DE102012208527A1

DE102012208527A1 - Vorrichtung zum Laserschneiden eines Werkstückes

Info

Publication number: DE102012208527A1
Application number: DE201210208527
Authority: DE
Inventors: Jürgen Serbin; Ludger Müllers; Roland Mayerhofer
Original assignee: Rofin Baasel Lasertech GmbH and Co KG
Current assignee: Rofin Baasel Lasertech GmbH and Co KG
Priority date: 2011-08-03
Filing date: 2012-05-22
Publication date: 2013-02-07

Abstract

Eine Vorrichtung zum Laserschneiden eines Werkstückes (10) umfasst einen relativ zum Werkstück (10) in einer Schneidrichtung (26) entlang einer Schneidlinie (L) geführten Schneidkopf (4), in dem eine Fokussieroptik (8) zum Fokussieren eines von einer Laserstrahlquelle (2) erzeugten Laserstrahlbündels (LS) angeordnet ist. Gemäß der Erfindung sind Einstellmittel zum Einstellen eines vorgebbaren Auftreffwinkels (α) zwischen der auf der Oberfläche (16) des Werkstückes (10) am Ort des Fokus (F) des fokussierten Laserstrahlbündels (LS) senkrecht stehenden Normalen (20) und einer in der senkrecht auf der Schneidrichtung (26) stehenden Ebene liegenden Komponente eines Zentralstrahls (14) des fokussierten Laserstrahlbündels (LS) vorgesehen. Auf diese Weise lassen sich Schneidfugen mit Schnittflächen erzeugen, die in vorgebbaren Winkeln relativ zur Oberfläche (16) des Werkstückes (10) orientiert sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Laserschneiden eines Werkstückes mit einem relativ zum Werkstück in einer Schneidrichtung entlang einer Schneidlinie geführten Schneidkopf.
Beim Laserschneiden eines Werkstückes entlang einer Schneidkontur oder Schneidlinie wird in der Regel ein gepulster oder kontinuierlicher fokussierter Laserstrahl entlang einer Schneidlinie oder Schneidbahn geführt, wobei zur Bewegung des Laserstrahls entlang dieser Schneidlinie entweder das Werkstück oder ein die Fokussieroptik enthaltender Schneidkopf bewegt werden. Je nach Anwendungsfall werden an die Kontur der beim Laserschneiden entstehenden Schneidfuge, d. h. an die Orientierung der seitlichen Schnittflächen relativ zur Oberfläche eines zur weiteren Verwendung vorgesehenen Werkstückes unterschiedliche Anforderungen gestellt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Laserschneiden eines Werkstückes mit einem relativ zum Werkstück in einer Schneidrichtung entlang einer Schneidlinie geführten Schneidkopf anzugeben, mit der Schneidfugen erzeugt werden können, bei denen die Orientierung einer der beiden seitlichen Schnittflächen mit geringem Aufwand an unterschiedliche Anforderungen angepasst werden kann.
Die genannte Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Gemäß diesen Merkmalen umfasst die Vorrichtung einen relativ zum Werkstück in einer Schneidrichtung entlang einer Schneidlinie geführten Schneidkopf, in dem eine Fokussieroptik zum Fokussieren eines von einer Laserstrahlquelle erzeugten Laserstrahlbündels angeordnet ist, und die Mittel zum Einstellen eines vorgebbaren Auftreffwinkels zwischen der auf der Oberfläche des Werkstückes am Ort des Brennpunktes der Fokussieroptik senkrecht stehenden Normalen und einer in der senkrecht auf der Schneidrichtung stehenden Ebene liegenden Komponente eines Zentralstrahls des in diesem Brennpunkt fokussierten Laserstrahlbündels umfasst.
Der Erfindung beruht dabei auf der Erfahrung, dass die mit einem sich senkrecht zur Oberfläche des Werkstückes ausbreitenden fokussierten Laserstrahlbündel erzeugte Schneidfuge in der Regel Schnittflächen aufweist, die zueinander spiegelsymmetrisch zu einer vom Zentralstrahl des Laserstrahlbündels und der Schneidrichtung aufgespannten Schneidebene schräg zur Werkstückoberfläche orientiert sind. Mit anderen Worten: Die Schnittfuge weist eine symmetrische, annähernd trapez- oder keilförmige, sich in Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls verjüngende Querschnittsfläche mit schräg zur Oberfläche des Werkstücks, d. h. nicht senkrecht zur Oberfläche orientierten Seiten auf.
Die Erfindung beruht nun auf der Überlegung, dass die Lage der Schnittflächen durch Einstellung des Anstellwinkels des Laserstrahlbündels, d. h. durch Einstellen des Auftreffwinkels zwischen der auf der Oberfläche des Werkstückes am Ort des Fokus des fokussierten Laserstrahlbündels senkrecht stehenden Normalen und der in der senkrecht auf der Schneidrichtung stehenden Ebene liegenden Komponente des Zentralstrahls des fokussierten Laserstrahlbündels festgelegt werden kann. Mit anderen Worten:
Der Zentralstrahl kann in eine parallel und eine senkrecht zur Schneidrichtung, d. h. in der senkrecht zu dieser Schneidrichtung orientierten Ebene verlaufende Komponente zerlegt werden, wobei zumindest der Auftreffwinkel der in der senkrecht zur Schneidrichtung orientierten Ebene liegenden Komponente einstellbar ist. Der Zentralstrahl kann dabei in einer bevorzugten Variante innerhalb dieser Ebene liegen, so dass er keine zur Schneidrichtung parallele Komponente aufweist. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, dass der Zentralstrahl eine Komponente aufweist, die parallel zur Schneidrichtung verläuft bzw. in einer Ebene liegt, die durch die Schneidrichtung und die auf der Werkstückoberfläche am Ort des Fokus senkrecht stehende Normale festgelegt ist.
Einfache geometrische Abbildungsverhältnisse und Einstellmöglichkeiten ergeben sich, wenn sich der Zentralstrahl des Laserstrahlbündels innerhalb des Schneidkopfes vor der Fokussieroptik parallel zu deren optischen Achse ausbreitet. In diesem Fall fällt der Fokus des fokussierten Laserstrahlbündels stets mit dem geometrischen Brennpunkt der Fokussieroptik zusammen.
In diesem Fall kann die Einstellung des Auftreffwinkels auf einfache Weise durch Einstellmittel erfolgen, die einen senkrecht auf der Schneidrichtung stehenden Versatz zwischen der optischen Achse der Fokussieroptik und dem Zentralstrahl des sich parallel zu dieser optischen Achse ausbreitenden Laserstrahlbündels erzeugen.
Dies kann dadurch geschehen, dass die Fokussieroptik zum Erzeugen des Versatzes quer zur optischen Achse verschiebbar gelagert ist.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist alternativ hierzu im Schneidkopf zum Erzeugen des Versatzes zumindest ein Umlenkspiegel senkrecht zur optischen Achse verschiebbar angeordnet. Dadurch ist sichergestellt, dass das Laserstrahlbündel bei ruhender Fokussieroptik und bei relativ zum Schneidkopf ruhendem Werkstück im wesentlichen immer auf dieselbe Stelle im Werkstück fokussiert ist, so dass eine Änderung des Auftreffwinkels nicht zu einer Änderung der Lage des Fokus führt. Dadurch wird die Steuerung des Schneidvorganges vereinfacht, wenn komplexe Schneidkonturen unter Aufrechterhaltung einer definierten Neigung einer der Schnittflächen durch Relativbewegung von Schneidkopf und Werkstück zueinander gefahren werden müssen. Bei dieser Ausführungsform ist außerdem sichergestellt, dass das fokussierte Laserstrahlbündel auch dann, wenn sein Zentralstrahl schräg zur optischen Achse der Fokussieroptik orientiert ist, durch eine relativ kleine Austrittsöffnung einer am Schneidkopf befindliche Schneiddüse hindurchtreten kann, so dass eine Verstellung der Schneiddüse nicht erforderlich ist.
In einer weiteren vorteilhaften alternativen Ausgestaltung ist das Werkstück um eine zur optischen Achse der Fokussieroptik senkrechte Achse schwenkbar gelagert.
Grundsätzlich können die vorstehend beschriebenen alternativen Ausgestaltungen auch in Kombination miteinander eingesetzt werden.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele verwiesen. Es zeigen:
1 eine Vorrichtung gemäß der Erfindung in einer schematischen Prinzipdarstellung in einer in Schneidrichtung gesehenen Draufsicht,
2 die Vorrichtung in einer schematischen Prinzipdarstellung in einer Draufsicht auf die Oberfläche des Werkstückes,
3, 4 jeweils in ein Werkstück eingebrachte Schneidfugen in einem Querschnitt senkrecht zur Schneidrichtung, die mit Laserstrahlen erzeugt worden sind, die mit unterschiedlichen Auftreffwinkeln auf das Werkstück auftreffen,
5 eine alternative Ausgestaltung einer Vorrichtung gemäß der Erfindung mit verschiebbar angeordneter Fokussieroptik,
6 eine weitere alternative Ausgestaltung mit schwenkbar gelagertem Werkstück.
Gemäß 1 umfasst die Vorrichtung eine Laserstrahlquelle 2, die ein Laserstrahlbündel LS emittiert, das über eine in der vereinfachten Darstellung der Figur nicht dargestellte Strahlführungsoptik, beispielsweise Lichtleitfasern oder Umlenkspiegel, zu einem Schneidkopf 4 geführt und sich innerhalb des Schneidkopfes 4 als vorzugsweise annähernd paralleles Laserstrahlbündel LS ausbreitet. Die hierzu gegebenenfalls erforderlichen Strahlformungsoptiken außerhalb oder innerhalb des Schneidkopfes 4 sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.
Im Schneidkopf 4 ist zumindest ein Umlenkspiegel 6 angeordnet, der das parallele Laserstrahlbündel LS zu einer im Beispiel der Figur vereinfacht als Linse dargestellten Fokussieroptik 8 umlenkt und parallel zu deren in z-Richtung verlaufender optischen Achse 12 ausrichtet. Mit Hilfe dieser Fokussieroptik 8 wird das Laserstrahlbündel LS in einem Fokus F fokussiert, der in der in der Regel knapp unterhalb der Oberfläche des Werkstückes 10 liegt und mit dem geometrischen Brennpunkt B der Fokussieroptik 8 zusammenfällt. Das fokussierte Laserstrahlbündel LS tritt aus einer am Schneidkopf 4 befindlichen, in der 1 nur schematisch veranschaulichten Schneiddüse 13 aus, deren Austrittsöffnung 131 in der Praxis bei Schneidanwendungen mit einem Nd:YAG-Laserstrahl einen Durchmesser aufweist, der kleiner ist als 1 mm und die sich nur wenige Zehntelmillimeter über dem Werkstück 10 befindet. Schneidkopf 4 bzw. Werkstück 10 werden im dargestellten Ausführungsbeispiel relativ zueinander in eine senkrecht zur Zeichenebene orientierte Schneidrichtung bewegt.
Der Umlenkspiegel 6 kann durch einen schematisch angedeuteten Antrieb 11 parallel zur Ausbreitungsrichtung des auf ihn auftreffenden Laserstrahlbündels LS (x-Richtung) senkrecht zur optischen Achse 12 der Fokussieroptik 8 und der im dargestellten Beispiel senkrecht zur Zeichenebene orientierten Schneidrichtung verstellt werden.
In der Figur ist der Umlenkspiegel 6 durchgezogen in einer Ausgangsposition und gestrichelt in einer gegenüber dieser Ausgangsposition versetzten Position eingezeichnet. In der Ausgangsposition breitet sich das Laserstrahlbündel LS ausgehend vom Umlenkspiegel 6 parallel zur optischen Achse 12 der Fokussieroptik 8 aus, wobei sein Zentralstrahl 14 mit dieser optischen Achse 12 zusammenfällt. Dementsprechend trifft der Zentralstrahl 14 des von der Fokussieroptik 8 fokussierten Laserstrahlbündels LS senkrecht (Auftreffwinkel α = 0°) auf die Oberfläche 16 des senkrecht zur optischen Achse 12 ausgerichteten Werkstückes auf und erzeugt eine in 3 dargestellte Schneidfuge 18, die im Querschnitt eine Keilform und schräg unter einem spitzen Winkel φ zur senkrecht auf der Oberfläche 16 stehenden Normalen 20 orientierten Schneidflanken oder Schnittflächen 22 aufweist.
Durch eine Verschiebung des Umlenkspiegels 6 quer zur optischen Achse 12 der Fokussieroptik 8 und quer zur Schneidrichtung um die Wegstrecke Δx in x-Richtung (Doppelpfeil 24) wird das vom Umlenkspiegel 6 reflektierte Laserstrahlbündel LS quer zu dieser optischen Achse 12 versetzt, so dass sein Zentralstrahl 14 ebenfalls im Abstand Δx zu dieser optischen Achse 12 verläuft. Dementsprechend trifft der Zentralstrahl 14 im Bereich des Brennpunktes B nicht mehr senkrecht sondern unter einem spitzen Auftreffwinkel α ≠ 0 auf die Oberfläche 16 des Werkstückes 10 auf, so dass sich dementsprechend gemäß 4 Schnittflächen 22 ergeben, die mit unterschiedlichen Winkeln φ₁ und φ₂ gegen die Normale 20 geneigt sind. Diese Winkel φ₁ und φ₂ lassen sich durch Steuerung des Versatzes Δx so einstellen, dass beispielsweise einer der beiden Winkel, beispielsweise der Winkel φ₂ annähernd gleich Null wird, so dass eine der Schnittflächen 22 senkrecht zur Oberfläche 16 des Werkstückes 10 orientiert ist. In gleicher Weise lassen sich auch definierte Hinterschnitte erzeugen, wie er beispielsweise im Beispiel der 4 veranschaulicht ist. Dabei lässt sich nur für eine der beiden Schnittflächen 22 die für die Weiterverarbeitung des Werkstückes 10 erforderliche Form realisieren, da die Form der jeweils gegenüberliegenden Schnittfläche im Wesentlichen durch die sich bei schräger Einstrahlung ergebende Form der Schneidfuge 18 vorgegeben ist.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel liegt der Zentralstrahl 14 des fokussierten Laserstrahlbündels LS in der Zeichenebene, d. h. in einer zur Schneidrichtung senkrechten Ebene. Grundsätzlich kann jedoch der Zentralstrahl 14 auch eine Komponente aufweisen, die parallel zur Schneidrichtung bzw. in einer von der Schneidrichtung und der am Fokus F senkrecht auf der Oberfläche 16 stehenden Normalen 20 aufgespannten Ebene liegt. Wesentlich jedoch ist, dass zumindest für die Komponente des Zentralstrahls 14, die bei Zerlegen des Zentralstrahls 14 in eine senkrecht und eine parallel zur Schneidrichtung orientierte Komponente senkrecht zur Schneidrichtung verläuft, d. h. in einer Ebene liegt, die senkrecht zur Schneidrichtung orientiert ist, ein vorgebbarer Auftreffwinkel α ≥ 0 einstellbar ist.
Im in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist zur Veranschaulichung nur ein Umlenkspiegel 6 dargestellt, der parallel zur Ausbreitungsrichtung des in den Schneidkopf eingekoppelten Laserstrahlbündels LS (x-Richtung) verstellbar ist. Um auch bei schräg oder gekrümmt verlaufenden Schneidlinien eine definierte Winkellage einer der beiden Schnittflächen zu ermöglichen, sind in einer bevorzugten Ausführungsform im Schneidkopf 4 zwei Umlenkspiegel angeordnet, von denen einer beispielsweise das in den Schneidkopf 4 eingekoppelte Laserstrahlbündel LS in eine zur Zeichenebene senkrechte Richtung (y-Richtung) zu dem anderen Umlenkspiegel umlenkt, der das Laserstrahlbündel LS erneut umlenkt, so dass es sich in z-Richtung parallel zur optischen Achse 12 der Fokussieroptik 8 ausbreitet, wobei beide Umlenkspiegel mit Antrieben 11 jeweils parallel zur Richtung des auf sie jeweils auftreffenden Laserstrahlbündels LS verschiebbar angeordnet sind. Dabei erfolgt die Ansteuerung vorzugsweise automatisch in Abhängigkeit von der Gestalt der Schneidlinie, d. h. der Bewegung zwischen Schneidkopf 8 und Werkstück 10 derart, dass die in der senkrecht zur aktuellen Schneidrichtung 26 verlaufenden Ebene liegende Komponente des Zentralstrahls 14 stets mit dem zum Erzielen des vorgegebenen Auftreffwinkels α erforderlichen Versatz (((Δx)² + (Δy)²) 1/ / 2 = const) zur optischen Achse 12 auf die Fokussieroptik 8 auftrifft.
In 2 ist in einer Draufsicht veranschaulicht, wie sich der Schneidkopf 4 entlang einer Schneidlinie L relativ zum Werkstück 10 in eine Schneidrichtung 26 bewegt, wobei entweder das Werkstück 10 oder der Schneidkopf 4 bewegt wird, um die Relativbewegung zwischen Werkstück 10 und Schneidkopf 4 zu ermöglichen.
Anstelle der in 1 dargestellten Ausführungsform kann auch gemäß 5 die Fokussieroptik 8 quer zur Schneidrichtung verstellt werden, um auf diese Weise eine Schrägausrichtung des fokussierten Laserstrahlbündels LS herbeizuführen. Diese Querverschiebung der Fokussieroptik 8 ist durch den Doppelpfeil 24 veranschaulicht. In diesem Ausführungsbeispiel muss außerdem der dadurch erzeugte Versatz des Fokus durch eine entsprechende, ebenfalls durch einen Doppelpfeil 26 angedeutete Querbewegung des Werkstückes 10 kompensiert werden. Darüber hinaus muss außerdem in der Regel auch die Schneiddüse 13 in eine gestrichelt eingezeichnete Position versetzt werden, um sicherzustellen, dass das bei versetzter, ebenfalls gestrichelt dargestellter Fokussieroptik 8 schräg zur optischen Achse 12 orientierte fokussierte Laserstrahlbündel LS auf die Austrittsöffnung 131 gerichtet ist.
Auch in diesem Ausführungsbeispiel kann die Fokussieroptik 8 in zwei zueinander orthogonale Richtungen (in x- und y-Richtung) verschoben werden, um auch bei schräg oder gekrümmt verlaufenden Schneidrichtungen stets die richtige Ausrichtung des Laserstrahlbündels LS in der zur Schneidrichtung senkrechten Ebene und damit die gewünschte Orientierung einer der Schnittflächen sicherzustellen.
In den in 1 und 5 dargestellten Ausführungsbeispielen wird das Laserstrahlbündel LS zum Einstellen des Auftreffwinkels α durch die Fokussieroptik 8 abgelenkt, so dass sich der Zentralstrahl 14 des fokussierten Laserstrahlbündels LS schräg unter einem Winkel zur optischen Achse 12 ausbreitet, der in den dargestellten Beispielen bei senkrecht zu dieser optischen Achse 12 orientierter Oberfläche 16 des Werkstücks 10 und senkrecht zur Schneidrichtung verlaufenden Zentralstrahl 14 dem Auftreffwinkel α entspricht.
Im Ausführungsbeispiel gemäß 6 ist alternativ zu den in 1 und 5 jeweils dargestellten Ausführungsformen vorgesehen, die an einer Werkstückseite gewünschte Orientierung der Schnittfläche durch ein Verschwenken des beispielsweise kardanisch gelagerten Werkstückes 10 um eine zur aktuellen Schneidrichtung parallele Achse herbeizuführen, wie dies durch den Doppelpfeil 30 veranschaulicht ist.
Grundsätzlich kann auch bei Verwendung der in 1 und 5 dargestellten Ausführungsformen zusätzlich die Möglichkeit vorgesehen sein, das Werkstück 10 gemäß 6 zu verschwenken.

Claims

Vorrichtung zum Laserschneiden eines Werkstückes (10) mit einem relativ zum Werkstück (10) in einer Schneidrichtung (26) entlang einer Schneidlinie (L) geführten Schneidkopf (4), in dem eine Fokussieroptik (8) zum Fokussieren eines von einer Laserstrahlquelle (2) erzeugten Laserstrahlbündels (LS) angeordnet ist, und mit Einstellmitteln zum Einstellen eines vorgebbaren Auftreffwinkels (α) zwischen der auf der Oberfläche (16) des Werkstückes (10) am Ort des Fokus (F) des fokussierten Laserstrahlbündels (LS) senkrecht stehenden Normalen (20) und einer in der senkrecht auf der Schneidrichtung (26) stehenden Ebene liegenden Komponente eines Zentralstrahls (14) des fokussierten Laserstrahlbündels (LS).
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der sich das der Zentralstrahl (14) des Laserstrahlbündels (LS) innerhalb des Schneidkopfes (4) vor der Fokussieroptik (8) parallel zu deren optischen Achse (12) ausbreitet.
Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Einstellmittel zum Erzeugen eines senkrecht auf der Schneidrichtung (26) stehenden Versatzes (Δx) zwischen der optischen Achse (12) und dem Zentralstrahl (14) des sich parallel zu dieser optischen Achse (12) zur Fokussieroptik (8) ausbreitenden Laserstrahlbündels (LS) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, deren Schneidkopf (4) zum Erzeugen des Versatzes (Δx) zumindest einen senkrecht zur optischen Achse (12) verschiebbar angeordneten Umlenkspiegel (6) enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, bei der die Fokussieroptik (8) zum Erzeugen des Versatzes (Δx) quer zur optischen Achse (12) verschiebbar gelagert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, 3 oder 4, bei der das Werkstück (10) um zumindest eine zur optischen Achse (12) der Fokussieroptik (8) senkrechte Achse schwenkbar gelagert ist.