und dass ein zweiter Laserstrahl in einen zweiten Faserkern der Doppelkernfaser eingekoppelt und aus dem zweiten Faserkern als ein auf dem Werkstück dem Schneidlaserstrahl zumindest teilweise in Schneidrichtung voreilender Verdampfungslaserstrahl zum Verdampfen der Folie ausgekoppelt wird. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Schneidlaserstrahl um den Laserstrahl eines Festkörperlasers, und zwar bevorzugt mit einer Wellenlänge im Bereich von ca. 0,2 bis ca. 4 μm, insbesondere von ca. 1 bis ca. 3 μm.
Erfindungsgemäß wird die Folie durch den voreilenden Verdampfungslaserstrahl verdampft und das dann folienfreie Werkstück durch den nacheilenden Schneidlaserstrahl geschnitten. Die Intensität des Verdampfungslaserstrahls ist dabei möglichst so gewählt, dass die Folie sicher abgedampft und das Werkstück dabei nicht beschädigt wird. Da der Verdampfungslaserstrahl nur zum Abdampfen der Folie dient, wirkt sich die dabei auftretende geringfügige Temperaturerhöhung des Werkstücks nicht schädlich für den nachfolgenden Laserschnitt aus. Ein auf das Werkstück gerichteter Schneidgasstrahl kann das beim Verdampfen entstandene Aerosol der abgedampften Folie sicher wegblasen. Erfindungsgemäß kann daher in einem Durchgang geschnitten werden und wird anders als bisher kein weiteres Schneidgas für einen zweiten Durchgang benötigt.
Vorzugsweise umgibt der zweite Faserkern den ersten Faserkern ringförmig, wobei idealerweise das den inneren Faserkern umgebende Cladding den äußeren Faserkern ausbilden kann. In einen solchen äußeren, z. B. konzentrischen Faserkern wird in geringerem Maße ebenfalls Laserlicht eingekoppelt. Dadurch bildet sich auf dem Werkstück um den Schneidfokuspunkt des eigentlichen Schneidlaserstrahls ein ringförmiger Verdampfungslaserstrahl mit geringerer Intensität aus, der mit seiner dem Schneidlaserstrahl jeweils voreilenden Laserstrahlflanke die Folie verdampft, wodurch der nacheilende Schneidlaserstrahl auf das nun folienfreie Werkstück trifft.
Der Verdampfungslaserstrahl kann die gleiche Wellenlänge oder eine andere Wellenlänge wie der Schneidlaserstrahl aufweisen, wobei im letzteren Fall die Wellenlänge des Verdampfungslaserstrahls optimal auf die Absorption der Folie abgestimmt werden kann. Bei gleicher Wellenlänge sollte der vorlaufende Verdampfungslaserstrahl gegenüber dem Schneidlaserstrahl eine geringere Leistungsdichte bei größerer Fläche aufweisen, um genügend Energie einzutragen, so dass die Folie verdampft wird. Die Leistungsdichte wird dabei so gewählt, dass das eigentliche Werkstück nicht geschädigt wird bzw. keine Folienbestandteile in das Werkstück eingebracht werden. Weiterhin kann der Verdampfungslaserstrahl aus dem ersten Laserstrahl erzeugt sein oder aber ein unabhängig vom ersten Laserstrahl erzeugter Laserstrahl sein.
Die Erfindung betrifft auch eine zugehörige Laserschneidmaschine mit einem Laser, insbesondere Festkörperlaser, zum Erzeugen eines ersten Laserstrahls mit einer Laserwellenlänge kleiner ca. 4 μm, insbesondere im Bereich von ca. 1 μm, und mit einer Doppelkernfaser, die einen ersten Faserkern, in den der erste Laserstrahl eingekoppelt und aus dem der Laserstrahl als Schneidlaserstrahl zum Schneiden des Werkstücks ausgekoppelt wird, und einen zweiten Faserkern aufweist, in den ein zweiter Laserstrahl eingekoppelt und aus dem der zweite Laserstrahl als ein auf dem Werkstück dem Schneidlaserstrahl zumindest teilweise in Schneidrichtung voreilender Verdampfungslaserstrahl zum Verdampfen der Folie ausgekoppelt wird.
Zum Erzeugen des Verdampfungslaserstrahls aus dem ersten Laserstrahl kann im Strahlengang des ersten Laserstrahls ein Strahlteiler vorgesehen sein.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, 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.
Es zeigen:
1 und 2 schematisch zwei Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Laserschneidmaschine zum Durchführen des erfindungsgemäßen Laserschneidverfahrens für folierte Bleche.
Die in 1 gezeigte Laserschneidmaschine 1 dient zum Laserschneiden eines folierten Blechs 2, also eines mit einer (Schutz)Folie 3 versehenen Blechs 4.
Die Laserschneidmaschine 1 umfasst einen Festkörperlaser 5, z. B. Neodym-, Ytterbium- oder Erbiumlaser, zum Erzeugen eines Laserstrahls 6 mit einer Laserwellenlänge λ im Bereich von ca. 1 μm. Der Laserstrahl 6 wird mittels eines Strahlteilers 7 in zwei Laserstrahlen 8, 9 mit der gleichen Laserwellenlänge λ, aber mit unterschiedlicher Intensität aufgeteilt. Der Laserstrahl 8 mit der höheren Intensität wird in den inneren Faserkern 11 einer Doppelkernfaser 10 eingekoppelt und aus dem inneren Faserkern 11 als Schneidlaserstrahl 13 ausgekoppelt. Der Laserstrahl 9 mit der geringeren Intensität wird in den den inneren Faserkern 11 ringförmig umgebenden äußeren Faserkern 12 der Doppelkernfaser 10 eingekoppelt und aus dem äußeren Faserkern 12 als ein den Schneidlaserstrahl 13 ringförmig umgebender Verdampfungslaserstrahl 14 ausgekoppelt. Wie gezeigt, kann der äußere Faserkern 12 durch das Cladding des inneren Faserkerns 11 gebildet sein.
Die Schneid- und Verdampfungslaserstrahlen 13, 14 werden in einem Laserschneidkopf 15 mithilfe einer Ablenkoptik (z. B. Scanneroptik) 16 auf das folierte Blech 2 abgelenkt und in Schneidrichtung 17 über das folierte Blech 2 bewegt. Dabei wird die Folie 3 durch die auf dem Blech 2 dem Schneidlaserstrahl 13 voreilende Flanke des Verdampfungslaserstrahls 14 verdampft, wie gestrichelt angedeutet ist, und das nun folienfreie Blech 4 wird durch den nacheilenden Schneidlaserstrahl 13 geschnitten. Die Intensität des Verdampfungslaserstrahls 14 ist so gewählt, dass die Folie 3 sicher abgedampft und das Blech 4 dabei nicht beschädigt wird. Da der Verdampfungslaserstrahl 14 nur zum Abdampfen der Folie 3 dient, wirkt sich die dabei auftretende geringfügige Temperaturerhöhung des Blechs 4 nicht schädlich für den nachfolgenden Laserschnitt aus. Ein auf das Blech 4 gerichteter Schneidgasstrahl (nicht gezeigt) bläst das beim Verdampfen entstandene Aerosol der abgedampften Folie 3 sicher vom Blech 4 weg.
Anders als in 1, wo der Verdampfungslaserstrahl 14 die gleiche Wellenlänge λ wie der Schneidlaserstrahl 13 hat, weisen bei der in 2 gezeigten Laserschneidmaschine 1 der Schneidlaserstrahl 13 und der Verdampfungslaserstrahl 14 unterschiedliche Wellenlängen λ₁, λ₂ auf. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird mittels eines ersten Festkörperlasers 5 ₁ ein erster Laserstrahl 8 mit der Wellenlänge λ₁ erzeugt und in den inneren Faserkern 11 der Doppelkernfaser 10 eingekoppelt und aus dem inneren Faserkern 11 als Schneidlaserstrahl 13 ausgekoppelt. Mittels eines zweiten Festkörperlasers 5 ₂ wird ein zweiter Laserstrahl 9 mit der auf die Absorption der Folie 3 optimierten Wellenlänge λ₂ erzeugt und in den äußeren Faserkern 12 der Doppelkernfaser 10 eingekoppelt und aus dem äußeren Faserkern 12 als Verdampfungslaserstrahl 14 ausgekoppelt.

Claims

Verfahren zum Laserschneiden eines mit einer Folie (3) versehenen Werkstücks (4) mittels eines Schneidlaserstrahls (13) mit einer Laserwellenlänge (λ; λ₁) kleiner ca. 4 μm, insbesondere im Bereich von ca. 1 μm, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Laserstrahl (8) in einen ersten Faserkern (11) einer Doppelkernfaser (10) eingekoppelt und aus dem ersten Faserkern (11) als Schneidlaserstrahl (13) zum Schneiden des Werkstücks (4) ausgekoppelt wird und dass ein zweiter Laserstrahl (9) in einen zweiten Faserkern (12) der Doppelkernfaser (10) eingekoppelt und aus dem zweiten Faserkern (12) als ein auf dem Werkstück (4) dem Schneidlaserstrahl (13) zumindest teilweise in Schneidrichtung (16) voreilender Verdampfungslaserstrahl (14) zum Verdampfen der Folie (3) ausgekoppelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Faserkern (12) den ersten Faserkern (11) ringförmig umgibt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Faserkern (12) durch das Cladding des ersten Faserkerns (11) gebildet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität des Verdampfungslaserstrahls (14) derart gewählt wird, dass das Werkstück (4) durch den Verdampfungslaserstrahl (14) nicht beschädigt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfungslaserstrahl (14) die gleiche Wellenlänge wie der Schneidlaserstrahl (13) aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfungslaserstrahl (14) eine andere Wellenlänge wie der Schneidlaserstrahl (13) aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Laserstrahl (8, 9) aus dem gleichen Laserstrahl (6) erzeugt werden.
Laserschneidmaschine (1) aufweisend: einen Laser (5; 5 ₁), insbesondere Festkörperlaser, zum Erzeugen eines ersten Laserstrahls (8) mit einer Laserwellenlänge kleiner ca. 4 μm, insbesondere im Bereich von ca. 1 μm, sowie eine Doppelkernfaser (10) mit einem ersten Faserkern (11), in den der erste Laserstrahl (8) eingekoppelt und aus dem der erste Laserstrahl (8) als Schneidlaserstrahl (13) zum Schneiden des Werkstücks (4) ausgekoppelt wird, und mit einem zweiten Faserkern (12), in den ein zweiter Laserstrahl (9) eingekoppelt und aus dem der zweite Laserstrahl (9) als ein auf dem Werkstück (4) dem Schneidlaserstrahl (13) zumindest teilweise in Schneidrichtung (17) voreilender Verdampfungslaserstrahl (14) zum Verdampfen der Folie (3) ausgekoppelt wird.
Laserschneidmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Faserkern (12) den ersten Faserkern (11) ringförmig umgibt.
Laserschneidmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Faserkern (12) durch das Cladding des ersten Faserkerns (11) gebildet ist.
Laserschneidmaschine nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfungslaserstrahl (14) die gleiche Wellenlänge wie der Schneidlaserstrahl (13) aufweist.
Laserschneidmaschine nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang des ersten Laserstrahls (8) eine Einrichtung (7) zum Erzeugen des zweiten Laserstrahls (9) vorgesehen ist.
Laserschneidvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfungslaserstrahl (14) eine andere Wellenlänge wie der Schneidlaserstrahl (13) aufweist.
Laserschneidmaschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Laser (5 ₂), insbesondere Festkörperlaser, zum Erzeugen des zweiten Laserstrahls (9) vorgesehen ist.