DE102012111797B4

DE102012111797B4 - Bearbeitungseinrichtung für ein Werkstück

Info

Publication number: DE102012111797B4
Application number: DE102012111797.7A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Caliebe; Jens Gäbelein
Original assignee: LVS-CAPITAL GmbH
Current assignee: LVS-CAPITAL GmbH
Priority date: 2012-12-05
Filing date: 2012-12-05
Publication date: 2017-04-20
Anticipated expiration: 2032-12-06
Also published as: DE102012111797A1

Abstract

Bearbeitungseinrichtung für ein Werkstück (2), – wobei die Bearbeitungseinrichtung einen Werkstückhalter (1) aufweist, in den das Werkstück (2) einspannbar ist, – wobei die Bearbeitungseinrichtung eine erste Laservorrichtung (3) aufweist, mittels derer ein in einem Wasserstrahl (5) geführter erster Laserstrahl (4) emittierbar ist, mittels dessen von dem Werkstück (2) Material abtragbar ist, – wobei die Bearbeitungseinrichtung eine Antriebseinrichtung (6) aufweist, mittels derer die erste Laservorrichtung (3) relativ zum Werkstückhalter (1) zumindest in einer zum Wasserstrahl (5) orthogonalen Ebene positionierbar ist, – wobei die Bearbeitungseinrichtung eine Steuereinrichtung (7) aufweist, – wobei die Steuereinrichtung (7) derart ausgebildet ist, dass sie – die Antriebseinrichtung (6) derart ansteuert, dass die erste Laservorrichtung (3) relativ zum Werkstückhalter (1) zumindest in der zum Wasserstrahl (5) orthogonalen Ebene nacheinander an verschiedenen Positionen (P) positioniert wird, – an der jeweiligen Position (P) jeweils die erste Laservorrichtung (3) ansteuert, so dass die erste Laservorrichtung (3) den ersten Laserstrahl (4) auf das im Werkstückhalter (1) eingespannte Werkstück (2) emittiert, – an der jeweiligen Position (P) während des Emittierens des ersten Laserstrahls (4) eine akustische und/oder mechanische Schwingungen generierende Strahllängenbeeinflussungseinrichtung (9) derart ansteuert, dass die Strahllängenbeeinflussungseinrichtung (9) den Wasserstrahl (5) mit einer Schwingung beaufschlagt, die eine Arbeitsfrequenz (f) aufweist, und dadurch eine Strahllänge (1) des Wasserstrahls (5) maximal so groß wie eine jeweilige erste Bearbeitungstiefe (T1) eingestellt wird, und – die erste Laservorrichtung (3) mit der Arbeitsfrequenz (f) gepulst betreibt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bearbeitungseinrichtung für ein Werkstück,

– wobei die Bearbeitungseinrichtung einen Werkstückhalter aufweist, in den das Werkstück einspannbar ist,
– wobei die Bearbeitungseinrichtung eine erste Laservorrichtung aufweist, mittels derer ein in einem Wasserstrahl geführter erster Laserstrahl emittierbar ist, mittels dessen von dem Werkstück Material abtragbar ist,
– wobei die Bearbeitungseinrichtung eine Antriebseinrichtung aufweist, mittels derer die erste Laservorrichtung relativ zum Werkstückhalter zumindest in einer zum Wasserstrahl orthogonalen Ebene positionierbar ist,
– wobei die Bearbeitungseinrichtung eine Steuereinrichtung aufweist,
– wobei die Steuereinrichtung derart ausgebildet ist, dass sie
– die Antriebseinrichtung derart ansteuert, dass die erste Laservorrichtung relativ zum Werkstückhalter zumindest in der zum Wasserstrahl orthogonalen Ebene nacheinander an verschiedenen Positionen positioniert wird, und
– an der jeweiligen Position jeweils die erste Laservorrichtung ansteuert, so dass die erste Laservorrichtung den ersten Laserstrahl auf das im Werkstückhalter eingespannte Werkstück emittiert.

Eine derartige Bearbeitungseinrichtung ist beispielsweise aus der EP 0 762 947 B1 bekannt. Bei der bekannten Bearbeitungseinrichtung können – beispielsweise mittels eines Piezoelements – Druckstöße einer vorgegebenen Frequenz und Amplitude auf das den ersten Laserstrahl führende Wasser ausgeübt und dadurch die Länge des Wasserstrahls eingestellt werden. Durch die Einstellung der Strahllänge des Wasserstrahls ist eine Obergrenze für die Bearbeitungstiefe festgelegt. Aus der EP 0 762 947 B1 geht nicht hervor, ob die Ansteuerparameter des Piezoelements von der Steuereinrichtung selbsttätig ermittelt werden oder nicht und ob die Ansteuerparameter des Piezoelements während der Bearbeitung des Werkstücks statisch sind oder dynamisch variiert werden.
Bei Bearbeitung eines Werkstücks mit einem Laser ist durch die Betriebsparameter der Bearbeitungseinrichtung als solche – d. h. ohne Berücksichtigung einer Anfangskontur des Werkstücks – in der Regel nur der Materialabtrag definiert, d. h. dass durch die Betriebsparameter festgelegt wird, wieviel Material vom Werkstück abgetragen wird. Hingegen ist durch die Betriebsparameter der Bearbeitungseinrichtung als solche nicht festgelegt, welche Endkontur des Werkstücks erreicht wird. Abweichungen der Anfangskontur des Werkstücks von der im Rahmen der Ermittlung der Betriebsparameter der Bearbeitungseinrichtung angenommenen Kontur des Werkstücks führen daher zu Abweichungen der Endkontur des Werkstücks von einer Sollkontur des Werkstücks, die das Werkstück nach der Bearbeitung aufweisen soll.
Aus der DE 10 2009 000 321 A1 ist eine Bearbeitungseinrichtung für ein Werkstück bekannt,

– wobei die Bearbeitungseinrichtung einen Werkstückhalter aufweist, in den das Werkstück einspannbar ist,
– wobei die Bearbeitungseinrichtung eine Laservorrichtung aufweist, mittels derer ein Laserstrahl emittierbar ist, mittels dessen von dem Werkstück Material abtragbar ist,
– wobei die Bearbeitungseinrichtung eine Ablenkeinrichtung aufweist, mittels derer der Laserstrahl ablenkbar ist, so dass er nach Bedarf auf dem Werkstück positionierbar ist,
– wobei die Bearbeitungseinrichtung eine Steuereinrichtung aufweist,
– wobei die Steuereinrichtung derart ausgebildet ist, dass sie
– den Laserstrahl auf dem Werkstück nacheinander an verschiedenen Positionen positioniert,
– für die jeweilige Position anhand einer der Steuereinrichtung vorgegebenen Sollkontur des Werkstücks und einer der Steuereinrichtung vorgegebenen Anfangskontur des Werkstücks eine jeweilige Bearbeitungstiefe ermittelt,
– an der jeweiligen Position jeweils die Laservorrichtung derart ansteuert, dass die Laservorrichtung den Laserstrahl auf die jeweilige Position des im Werkstückhalter eingespannten Werkstücks emittiert, und
– für die jeweilige Position Parameter des Laserstrahls wie beispielsweise Dauer und/oder Intensität derart einstellt, dass an der jeweiligen Position die jeweilige Bearbeitungstiefe an Material vom Werkstück abgetragen wird.

Bei der DE 10 2009 000 321 A1 erfolgt somit eine entsprechende Ansteuerung der Laservorrichtung selbst in Abhängigkeit von der Abweichung der zuvor erfassten Istkontur von der Sollkontur. Die Positionierung des Laserstrahls auf dem Werkstück erfolgt bei der DE 10 2009 000 321 A1 mittels Ablenkspiegeln. Es wird also nicht die Laservorrichtung als solche positioniert, sondern nur der Laserstrahl entsprechend abgelenkt.
Bei der DE 10 2009 000 321 A1 erfolgt durch den Laserstrahl an der jeweiligen Position ein lokaler Energieeintrag in das Werkstück, d. h. das Werkstück wird lokal erwärmt. Die Erwärmung kann dazu führen, dass in das Werkstück mechanische Spannungen eingebracht werden, die zu Verformungen und Verwerfungen des Werkstücks führen. In der Praxis kann es daher geschehen, dass die Endkontur des Werkstücks – also die Kontur des Werkstücks nach der Bearbeitung mittels der Laservorrichtung – von der Sollkontur abweicht, obwohl die Parameter des Laserstrahls von der Steuereinrichtung anhand der Abweichung der Anfangskontur von der Sollkontur ermittelt wurden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Bearbeitungsvorrichtung für ein Werkstück zu schaffen, mittels dessen auf einfache, schnelle und zuverlässige Weise eine gewünschte Sollkontur des Werkstücks erreicht werden kann.
Die Aufgabe wird durch eine Bearbeitungseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Bearbeitungseinrichtung sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 13 beschrieben.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, bei einer Bearbeitungseinrichtung der eingangs genannten Art die Steuereinrichtung derart auszugestalten, dass sie

– an der jeweiligen Position während des Emittierens des ersten Laserstrahls eine akustische und/oder mechanische Schwingungen generierende Strahllängenbeeinflussungseinrichtung derart ansteuert, dass die Strahllängenbeeinflussungseinrichtung den Wasserstrahl mit einer Schwingung beaufschlagt, die eine Arbeitsfrequenz aufweist, und dadurch eine Strahllänge des Wasserstrahls maximal so groß wie eine jeweilige erste Bearbeitungstiefe eingestellt wird, und
– die erste Laservorrichtung mit der Arbeitsfrequenz gepulst betreibt.

Die Steuereinrichtung pulst also den ersten Laserstrahl mit der selben Frequenz, mit welcher auch die Schwingung oszilliert. Diese Vorgehensweise führt zu einer besonders genauen Einstellung der ersten Bearbeitungstiefe.
Durch das Einstellen der Strahllänge des Wasserstrahls kann auf einfache Weise gewährleistet werden, dass eine bestimmte Bearbeitungstiefe (die jeweilige erste Bearbeitungstiefe) nicht überschritten wird. Durch den Wasserstrahl als solchen erfolgt weiterhin jeweils lokal genau an der Stelle, an welcher der erste Laserstrahl thermische Energie in das Werkstück einbringt, eine intensive Kühlung, so das die Gefahr von thermischen Spannungen und dadurch bewirkten Verwerfungen und Verformungen des Werkstücks deutlich reduziert ist.
Diese Vorgehensweise kann dadurch noch weiter verbessert werden, dass die Steuereinrichtung die Ansteuerung der Strahllängenbeeinflussungseinrichtung und der ersten Laservorrichtung derart koordiniert, dass Pulszeiten, während derer der erste Laserstrahl emittiert wird, in Bezug auf die akustische oder mechanische Schwingung der Strahllängenbeeinflussungseinrichtung eine definierte feste oder einstellbare Phasenlage aufweisen.
Vor dem Bearbeiten mit der ersten Laservorrichtung weist das Werkstück eine Anfangskontur auf. Aufgrund der erfindungsgemäßen Strahllängenbeeinflussung ist es nicht zwingend erforderlich, dass die Anfangskontur der Steuereinrichtung vorgegeben oder anderweitig bekannt ist. Dennoch kann es sinnvoll sein, dass die Anfangskontur der Steuereinrichtung vorgegeben ist oder dass die Bearbeitungseinrichtung eine erste Vermessungseinrichtung aufweist und die Steuereinrichtung die Anfangskontur durch entsprechendes Ansteuern der ersten Vermessungseinrichtung ermittelt. Insbesondere kann die Steuereinrichtung in diesem Fall die Anfangskontur im Rahmen der Ansteuerung der Antriebseinrichtung, der ersten Laservorrichtung und/oder der Strahllängenbeeinflussungseinrichtung berücksichtigen. Beispielsweise kann die Steuereinrichtung eine Verfahrgeschwindigkeit, mit der sie die erste Lasereinrichtung verfährt, oder eine Verweildauer, während derer die erste Laservorrichtung an der jeweiligen Position verweilt, in Abhängigkeit von der Anfangskontur dynamisch ermitteln. Wenn beispielsweise aufgrund der Abweichung der Anfangskontur von der Sollkontur für eine bestimmte Stelle (= jeweilige Position) bekannt ist, dass an dieser Stelle nur wenig Material abgetragen werden muss, so ist hierfür nur eine relativ geringe Zeit erforderlich. Es wäre zwar aufgrund der Längenbegrenzung des Wasserstrahls und damit der Begrenzung der Wirktiefe des ersten Laserstrahls unschädlich, wenn die entsprechende Positionierung der ersten Laservorrichtung über längere Zeit beibehalten würde. Gerade dies ist jedoch nicht erforderlich, wenn nur wenig Material abgetragen werden muss.
In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Bearbeitungsvorrichtung weist der erste Laserstrahl – bezogen auf Vakuum – eine erste Wellenlänge auf, die zwischen 355 nm und 1070 nm liegt. Insbesondere kann die erste Wellenlänge zwischen 520 nm und 565 nm liegen, der erste Laserstrahl also ein grüner Laserstrahl sein.
Die jeweilige Strahllänge des Wasserstrahls sollte möglichst genau eingestellt werden. Aus diesem Grund ist die erste Laservorrichtung vorzugsweise schwingungsgedämpft und/oder schallunempfindlich aufgehängt.
Vorzugsweise ermittelt die Steuereinrichtung für die jeweilige Position anhand eines auf die Richtung des Wasserstrahls bezogenen Abstands der ersten Laservorrichtung vom Werkstückhalter und einer der Steuereinrichtung vorgegebenen Sollkontur des Werkstücks die jeweilige erste Bearbeitungstiefe.
Auch ohne jegliche äußere Störungen ist die Strahllänge des Wasserstrahls oftmals nicht völlig stabil und konstant auf einem einzigen Wert, sondern schwankt zwischen einem Minimalwert und einem Maximalwert. Vorzugsweise ermittelt die Steuereinrichtung für die jeweilige Position die jeweilige erste Bearbeitungstiefe daher derart, dass eine sich durch die Bearbeitung mit der ersten Laservorrichtung ergebende Zwischenkontur des Werkstücks größer als die Sollkontur ist.
Aufgrund des Überschusses der Zwischenkontur des Werkstücks über die Sollkontur ist eine Nachbearbeitung des Werkstücks erforderlich. Es ist möglich, diese Nachbearbeitung außerhalb der Bearbeitungseinrichtung vorzunehmen, beispielsweise in einer Bearbeitungseinrichtung, wie sie in der DE 10 2009 000 321 A1 beschrieben ist. Vorzugsweise erfolgt die Nachbearbeitung jedoch in der Bearbeitungseinrichtung selbst. Vorzugsweise ist daher vorgesehen,

– dass die Bearbeitungseinrichtung eine zweite Vermessungseinrichtung aufweist,
– dass die Steuereinrichtung nach dem Bearbeiten des Werkstücks mit der ersten Laservorrichtung durch entsprechendes Ansteuern der zweiten Vermessungseinrichtung die Zwischenkontur ermittelt,
– dass die Bearbeitungseinrichtung ein Nachbearbeitungswerkzeug aufweist, mittels dessen das Werkstück nachbearbeitbar ist,
– dass die Steuereinrichtung für Positionen des Werkstücks anhand der Abweichung der Zwischenkontur von der Sollkontur eine jeweilige zweite Bearbeitungstiefe ermittelt und
– dass die Steuereinrichtung das Nachbearbeitungswerkzeug derart ansteuert, dass an der jeweiligen Position des Werkstücks die jeweilige zweite Bearbeitungstiefe an Material abgetragen wird.

Die zweite Vermessungseinrichtung kann mit der ersten Vermessungseinrichtung (falls diese vorhanden ist) identisch sein.
Das Nachbearbeitungswerkzeug kann nach Bedarf ausgebildet sein. Beispielsweise ist es möglich, dass das Nachbearbeitungswerkzeug mit der ersten Laservorrichtung identisch ist. In diesem Fall steuert die Steuereinrichtung beim Nachbearbeiten des Werkstücks selbstverständlich die erste Laservorrichtung an. Insbesondere ist es möglich, dass die Steuereinrichtung beim Nachbearbeiten des Werkstücks die Strahllängenbeeinflussungseinrichtung derart ansteuert, dass die Strahllänge des Wasserstrahls mindestens bis zur Sollkontur reicht. Der Materialabtrag ist dadurch nicht durch die Länge des Wasserstrahls begrenzt, sondern wird durch die Parameter des ersten Laserstrahls wie beispielsweise dessen Dauer und dessen Intensität bestimmt.
Alternativ ist es möglich, dass das Nachbearbeitungswerkzeug als zweite Laservorrichtung ausgebildet ist, mittels derer ein sich in Luft ausbreitender zweiter Laserstrahl emittierbar ist, mittels dessen vom Werkstück Material abtragbar ist. In diesem Fall steuert die Steuereinrichtung die zweite Laservorrichtung derart an, dass an der jeweiligen Position des Werkstücks die jeweilige zweite Bearbeitungstiefe an Material abgetragen wird.
Der zweite Laserstrahl kann – analog zum ersten Laserstrahl – nach Bedarf bestimmt sein. Insbesondere kann der zweite Laserstrahl auf Vakuum bezogen eine zweite Wellenlänge aufweisen, die ebenfalls zwischen 355 nm und 1070 nm liegt. Die zweite Wellenlänge kann gleich der ersten Wellenlänge sein oder einen von der ersten Wellenlänge verschiedenen Wert aufweisen. Im Falle derselben Wellenlänge kann gegebenenfalls der Laserstrahl der ersten Laservorrichtung mittels einer geeigneten, an sich bekannten Optik ausgekoppelt und als zweiter Laserstrahl verwendet werden.
Vorzugsweise wird das Werkstück vor dem Bearbeiten mittels der ersten Laservorrichtung im Werkstückhalter eingespannt, nach dem Nachbearbeiten mit dem Nachbearbeitungswerkzeug aus dem Werkstückhalter ausgespannt und bleibt dazwischen im Werkstückhalter eingespannt. Diese Vorgehensweise weist insbesondere den Vorteil auf, dass etwaige Ungenauigkeiten und Justierfehler beim Ausspannen und wieder Einspannen des Werkstücks ausgeschlossen sind.
Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen. Es zeigen in schematischer Prinzipdarstellung:
1 eine Bearbeitungseinrichtung,
2 ein Ablaufdiagramm,
3 Konturen eines Werkstücks,
4 eine weitere Bearbeitungseinrichtung,
5 und 6 Ablaufdiagramme,
7 eine weitere Bearbeitungseinrichtung und
8 bis 10 Ablaufdiagramme.
Gemäß 1 weist eine Bearbeitungseinrichtung einen Werkstückhalter 1 auf. In den Werkstückhalter 1 ist ein Werkstück 2 einspannbar. Die Bearbeitungseinrichtung weist weiterhin eine erste Laservorrichtung 3 auf. Mittels der ersten Laservorrichtung 3 ein erster Laserstrahl 4 emittierbar. Mittels des ersten Laserstrahls 4 ist von dem Werkstück 2 Material abtragbar. Der erste Laserstrahl 4 kann – bezogen auf Vakuum – beispielsweise eine erste Wellenlänge λ1 aufweisen, die zwischen 355 nm und 1070 nm liegt, insbesondere zwischen 520 nm und 565 nm (Grünlicht). Der erste Laserstrahl 4 ist in einem Wasserstrahl 5 geführt. Der Wasserstrahl 5 kann – prinzipiell – eine beliebige Richtung aufweisen. Die Richtung des Wasserstrahls 5 kann konstant sein. In diesem Fall ist die Richtung des Wasserstrahls 5 in der Regel vertikal (lotrecht). Alternativ kann die Richtung des Wasserstrahls 5 variabel sein. Beispielsweise kann vor Beginn der Bearbeitung und während Bearbeitungspausen die Richtung des Wasserstrahls 5 manuell eingestellt werden. Alternativ kann eine dynamische Einstellung mittels (mindestens) einer angetriebenen Achse erfolgen. Die Richtung des Wasserstrahls 5 wird nachfolgend als z-Richtung bezeichnet.
Die Bearbeitungseinrichtung weist weiterhin eine Antriebseinrichtung 6 auf. Mittels der Antriebseinrichtung 6 ist die erste Laservorrichtung 3 relativ zum Werkstückhalter 1 zumindest in einer zum Wasserstrahl 5 orthogonalen Ebene positionierbar, nachfolgend als xy-Ebene bezeichnet. Optional kann die erste Laservorrichtung 3 mittels der Antriebseinrichtung 6 zusätzlich in der z-Richtung positionierbar sein. Innerhalb der xy-Ebene werden zwei zueinander orthogonale Richtungen nachfolgend als x- und y-Richtung bezeichnet.
Vorzugsweise wird – bezogen auf ein ortsfestes Koordinatensystem – zum Positionieren der ersten Laservorrichtung 3 relativ zum Werkstückhalter 1 mittels der Antriebseinrichtung 6 der Werkstückhalter 1 positioniert, während die Position der ersten Laservorrichtung 3 konstant gehalten wird. Es ist jedoch alternativ möglich, die erste Laservorrichtung 3 zu positionieren oder die Positionierung auf den Werkstückhalter 1 und die erste Laservorrichtung 3 zu verteilen.
Oftmals wird die Richtung des Wasserstrahls 5 derart orientiert sein, dass der Wasserstrahl 5 orthogonal oder zumindest im wesentlichen orthogonal auf das Werkstück 2 auftrifft. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Prinzipiell kann der Wasserstrahl 5 und einem beliebigen Winkel – im Extremfall nahezu tangential – zum Werkstück 2 orientiert sein.
Die Bearbeitungseinrichtung weist weiterhin eine Steuereinrichtung 7 auf. Die Steuereinrichtung 7 ist in der Regel softwareprogrammierbar. Sie führt also in der Regel ein entsprechendes Steuerprogramm 8 aus. Aufgrund der Ausführung des Steuerprogramms 8 ist die Steuereinrichtung 7 derart ausgebildet (programmiert), dass sie die Bearbeitungseinrichtung gemäß einem Steuerverfahren betreibt, das nachfolgend in Verbindung mit 2 näher erläutert wird.
Gemäß 2 nimmt die Steuereinrichtung 7 in einem Schritt S1 eine Sollkontur K* (siehe 3) des Werkstücks 2 entgegen. In einem Schritt S2 ermittelt die Steuereinrichtung 7 für eine Vielzahl von Positionen P eine jeweilige erste Bearbeitungstiefe T1. Die Steuereinrichtung 7 ermittelt die jeweilige erste Bearbeitungstiefe T1 vorzugsweise anhand der (auf den Werkstückhalter 1) bezogenen Sollkontur K* des Werkstücks 2 und eines auf die z-Richtung bezogenen Abstands a der ersten Laservorrichtung 3 (genauer: einer Düse 3', an welcher der Wasserstrahl 5 aus der ersten Laservorrichtung 3 austritt,) vom Werkstückhalter 1.
In einem Schritt S3 selektiert die Steuereinrichtung 7 eine der Positionen P. In einem Schritt S4 steuert die Steuereinrichtung 7 die Antriebseinrichtung 6 an. Dadurch wird die erste Laservorrichtung 3 relativ zum Werkstückhalter 1 zumindest in der xy-Ebene relativ zum Werkstückhalter 1 an der im Schritt S3 selektierten Position P positioniert. Gegebenenfalls erfolgt im Rahmen des Schrittes S3 zusätzlich eine Positionierung der ersten Laservorrichtung 3 relativ zum Werkstückhalter 1 in der z-Richtung und/oder die Einstellung einer Orientierung der ersten Laservorrichtung 3 relativ zum Werkstückhalter 1. In einem Schritt S5 steuert die Steuereinrichtung 7 eine Strahllängenbeeinflussungseinrichtung 9 an. Die Ansteuerung der Strahllängenbeeinflussungseinrichtung 9 erfolgt spezifisch für die jeweilige Position P. Sie erfolgt derart, dass eine Strahllänge l des Wasserstrahls 5 maximal so groß wie die jeweilige erste Bearbeitungstiefe T1 eingestellt wird. Sodann steuert die Steuereinrichtung 7 in einem Schritt S6 die erste Laservorrichtung 3 an. Die erste Laservorrichtung 3 emittiert dadurch den ersten Laserstrahl 4 auf das im Werkstückhalter 1 eingespannte Werkstück 2. Die Einstellung der Strahllänge l des Wasserstrahls 5 wird während der Ausführung des Schrittes S6 beibehalten.
In einem Schritt S7 prüft die Steuereinrichtung 7, ob sie die Schritte S3 bis S6 für alle Positionen P ausgeführt hat. Wenn dies nicht der Fall ist, geht die Steuereinrichtung 7 zum Schritt S3 zurück. Bei der erneuten Ausführung des Schrittes S3 selektiert die Steuereinrichtung 7 (selbstverständlich) eine andere Position P, für welche sie die Schritte S4 bis S6 noch nicht ausgeführt hat. Anderenfalls ist die Vorgehensweise gemäß 2 beendet.
Die Strahllängenbeeinflussungseinrichtung 9 kann nach Bedarf ausgebildet sein. In der Regel ist die Strahllängenbeeinflussungseinrichtung 9 als akustische und/oder mechanische Schwingungen generierende Einrichtung ausgebildet, beispielsweise als Piezoaktuator.
Die Steuereinrichtung 7 steuert die Strahllängenbeeinflussungseinrichtung 9 derart an, dass die Strahllängenbeeinflussungseinrichtung 9 den Wasserstrahl 5 mit einer Schwingung beaufschlagt. Die Schwingung weist eine Arbeitsfrequenz f auf. Zusätzlich betreibt die Steuereinrichtung 7 erste Laservorrichtung 3 mit der Arbeitsfrequenz f gepulst. Der erste Laserstrahl 4 wird also nicht kontinuierlich emittiert, sondern nur während Pulszeiten. Die Pulszeiten weisen somit dieselbe Arbeitsfrequenz f auf wie die akustische oder mechanische Schwingung. Die Steuereinrichtung 7 koordiniert somit die Ansteuerung der Strahllängenbeeinflussungseinrichtung 9 und der ersten Laservorrichtung 3 derart, dass die Pulszeiten in Bezug auf die akustische oder mechanische Schwingung der Strahllängenbeeinflussungseinrichtung 9 eine definierte Phasenlage aufweisen. Die Phasenlage kann alternativ fest eingestellt oder von der Steuereinrichtung 7 dynamisch einstellbar sein.
Vor der Bearbeitung des Werkstücks 2 mittels der ersten Laservorrichtung 3 weist das Werkstück 2 (siehe 3) eine Anfangskontur K1 auf. Nach der Bearbeitung des Werkstücks 2 mittels der ersten Laservorrichtung 3 weist das Werkstück 2 eine Zwischenkontur K2 auf. Die Zwischenkontur K2 darf nicht kleiner als die Sollkontur K* sein. Um dies zu gewährleisten, ermittelt die Steuereinrichtung 7 im Rahmen des Schrittes S2 für die jeweilige Position P die jeweilige erste Bearbeitungstiefe T1 derart, dass die Zwischenkontur K2 des Werkstücks 2 größer als die Sollkontur K* ist. Wenn beispielsweise die Strahllänge l aufgrund unvermeidbarer Längenschwankungen zwischen einem Minimalwert und einem Maximalwert schwankt, werden für die jeweilige Position P Ansteuerparameter der Strahllängenbeeinflussungseinrichtung 9 derart bestimmt, dass für diese Position P der Maximalwert mit einem Abstand a' der ersten Laservorrichtung 3 von der Sollkontur K* korrespondiert.
Die Strahllänge l des Wasserstrahls 5 kann umso zuverlässiger eingestellt werden, je weniger die erste Laservorrichtung 3 mechanischen Schwingungen ausgesetzt ist. Vorzugsweise ist daher entsprechend der Darstellung in 1 die erste Laservorrichtung 3 – beispielsweise mittels Schwingungsdämpfern 10 – schwingungsgedämpft und/oder schallunempfindlich aufgehängt.
Aufgrund der Begrenzung der möglichen Bearbeitungstiefe durch die entsprechende Einstellung der Strahllänge l ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht erforderlich, dass die Anfangskontur K1 der Steuereinrichtung 7 bekannt ist. Es ist jedoch nicht ausgeschlossen und in manchen Fällen sogar von Vorteil. Dies wird nachstehend in Verbindung den 4, 5 und 6 näher erläutert.
Gemäß 4 kann die Bearbeitungseinrichtung eine Vermessungseinrichtung 11 aufweisen, nachfolgend als erste Vermessungseinrichtung 11 bezeichnet. Falls die erste Vermessungseinrichtung 11 vorhanden ist, ist sie von der Steuereinrichtung 7 ansteuerbar. Durch entsprechendes Ansteuern der ersten Vermessungseinrichtung 11 ist die Steuereinrichtung 7 somit in der Lage, gemäß 5 in einem Schritt S11 Werte zu erfassen, die für die Anfangskontur K1 charakteristisch sind. Anhand der erfassten Werte kann die Steuereinrichtung 7 in diesem Fall in einem Schritt S12 die Anfangskontur K1 ermitteln.
Aufgrund des Umstands, dass der Steuereinrichtung 7 bei der Vorgehensweise gemäß 5 die Anfangskontur K1 bekannt ist, ist es bei der Vorgehensweise gemäß 5 möglich, dass die Steuereinrichtung 7 in einem Schritt S13 die Anfangskontur K1 im Rahmen der Ansteuerung der Antriebseinrichtung 6, der ersten Laservorrichtung 3 und/oder der Strahllängenbeeinflussungseinrichtung 9 berücksichtigt. Der Schritt S13 entspricht der (wiederholten) Ausführung der Schritte S3 bis S6 von 2. Beispielsweise kann die Steuereinrichtung 7 eine Verfahrgeschwindigkeit v (siehe 4), mit der sie die erste Laservorrichtung 3 verfährt, in Abhängigkeit von der Anfangskontur K1 dynamisch ermitteln. Äquivalent wäre es, eine Verweildauer, während derer die erste Laservorrichtung 3 an der jeweiligen Position P verweilt, in Abhängigkeit von der Anfangskontur K1 dynamisch zu ermitteln. Auch kann die Steuereinrichtung 7 eine Positionierung der ersten Laservorrichtung 3 in z-Richtung in Abhängigkeit von der Anfangskontur K1 dynamisch ermitteln.
Alternativ zum eigenständigen Erfassen der Anfangskontur K1 gemäß 5 ist es gemäß 6 möglich, dass der Steuereinrichtung 7 die Anfangskontur K1 von außen vorgegeben wird. In diesem Fall ist gemäß 6 anstelle der Schritte S11 und S12 von 5 ein Schritt S16 vorhanden. Im Schritt S16 nimmt die Steuereinrichtung 7 die Anfangskontur K1 von außen entgegen. Die weitere Vorgehensweise ist die gleiche wie in 5.
Wie bereits erwähnt, weist das Werkstück 2 nach dem Bearbeiten durch die erste Laservorrichtung 3 eine Zwischenkontur K2 auf. Die Zwischenkontur K2 ist in der Regel größer als die Sollkontur K*. Zur endgültigen Herstellung des Werkstücks 2 ist somit eine Nachbearbeitung erforderlich. Es ist möglich, die Nachbearbeitung außerhalb der erfindungsgemäßen Bearbeitungseinrichtung durchzuführen. Vorzugsweise erfolgt sie jedoch innerhalb der erfindungsgemäßen Bearbeitungseinrichtung. Dies wird nachfolgend in Verbindung mit den 7 und 8 näher erläutert.
Gemäß 7 kann die Bearbeitungseinrichtung eine Vermessungseinrichtung 12 aufweisen, nachfolgend als zweite Vermessungseinrichtung 12 bezeichnet. Die zweite Vermessungseinrichtung 12 kann gegebenenfalls mit der ersten Vermessungseinrichtung 11 identisch sein. Falls die zweite Vermessungseinrichtung 12 vorhanden ist, ist sie von der Steuereinrichtung 7 ansteuerbar. Durch entsprechendes Ansteuern der zweiten Vermessungseinrichtung 12 ist die Steuereinrichtung 7 somit in der Lage, gemäß 8 in einem Schritt S21 Werte zu erfassen, die für die Zwischenkontur K2 charakteristisch sind. Anhand der erfassten Werte kann die Steuereinrichtung 7 in diesem Fall in einem Schritt S22 die Zwischenkontur K2 ermitteln. Die Schritte S21 und S22 werden – im Gegensatz gegebenenfalls zu den Schritten S11 und S12 – nach dem Bearbeiten des Werkstücks 2 mit der ersten Laservorrichtung 3 ausgeführt.
Im Falle der Nachbearbeitung des Werkstücks 2 innerhalb der Bearbeitungseinrichtung weist die Bearbeitungseinrichtung ein Nachbearbeitungswerkzeug auf. Mittels des Nachbearbeitungswerkzeugs ist das Werkstück 2 nachbearbeitbar. Die Steuereinrichtung 7 ermittelt daher in einem Schritt S23 für Positionen P' des Werkstücks 2 anhand der Abweichung der Zwischenkontur K2 von der Sollkontur K* eine jeweilige zweite Bearbeitungstiefe T2. In einem Schritt S24 steuert die Steuereinrichtung 7 das Nachbearbeitungswerkzeug derart an, dass an der jeweiligen Position P' die jeweilige zweite Bearbeitungstiefe T2 an Material abgetragen wird.
Es ist möglich, dass das Nachbearbeitungswerkzeug mit der ersten Laservorrichtung 3 identisch ist. In diesem Fall wird der erste Laserstrahl 4 im Rahmen der Ausführung des Schrittes S24 im Wasserstrahls 5 geführt. Weiterhin steuert die Steuereinrichtung 7 im Rahmen des Schrittes S24 – siehe 9 – die Strahllängenbeeinflussungseinrichtung 9 derart an, dass die Strahllänge l des Wasserstrahls 5 mindestens bis zur Sollkontur K* reicht.
Alternativ kann das Nachbearbeitungswerkzeug als von der ersten Laservorrichtung 3 verschiedenes Werkzeug ausgebildet sein. In diesem Fall kann das Nachbearbeitungswerkzeug insbesondere zweite Laservorrichtung 13 ausgebildet sein, mittels derer ein sich in Luft ausbreitender zweiter Laserstrahl 14 emittierbar ist. Mittels des zweiten Laserstrahls 14 ist – analog zum ersten Laserstrahl 4 – vom Werkstück 2 Material abtragbar. Die Steuereinrichtung 7 steuert in diesem Fall die zweite Laservorrichtung 13 derart an, dass an der jeweiligen Position P' des Werkstücks 2 die jeweilige zweite Bearbeitungstiefe T2 an Material abgetragen wird. Beispielsweise kann die Steuereinrichtung 7 (mit oder ohne Positionierung der zweiten Laservorrichtung 13 als solcher) den zweiten Laserstrahl 14 durch entsprechende Beeinflussung von Ablenkspiegeln an den entsprechenden Positionen P' des Werkstücks 2 positionieren.
Der zweite Laserstrahl 14 kann – analog zum ersten Laserstrahl 4 – nach Bedarf bestimmt sein. Vorzugsweise jedoch weist der zweite Laserstrahl 14 auf Vakuum bezogen eine zweite Wellenlänge λ2 auf, die zwischen 355 nm und 1070 nm liegt.
Insbesondere kann die zweite Wellenlänge λ2 beispielsweise bei 1060 nm liegen.
In dem Fall, dass auch die Nachbearbeitung mittels der erfindungsgemäßen Bearbeitungseinrichtung durchgeführt wird, wird gemäß 10 vorzugsweise das Werkstück 2 zunächst in einem Schritt S31 im Werkstückhalter 1 eingespannt. Danach wird in einem Schritt S32 – mit oder ohne Erfassen der Anfangskontur K1 – die (normale) Bearbeitung ausgeführt, wie sie obenstehend in Verbindung mit den 1 bis 6 erläutert wurde. Nach dem Erfassen der Zwischenkontur K2 in einem Schritt S33 erfolgt in einem Schritt S34 die Nachbearbeitung, wie sie obenstehend in Verbindung mit den 7 bis 9 erläutert wurde. Erst danach wird das Werkstück 2 in einem Schritt S35 aus dem Werkstückhalter 1 ausgespannt. Während der gesamten Zwischenzeit bleibt das Werkstück 2 im Werkstückhalter 1 eingespart.
Die vorliegende Erfindung weist deutliche Vorteile bei der lasergestützten Bearbeitung des Werkstücks 2 auf. Insbesondere kann auf einfache, schnelle, effiziente und zuverlässige Weise eine hochgenaue Bearbeitung des Werkstücks 2 gewährleistet werden. Mittels der ersten Laservorrichtung 3 kann ein hoher Materialabtrag ohne nennenswerte thermische Beeinflussung erfolgen. Mittels der zweiten Laservorrichtung 13 kann eine Fein- und Nachbearbeitung mit geringem Materialabtrag, jedoch deutlich höherer Bearbeitungsgenauigkeit erfolgen.
Die obige Beschreibung dient ausschließlich der Erläuterung der vorliegenden Erfindung. Der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung soll hingegen ausschließlich durch die beigefügten Ansprüche bestimmt sein.
Bezugszeichenliste

1: Werkstückhalter
2: Werkstück
3, 13: Laservorrichtungen
3': Düse
4, 14: Laserstrahlen
5: Wasserstrahl
6: Antriebseinrichtung
7: Steuereinrichtung
8: Steuerprogramm
9: Strahllängenbeeinflussungseinrichtung
10: Schwingungsdämpfer
11, 12: Vermessungseinrichtungen
a, a': Abstände
f: Arbeitsfrequenz
K1: Anfangskontur
K2: Zwischenkontur
K*: Sollkontur
l: Strahllänge
P, P': Positionen
S1 bis S35: Schritte
T1, T2: Bearbeitungstiefen
v: Verfahrgeschwindigkeit
x, y, z: Richtungen
λ1, λ2: Wellenlängen

Claims

Bearbeitungseinrichtung für ein Werkstück (2), – wobei die Bearbeitungseinrichtung einen Werkstückhalter (1) aufweist, in den das Werkstück (2) einspannbar ist, – wobei die Bearbeitungseinrichtung eine erste Laservorrichtung (3) aufweist, mittels derer ein in einem Wasserstrahl (5) geführter erster Laserstrahl (4) emittierbar ist, mittels dessen von dem Werkstück (2) Material abtragbar ist, – wobei die Bearbeitungseinrichtung eine Antriebseinrichtung (6) aufweist, mittels derer die erste Laservorrichtung (3) relativ zum Werkstückhalter (1) zumindest in einer zum Wasserstrahl (5) orthogonalen Ebene positionierbar ist, – wobei die Bearbeitungseinrichtung eine Steuereinrichtung (7) aufweist, – wobei die Steuereinrichtung (7) derart ausgebildet ist, dass sie – die Antriebseinrichtung (6) derart ansteuert, dass die erste Laservorrichtung (3) relativ zum Werkstückhalter (1) zumindest in der zum Wasserstrahl (5) orthogonalen Ebene nacheinander an verschiedenen Positionen (P) positioniert wird, – an der jeweiligen Position (P) jeweils die erste Laservorrichtung (3) ansteuert, so dass die erste Laservorrichtung (3) den ersten Laserstrahl (4) auf das im Werkstückhalter (1) eingespannte Werkstück (2) emittiert, – an der jeweiligen Position (P) während des Emittierens des ersten Laserstrahls (4) eine akustische und/oder mechanische Schwingungen generierende Strahllängenbeeinflussungseinrichtung (9) derart ansteuert, dass die Strahllängenbeeinflussungseinrichtung (9) den Wasserstrahl (5) mit einer Schwingung beaufschlagt, die eine Arbeitsfrequenz (f) aufweist, und dadurch eine Strahllänge (1) des Wasserstrahls (5) maximal so groß wie eine jeweilige erste Bearbeitungstiefe (T1) eingestellt wird, und – die erste Laservorrichtung (3) mit der Arbeitsfrequenz (f) gepulst betreibt.
Bearbeitungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (7) die Ansteuerung der Strahllängenbeeinflussungseinrichtung (9) und der ersten Laservorrichtung (3) derart koordiniert, dass Pulszeiten, während derer der erste Laserstrahl (4) emittiert wird, in Bezug auf die akustische oder mechanische Schwingung der Strahllängenbeeinflussungseinrichtung (9) eine definierte feste oder einstellbare Phasenlage aufweisen.
Bearbeitungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, – dass das Werkstück (2) vor dem Bearbeiten mit der ersten Laservorrichtung (3) eine Anfangskontur (K1) aufweist, – dass die Anfangskontur (K1) der Steuereinrichtung (7) vorgegeben ist oder dass die Bearbeitungseinrichtung eine erste Vermessungseinrichtung (11) aufweist und die Steuereinrichtung (7) die Anfangskontur (K1) durch entsprechendes Ansteuern der ersten Vermessungseinrichtung (11) ermittelt und – dass die Steuereinrichtung (7) die Anfangskontur (K1) im Rahmen der Ansteuerung der Antriebseinrichtung (6), der ersten Laservorrichtung (3) und/oder der Strahllängenbeeinflussungseinrichtung (1) berücksichtigt.
Bearbeitungseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (7) eine Verfahrgeschwindigkeit (v), mit der sie die erste Lasereinrichtung (3) verfährt, oder eine Verweildauer, während derer die erste Laservorrichtung (3) an der jeweiligen Position (P) verweilt, in Abhängigkeit von der Anfangskontur (K1) dynamisch ermittelt.
Bearbeitungseinrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Laserstrahl (4) auf Vakuum bezogen eine erste Wellenlänge (λ1) aufweist, die zwischen 355 nm und 1070 nm liegt.
Bearbeitungseinrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Laservorrichtung (3) schwingungsgedämpft und/oder schallunempfindlich aufgehängt ist.
Bearbeitungseinrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (7) die jeweilige erste Bearbeitungstiefe (T1) für die jeweilige Position (P) anhand eines auf die Richtung des Wasserstrahls bezogenen Abstands (a') der ersten Laservorrichtung (3) vom Werkstückhalter (1) und einer der Steuereinrichtung (7) vorgegebenen Sollkontur (K*) des Werkstücks (2) ermittelt.
Bearbeitungseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (7) für die jeweilige Position (P) die jeweilige erste Bearbeitungstiefe (T1) derart ermittelt, dass eine sich durch die Bearbeitung mit der ersten Laservorrichtung (3) ergebende Zwischenkontur (K2) des Werkstücks (2) größer als die Sollkontur (K*) ist.
Bearbeitungseinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, – dass die Bearbeitungseinrichtung eine zweite Vermessungseinrichtung (12) aufweist, – dass die Steuereinrichtung (7) nach dem Bearbeiten des Werkstücks (2) mit der ersten Laservorrichtung (3) durch entsprechendes Ansteuern der zweiten Vermessungseinrichtung (12) die Zwischenkontur (K2) ermittelt, und – dass die Bearbeitungseinrichtung ein Nachbearbeitungswerkzeug (3, 13) aufweist, mittels dessen das Werkstück (2) nachbearbeitbar ist, – dass die Steuereinrichtung (7) für Positionen (P') des Werkstücks (2) anhand der Abweichung der Zwischenkontur (K2) von der Sollkontur (K*) eine jeweilige zweite Bearbeitungstiefe (T2) ermittelt und – dass die Steuereinrichtung (7) das Nachbearbeitungswerkzeug (3, 13) derart ansteuert, dass an der jeweiligen Position (P') des Werkstücks (2) die jeweilige zweite Bearbeitungstiefe (T2) an Material abgetragen wird.
Bearbeitungseinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, – dass das Nachbearbeitungswerkzeug (3) mit der ersten Laservorrichtung (3) identisch ist und – dass die Steuereinrichtung (7) beim Nachbearbeiten des Werkstücks (2) die Strahllängenbeeinflussungseinrichtung (9) derart ansteuert, dass die Strahllänge (l) des Wasserstrahls (5) mindestens bis zur Sollkontur (K*) reicht.
Bearbeitungseinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, – dass das Nachbearbeitungswerkzeug (13) als zweite Laservorrichtung (13) ausgebildet ist, mittels derer ein sich in Luft ausbreitender zweiter Laserstrahl (14) emittierbar ist, mittels dessen vom Werkstück (2) Material abtragbar ist, und – dass die Steuereinrichtung (7) die zweite Laservorrichtung (14) derart ansteuert, dass an der jeweiligen Position (P') des Werkstücks (2) die jeweilige zweite Bearbeitungstiefe (Z2) an Material abgetragen wird.
Bearbeitungseinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Laserstrahl (14) auf Vakuum bezogen eine zweite Wellenlänge (λ2) aufweist, die zwischen 355 nm und 1070 nm liegt.
Bearbeitungseinrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (2) vor dem Bearbeiten mittels der ersten Laservorrichtung (3) im Werkstückhalter (1) eingespannt wird, nach dem Nachbearbeiten mit dem Nachbearbeitungswerkzeug (3, 13) aus dem Werkstückhalter (1) ausgespannt wird und dazwischen im Werkstückhalter (1) eingespannt bleibt.