-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
-
Das Laserschneiden von Stählen erobert ein stetig wachsendes Marktvolumen, wobei das Spektrum von dünnsten Folien bis hin zu Stählen mit einer Dicke von mehreren Millimetern reicht.
-
Ein Vorteil des Laserschneidens gegenüber konventionellen Verfahren ist der kontaktlose Einsatz des Laserstrahls am Werkstück. Die hohen Intensitäten und Bearbeitungsgeschwindigkeiten ermöglichen eine minimale Schädigungszone an den Schnittkanten des Werkstücks. Dabei fällt das Laserschneiden in die Kategorie der thermischen Schneideverfahren, welche nach DIN EN ISO 9013 in drei Kategorien unterteilt werden. Diese sind das Brennschneiden, das Schmelzschneiden und das Sublimierschneiden. Die an eine lasergeschnittene Kante gestellten Anforderungen sind beispielsweise hohe Rechtwinkligkeit und eine geringe Rautiefe der Schnittkante (siehe DIN EN ISO 9013). Die Qualität einer Laserschnittkante ist geprägt von Gestaltabweichungen vierter Ordnung, die als Riefen/Schuppen oder Kuppen bezeichnet werden.
-
Beim Laserschmelzschneiden können grundsätzlich zwei Arten von Riefen unterschieden werden, wobei als Unterscheidungsmerkmal die Ausrichtung der Riefen auf der Schnittkante herangezogen wird.
-
Die eine Art von Riefen sind vertikale Riefen, die durch Instabilitäten im Schneidprozess entstehen, die entweder prozess-inhärent sind (das physikalische System aus Wärmeleitung, Schmelzdynamik und Schmelzströmung besitzt ohne äußere Einflüsse schon eine systern-eigene Dynamik, die instabil werden kann) oder durch äußere Fluktuation, wie beispielsweise eine zeitlich fluktuierende Schneidgasströmung oder eine zeitlich veränderliche Intensitätsverteilung der Laserstrahlung, entstehen.
-
Die zweite Art von Riefen sind horizontale Riefen, das bedeutet solche, die eine horizontale Ausrichtung auf der Schnittkante besitzen; diese entstehen durch lokale Intensitätsspitzen, aufgrund derer sich eine Schmelzüberhöhung auf der Schnittkante ausbildet.
-
Diese räumlichen Strukturen werden nachfolgend auch anhand der 4 der Zeichnung dargestellt und erläutert.
-
Bei den heute erhältlichen Laserschneidsystemen ist man meist auf eine Wellenlänge beschränkt und die Materialstärke ist von der Schneidaufgabe abhängig und daher vorgegeben. Die Spaltgeometrie ist eine Größe, die beispielsweise durch die Fokuslage deutlich beeinflusst werden kann. Bei gegebenen Maschinenparametern, wie maximaler Laserleistung oder maximalem Vorschub, kann ein Prozessfenster gefunden werden, welches einen bartfreien Schnitt mit einer niedrigen Schnittkantenrauheit ermöglicht. Mit Hilfe der Fokuslage kann in einem beschränkten Bereich des Prozessfensters ein Einfluss auf die Interferenzstrukturen auf der Schnittkante genommen werden.
-
Aus der
US 5 776 220 A ist ein Verfahren zum Trennen von Platten aus Glas mittels Laserstrahlung unter Ausbildung eines Schnittkanals bekannt.
-
Die
WO 2004 067 220 A1 befasst sich mit dem Schneiden sprödbrüchiger Werkstücke, wie Glas, mit Laserstrahlung, die aus Strahlungsteilen unterschiedlicher Moden besteht.
-
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, horizontale Schmelzüberhöhungen bezogen auf Schnittkanten von mittels Laserstrahl geschnittenen Werkstücken, die durch Beugungsstrukturen und deren lokale Intensitätsspitzen erzeugt werden, zu vermeiden, zumindest zu verringern.
-
Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Mit diesem Verfahren wird das Schneiden von Materialien, die in die schmelzflüssige Phase überführbar sind, insbesondere von metallischen Werkstoffen, ohne die Bildung von horizontalen Riefen, die von Interferenzlinien herrühren, ermöglicht.
-
Das Verfahren gemäß der Erfindung wird zum Schneiden von Materialien, die in die schmelzflüssige Phase überführbar sind, mittels Laserstrahlung durch Materialabtrag unter Ausbildung eines Schnitt-Kanals, der durch Schnittkanten begrenzt ist, eingesetzt. Hierbei bildet sich durch den Schnitt-Kanal, auch als Abtragsvertiefung bezeichnet, eine optische Apertur in dem Material aus, die beugend auf die eingebrachte Laserstrahlung wirkt, wodurch Interferenz-/Beugungs-Muster erzeugt werden. Sobald Strahlungsanteile der Laserstrahlung auf die Oberfläche des Materials und damit auch auf die Schnittkanten, auftreffen, wird dort, auf der Schnittkante, zusätzliches Material aufgeschmolzen oder die schmelzflüssige Phase länger aufrechterhalten. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass sich die Laserstrahlung aus Strahlungsanteilen unterschiedlicher wellenoptischer Moden – hierbei kann es sich um transversale Moden und/oder longitudinale Moden handeln – zusammensetzt. Die Amplitude bzw. der Kontrast der Beugungsstrukturen wird dadurch stark vermindert.
-
Hierbei wird die Erkenntnis genutzt, dass die Ursache für die Entstehung des unerwünschten Kontrastes, der sich durch horizontale Riefen auf der Schnittkante äußert, die Beugung der Laserstrahlung an der Schnittkante der Schnittfuge oder des Schnitt-Kanals und die Fähigkeit der Laserstrahlung zur Interferenz ist. Gerade dieser Kontrast der räumlichen Struktur der Intensitätsverteilung in der Schnittfuge wird verkleinert, indem Laserstrahlung aus mindestens zwei unterschiedlichen wellenoptischen Moden überlagert wird. Eine Überlagerung von unterschiedlichen wellenoptischen Moden der Laserstrahlung erzeugt zu jeder Mode ein – auf der Schnittkante – räumlich verschobenes Beugungsmuster. Im Ergebnis werden z. B. die wellenoptischen Moden selbst, deren Leistungsinhalte und/oder deren Fokusradien so gewählt, dass die Beugungsmaxima der ersten wellenoptischen Mode zwischen den Beugungsminima der zweiten wellenoptischen Mode liegen. Im Ergebnis der Überlagerung wird der Kontrast der überlagerten Beugungsstruktur deutlich kleiner.
-
Unter dem Begriff Eigenschaften wellenoptischer Moden (die Gegenstand der Erfindung sind) werden hier sowohl Eigenschaften von transversalen Moden (das bedeutet beispielsweise Strahlverteilung, Phasenverteilung, Poyntingvektor-Verteilung, Polarisations-Verteilung) als auch Eigenschaften von longitudinalen Moden (das bedeutet beispielsweise Wellenlänge, Frequenz) verstanden. Diese Eigenschaften können zur Auslegung einer Moden-Zusammensetzung genutzt werden, die horizontale Riefen vermeidet.
-
Bevorzugt wird für die Laserstrahlung eine Mischung/Komposition (das bedeutet kohärente oder inkohärente Überlagerung) wellenoptischer, longitudinaler Moden aus mindestens zwei Wellenlängen bzw. zwei Strahlungsanteilen unterschiedlicher Wellenlängen eingesetzt. Die Wellenlängen sind so zu wählen, dass Interferenz-Muster aufgrund der Beugung auf der Schnittkante vermieden werden, da ansonsten ein hoher Kontrast in der absorbierten Leistungsdichteverteilung resultiert und damit punktuell zusätzliches Material aufgeschmolzen wird.
-
Als Laserstrahlung für den Material-Abtrag wird somit eine Wellenlängenmischung aus mindestens zwei Wellenlängen eingesetzt, wobei die mindestens zwei Wellenlängen so gewählt werden, dass sich Interferenz-Beugungsmuster aufgrund der Beugung und Brechung sowohl entlang der Flächen der Abtragsvertiefung als auch im Materialvolumen im Vergleich zu Laserstrahlung mit nur einer der Wellenlängen derart einstellen, dass ein Kontrast K in der räumlichen Struktur der Intensitätsverteilung verkleinert wird, wobei der Kontrast K nach Michelson definiert ist als K = (Imax – Imin)/(Imax/Imin), wobei Imax und Imin die maximale und minimale Intensität der räumlichen Struktur der Intensitätsverteilung angibt. Der Kontrast K nach Michelson ist hierbei ein Maß für das periodische Muster von Beugungsmaxima und Beugungsminima.
-
Der Kontrast sollte auf einem Minimum gehalten werden, indem die zu überlagernden, wellenoptischen Moden, die zu den Moden gehörenden Leistungsinhalte (Amplituden-Spektrum) und/oder die zugehörigen Fokusradien der Teil-Moden angepasst werden.
-
Von Vorteil ist, wenn für die Laserstrahlung eine Mischung/Komposition (d. h. kohärente oder inkohärente Überlagerung) aus mindestens zwei wellenoptischen Moden eingesetzt wird, die so gewählt sind, dass räumliche Positionen von Interferenz-Maxima des einen wellenoptischen Mode in Interferenz-Minima des anderen wellenoptischen Mode fallen.
-
Weiterhin können Strahlungsanteile der Laserstrahlung eingesetzt werden, die Wellenlängen haben, die ganzzahlige Vielfache oder Teiler der Grund-Wellenlängen sind. Die Grund-Wellenlänge ist definiert als die Wellenlänge mit dem größten Leistungsinhalt.
-
Jede Lasermode kann durch einen gesonderten Laser bereitgestellt werden. Dies hat den Vorteil, dass die Fokusradien und die Leistungsanteile der unterschiedlichen Wellenlängen der Laserstrahlung eingestellt werden können. Falls die Laserquelle eine Modulation der Wellenlänge erlaubt, können die unterschiedlichen Wellenlängen durch eine Laserquelle bzw. ein Lasergerät bereitgestellt werden. Zu diesem Zweck werden bevorzugt Diodenlaser eingesetzt.
-
Um den kleinstmöglichen Kontrast zu erreichen, kann die Modenzusammensetzung der Strahlung für die unterschiedlichen wellenoptischen Moden zeitlich moduliert werden. Durch eine hohe zeitliche Modulation werden die Interferenzmuster verwischt, das bedeutet die Position der Interferenzmaxima ändert sich zeitlich auf der Schnittkante.
-
In einer Modifikation des Verfahrens wird die Zusammensetzung der unterschiedlichen wellenoptischen Moden so gestaltet, dass die Wellenfront innerhalb des Schnitt-Kanals bzw. der Schnittfuge derart stark moduliert/verrauscht ist, dass es auf prozess-relevanten Zeitskalen nicht zu Interferenzmustern auf den Schnittkanten kommt. Prozess-relevante Zeitskalen liegen im Bereich unterhalb von 20 kHz. Die Modulation sollte daher bei 20 kHz oder mehr liegen.
-
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt:
-
1 eine nicht maßstäbliche Darstellung der Beugungsmaxima am Schnittspalt und die damit zusammenhängenden Schmelzfilm-Überhöhungen,
-
2 eine Skizze, um das Prinzip der Entstehung horizontaler Riefen beim Schneiden, die auf der Oberfläche der Schnittkante entstehen, zu erläutern; dargestellt ist die rechnerisch bestimmte Intensitätsverteilung (rechts) auf einer vermessenen Schnittkantenoberfläche (links),
-
3 die Intensitätsverteilung auf der Schnittkante bei verschiedenen Moden (3A im Gauss-Mode (Grund-Mode), 3B im Donut-Mode und 3C im Bessel-Mode),
-
4 eine schematische, perspektivische Darstellung eines Materialstücks, an dem mittels Laserstrahlung unter Material-Abtrag eine Abtragskante entlang einer Abtragslinie gebildet ist, und
-
5 beispielhaft eine Intensitätsverteilung einer ebenen Welle an einer beugenden Apertur mit einer Betrachtungsebene zwischen Fern- und Nahfeld bezüglich des Abstands von der Apertur, die hier stellvertretend für die Schnittfuge an der Blechoberseite steht.
-
Die zwei Arten von Riefen, die beim Laserschneiden auftreten können, sind in 4 dargestellt, die eine schematische Darstellung einer Schnittfuge 1 in einem Material 19, das auf dem Schneidfrontscheitel 2 aufgetrennt ist, zeigt.
-
Um den Schnitt 1 zu erzeugen, wird der Laserstrahl entlang der strichpunktierten Linie 3 geführt, wobei ein Abtrag des Materials 19 durch Aufschmelzen, d. h. Überführen des Materials 19 in die schmelzflüssige Phase 4, erfolgt. Die Schnittfuge bzw. der Schnittkanal 1 wird durch zwei Schnittkanten bzw. Abtragskanten 5 (nur eine ist in dem ”Halbschnitt” der 4 zu sehen) und eine Schneidfront 6 mit dem Schneidfrontscheitel 2 begrenzt.
-
Üblicherweise zeigen die Abtragskanten bzw. Schnittkanten 5 mehr oder weniger prägnant ausgeprägte horizontale Riefen 7 und vertikale Riefen 8; außerdem kann sich im Bereich der schmelzflüssigen Phase 4 an der Unterseite des Werkstücks ein Bart 9 ausbilden.
-
Die Riefen 7 und 8 sowie der Bart 9 erfordern gegebenenfalls eine Nachbearbeitung und sollten vermieden oder zumindest verringert werden.
-
Die primäre Ursache für diese horizontalen Riefen 7 sind Beugungsstrukturen der Laserstrahlung. Die beugende Struktur ist die sich ausbildende Schnittfuge 1 bzw. der sich ausbildende Schnitt-Kanal. Durch diese beugende Struktur ergibt sich, ebenso wie bei der Beugung am Spalt, eine Abfolge von Beugungsminima und Beugungsmaxima.
-
Um dies zu erläutern, zeigt die 5 die Intensitätsverteilung einer ebenen Welle gebeugt an einer Apertur oder Blendenöffnung, die in 5 mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist, mit einer Betrachtungsebene zwischen Fern- und Nahfeld von der Werkstückoberseite 11 (siehe 4) aus. In dieser Grafik gibt der Pfeil 20 die Propagationsrichtung der Laserstrahlung an, der Pfeil 21 die Intensität.
-
Anhand dieser Intensitätsverteilung einer ebenen Welle gebeugt an einer Apertur im Bereich der Fresnel-Beugung (Propagationsrichtung vom oberen zum unteren Bildrand) sind deutlich die einzelnen Strahlen der Beugung, die divergent von der beugenden Apertur ausgerichtet sind, zu sehen.
-
Die 3 nun zeigt die daraus resultierenden Intensitätsverteilungen auf der Schnittkante bei Einsatz unterschiedlicher transversaler Moden. In Abhängigkeit der transversalen Moden ändern sich sowohl die Lage als auch die Intensitätsanteile von Minima und Maxima zueinander. Diese Erkenntnis stellt die Basis für Gegenmaßnahmen dar, um die Ausbildung horizontaler Riefen wesentlich zu verringern oder zu vermeiden.
-
Die einzelnen Grafiken der 3A, 3B und 3C zeigen die Intensitätsverteilung auf der Schnittkante bei verschiedenen Moden, wobei 3A die Intensitätsverteilung im Gauss-Mode (auch als Grund-Mode bezeichnet), 3B die Intensitätsverteilung im Donut-Mode und 3C die Intensitätsverteilung im Bessel-Mode darstellt.
-
In den jeweiligen Grafiken geben die horizontalen Achsen die Ausbreitungsrichtung nach der beugenden Struktur an und die vertikalen Achsen geben Intensitäten in willkürlichen Einheiten an. Darüber hinaus sind in den einzelnen Grafiken vertikale Linien eingezeichnet, die in 3A die Lage von Intensitäts-Minima markieren, während sie in 3B die Lage von Intensitäts-Maxima markieren, sofern welche vorhanden sind. Bei dem in 3C dargestellten Bessel-Mode ist keine ausgeprägte Maximum-Minimum-Struktur im Gegensatz zu den beiden anderen Moden, dem Gauss-Mode oder Donut-Mode, zu erkennen. Dies bedeutet, dass diese Mode eine optimale Eigenschaft zur Vermeidung horizontaler Riefen besitzt.
-
In 1 nun sind in einer nicht maßstäblichen Darstellung die Beugungsmaxima an der Schnittfuge 1, die als Beugungsapertur wirkt, und die damit zusammenhängenden Schmelzfilm-Überhöhungen dargestellt. Schmelzfilm-Überhöhung bedeutet, dass eine lokale Anhäufung von Schmelze entsteht. Die Blendenöffnung ist wie oben mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet und der Strahldurchmesser des Laserstrahls mit dem Bezugszeichen 12.
-
Soweit in den einzelnen Figuren Bezugszeichen verwendet sind, so sind Erläuterungen zu den entsprechenden Bezugszeichen anhand der einen Figur auf die andere Figur übertragbar.
-
Es ist zu erkennen, dass Beugungsmaxima 13 neben der nullten Beugungsordnung als Intensitätsspitzen auf den Schnittkanten, die die Blendenöffnung 10 bilden, wirken. Hierdurch kann der Schmelzfilm, d. h. die schmelzflüssige Phase 4, an der Erstarrungslinie 14 (siehe auch 4) länger auf Schmelztemperatur gehalten werden und Schmelze 4 von der Schneidfront 6 kann sich an diesen Orten sammeln.
-
Nach dem Fresnel'schen Beugungsintegral sind die Beugungsstrukturen abhängig von der Wellenlänge (longitudinaler Mode), der Laserstrahlung, der Intensitätsverteilung der Laserstrahlung an der beugenden Struktur (transversale Mode), der Schnitt-Spalt-Geometrie (z. B. Spaltbreite), dem Abstand der Betrachtungsebene von der beugenden Struktur und der Phasenverteilung bzw. Verteilung der Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung an der beugenden Struktur.
-
Damit ist die Beeinflussung der Beugungsstrukturen und damit die Ausbildung der horizontalen Riefen durch die vorstehend genannten Parameter gegeben. Die Erfindung basiert nun darauf, dass sich alle vorstehend genannten Parameter auf Eigenschaften der Moden-Zusammensetzung der eingesetzten Laserstrahlung zurückführen lassen. Selbst die Schnittspaltgeometrie ist letztendlich nur Ergebnis der Bearbeitung mit dem eingesetzten Laserstrahl und damit ebenfalls durch die Moden-Zusammensetzung beeinflussbar.
-
In 2 ist das Prinzip der Entstehung von Interferenz-Linien, die nach dem Schnitt auf der Schnittkante als horizontal verlaufende Riefen/Schmelzfilm-Überhöhungen sichtbar werden, dargestellt. Die Figur stellt die ursächliche Intensitätsverteilung auf der Oberfläche der Schnittkante dar.
-
In 2 gibt die Z-Achse (Z [mm]) die Position auf der Schnittkante in Propagationsrichtung der Laserstrahlung an, während die X-Achse (jE) die absorbierte Leistungsdichte bezeichnet. Anhand der 2 ist zu erkennen, dass die auf der Schnittkante zu beobachtenden horizontalen Riefenstrukturen ursächlich mit den Phänomenen der Beugung und Interferenz an der Schnittkante zusammenhängen.
-
Die räumliche Struktur der Intensitätsverteilung in der Schnittfuge spiegelt sich in einer unerwünscht stark ausgeprägten räumlichen Struktur der Dichte-Verteilung der absorbierten Leistung auf der Schnitt-Oberfläche wieder. Im Ergebnis ist auch die geometrische Form der Schnittkante (1 und 4) moduliert, da sich unerwünschte, horizontal verlaufende Schmelzfilmüberhöhungen ausbilden, die in erstarrter Form nach dem Schnitt auf der Schnittkante prominent sichtbar sind. Hinzu kommt noch, dass diese Überhöhungen der Schmelzfilmdicke den Fluss der Schmelze derart stören/behindern (Trägheit der zusätzlich erzeugten Schmelz-Volumina), dass es zu einem Wellen-Brechen und damit zur Ausbildung von „Läufer-Nasen” im Schmelzfilm kommt, die diese Position auf der Schnittkante zusätzlich auszeichnen.
-
Als Kontrast wird die Abweichung der Intensität der Laserstrahlung von einer räumlich schwach veränderlichen Verteilung bezeichnet, wie sie bei einer ungestört propagierenden Laserstrahlung in der Abtragsvertiefung vorliegen würde (5 und 3).
