DE102014113878B4 - Laser processing system and method for operating the same - Google Patents
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Abstract
Laserbearbeitungsanlage (3) zum Bearbeiten eines Werkstücks (29), insbesondere eines nicht-plattenförmigen Werkstücks, mit einem Laserstrahl (44) mit:einer Werkstücklagerungsvorrichtung (39) zum Lagern des Werkstücks (29),einem Lasersystem zum Bereitstellen des Laserstrahls (44) für ein Bearbeiten des Werkstücks (29) in einem das Werkstück (29) abdeckenden freien Bewegungsmodus und für ein Bearbeiten des Werkstücks (29) in einem auf einen Lokalbereich (41) des Werkstücks (29) beschränkten Lokalmodus undeiner Abschirmvorrichtung (45) mit einem beweglichen Schutzelement (47), wobei die Abschirmvorrichtung (45) zur Positionierung des Schutzelements (47) in einer Freigabestellung (49), die ein freies Einstellen des Laserstrahls (44) relativ zum Werkstück (29) erlaubt, und in einer Abschirmstellung (51), in der vom Lokalbereich (41) ausgehender Materialausstoß (42) und/oder reflektierte Streustrahlung (43) abgeschirmt werden, ausgebildet ist.Laser processing system (3) for processing a workpiece (29), in particular a non-plate-shaped workpiece, with a laser beam (44) with: a workpiece storage device (39) for storing the workpiece (29), a laser system for providing the laser beam (44) for machining the workpiece (29) in a free movement mode covering the workpiece (29) and for machining the workpiece (29) in a local mode restricted to a local area (41) of the workpiece (29), and a shielding device (45) with a movable protective element (47), wherein the shielding device (45) for positioning the protective element (47) in a release position (49), which allows the laser beam (44) to be adjusted freely relative to the workpiece (29), and in a shielding position (51), in the material discharge (42) emanating from the local area (41) and/or reflected scattered radiation (43) are shielded.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laserbearbeitungsanlage zur Bearbeitung eines Werkstücks mit einem Laserstrahl, insbesondere zum Bearbeiten des Werkstücks mit unterschiedlichen Bearbeitungsmodi. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Laserbearbeitungsanlage.The present invention relates to a laser processing system for processing a workpiece with a laser beam, in particular for processing the workpiece using different processing modes. Furthermore, the invention relates to a method for operating a laser processing system.
Es ist bekannt, Laserbearbeitungsanlagen mit Schutzgehäusen zu umgeben, die während des Betriebs der Laserbearbeitungsanlagen nicht geöffnet werden dürfen. Jegliche Strahlung wird innerhalb des Schutzgehäuses gehalten. Neben dem Schutz eines Bedieners können auch Elemente der Laserbearbeitungsanlage geschützt werden, beispielsweise durch die Verwendung von Materialien, die Laserstrahlung ausgesetzt werden dürfen, oder durch Ummanteln von zu schützenden Bauteilen, wie Kabeln, mit derartigen Materialien. Die Verwendung zusätzlicher passiver Schutzmaßnahmen, wie z.B. Blechverkleidungen, senkt jedoch die Maschinendynamik einer Laserbearbeitungsanlage, woraus bei einer großräumigen Bearbeitung eine längere Bearbeitungsdauer resultieren kann.It is known to surround laser processing systems with protective housings that must not be opened while the laser processing systems are in operation. All radiation is contained within the protective housing. In addition to protecting an operator, elements of the laser processing system can also be protected, for example by using materials that may be exposed to laser radiation, or by encasing components to be protected, such as cables, with such materials. However, the use of additional passive protective measures, such as sheet metal cladding, reduces the machine dynamics of a laser processing system, which can result in a longer processing time in large-scale processing.
Da beim Laserschneiden üblicherweise die Schmelze durch den Einsatz eines Schneidgases in Richtung vom Laserbearbeitungskopf weg ausgeblasen wird, entsteht der Großteil schädlichen Materialauswurfs auf der dem Bearbeitungskopf abgewandten Seite eines Werkstücks. Besonders bei einer Bearbeitung von nicht-plattenförmigen Werkstücken kann ein Ausstoß des Materials in Richtung eines zu schützenden Maschinenelements gerichtet sein, oder durch eine Werkstückkontur in dessen Richtung abgelenkt werden. Tritt durch eine Konzentration der Bearbeitung auf einen lokal sehr begrenzten Bereich ein zu einem zu schützenden Maschinenbauteil gerichteter Ausstoß über einen längeren Zeitraum, z.B. länger als 3 Sekunden, aus, kann dies zu einer Schädigung des Maschinenteils führen.Since the melt is usually blown away from the laser processing head by the use of a cutting gas during laser cutting, the majority of harmful material ejection occurs on the side of a workpiece facing away from the processing head. Especially when processing non-plate-shaped workpieces, the material can be ejected in the direction of a machine element to be protected, or it can be deflected in its direction by a workpiece contour. If, as a result of the concentration of processing on a locally very limited area, an ejection directed to a machine component to be protected escapes over a longer period of time, e.g. longer than 3 seconds, this can lead to damage to the machine part.
Für konventionelles Schweißen ist ferner ein reflektives Wärmeschild aus
Einem Aspekt dieser Offenbarung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Laserbearbeitungsanlage anzugeben, die den Schutz von Anlagenkomponenten in Abhängigkeit eines Bearbeitungsmodus der Laserbearbeitungsanlage ermöglicht, beispielsweise für einen Wechsel von einem Laserschneidmodus zu einem Lasermaterialbehandlungsmodus oder von einem Modus, dem ein großer Bearbeitungsbereich zugrunde liegt, zu einem Modus, dem eine lokal (stark) begrenzte Bearbeitung zugrunde liegt. Insbesondere liegt die Aufgabe zugrunde, in Abhängigkeit von möglichen Schadeinflüssen Schutzmaßnahmen vorzusehen, ohne die Maschinendynamik oder den Bearbeitungsbereich der Laserbearbeitungsanlage negativ zu beeinflussen.One aspect of this disclosure is based on the object of specifying a laser processing system that enables the protection of system components depending on a processing mode of the laser processing system, for example for a change from a laser cutting mode to a laser material treatment mode or from a mode that is based on a large processing area to a Mode based on locally (strongly) limited processing. In particular, the object is to provide protective measures depending on possible damaging influences without negatively influencing the machine dynamics or the processing area of the laser processing system.
Zumindest eine dieser Aufgaben wird gelöst durch eine Laserbearbeitungsanlage nach Anspruch 1 und durch ein Verfahren zum Betrieb einer Laserbearbeitungsanlage nach Anspruch 9. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.At least one of these objects is achieved by a laser processing system according to claim 1 and by a method for operating a laser processing system according to claim 9. Further developments are specified in the dependent claims.
In einem Aspekt weist eine Laserbearbeitungsanlage zum Bearbeiten eines Werkstücks mit einem Laserstrahl eine Werkstücklagerungsvorrichtung zum Lagern des Werkstücks und ein Lasersystem zum Bereitstellen des Laserstrahls für ein Bearbeiten des Werkstücks in einem das Werkstück abdeckenden freien Bewegungsmodus und für ein Bearbeiten des Werkstücks in einem auf einen Lokalbereich des Werkstücks beschränkten Lokalmodus auf. Ferner weist die Laserbearbeitungsanlage eine Abschirmvorrichtung mit einem beweglichen Schutzelement auf, wobei die Abschirmvorrichtung zur Positionierung des Schutzelements in einer Freigabestellung, die ein freies Einstellen des Laserstrahls relativ zum Werkstück erlaubt, und in einer Abschirmstellung, in der vom Lokalbereich ausgehende reflektierte Streustrahlung oder andere, für empfindliche Maschinenkomponenten schädliche, durch eine Bearbeitung hervorgerufene Einflüsse, wie ein Materialausstoß, abgeschirmt werden, ausgebildet ist.In one aspect, a laser processing system for processing a workpiece with a laser beam has a workpiece storage device for storing the workpiece and a laser system for providing the laser beam for processing the workpiece in a free movement mode that covers the workpiece and for processing the workpiece in a local area of the Workpiece limited local mode. Furthermore, the laser processing system has a shielding device with a movable protective element, the shielding device for positioning the protective element in a release position that allows the laser beam to be adjusted freely relative to the workpiece, and in a shielding position in which reflected scattered radiation or other radiation emanating from the local area, for sensitive machine components are shielded from harmful influences caused by machining, such as material ejection.
In einem weiteren Aspekt weist eine derartige Laserbearbeitungsanlage einer Abschirmvorrichtung auf, die dazu ausgebildet ist, dass das Schutzelement im freien Bewegungsmodus die Freigabestellung einnimmt und dass das Schutzelement im Lokalmodus die Abschirmstellung einnimmt.In a further aspect, such a laser processing system has a shielding device which is designed so that the protective element is free in the free movement mode position and that the protective element assumes the shielding position in local mode.
In einem weiteren Aspekt weist eine Laserbearbeitungsanlage zum Bearbeiten eines Werkstücks mit einem Laserstrahl eine Werkstücklagerungseinheit zum Lagern des Werkstücks und ein Lasersystem zum Bereitstellen des Laserstrahls für mindestens zwei Arten des Bearbeitens des Werkstücks umfassend einen das Werkstück abdeckenden freien Bewegungsmodus und einen auf einen Lokalbereich des Werkstücks beschränkten Lokalmodus auf. Ferner weist die Laserbearbeitungsanlage eine Abschirmvorrichtung mit einem beweglichen Schutzelement auf, das in einer ersten, dem freien Bewegungsmodus zugeordneten Freigabestellung ein Einstellen des Laserstrahls relativ zum Werkstück freigibt und das in einer zweiten, dem Lokalmodus zugeordneten Abschirmstellung eine vom Lokalbereich ausgehende Reflexions-, oder Ausstoßrichtung abschirmt.In a further aspect, a laser processing system for processing a workpiece with a laser beam has a workpiece storage unit for storing the workpiece and a laser system for providing the laser beam for at least two types of processing of the workpiece, comprising a free movement mode covering the workpiece and one limited to a local area of the workpiece local mode on. Furthermore, the laser processing system has a shielding device with a movable protective element which, in a first release position assigned to the free movement mode, enables adjustment of the laser beam relative to the workpiece and which, in a second shielding position assigned to the local mode, shields a reflection or ejection direction originating from the local area .
In einem weiteren Aspekt weist ein Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks folgende Schritte auf: Positionierung des Schutzelements in einer Freigabestellung, Bearbeiten des Werkstücks mit dem Laserstrahl in einem freien Bewegungsmodus, wobei aufgrund der Positionierung des Schutzelements in der Freigabestellung eine Relativpositionierung von Bearbeitungskopf und Werkstück durch das Schutzelement im Wesentlichen unbeeinträchtigt ist, Positionierung des Schutzelements in einer Abschirmstellung und Bearbeiten eines Werkstücks mit dem Laserstrahl in einem Lokalmodus, wobei aufgrund der Positionierung des Schutzelements in der Abschirmstellung die Relativpositionierung von Bearbeitungskopf und Werkstück durch das Schutzelement beeinträchtigt ist, aber eine mögliche reflektierte Streustrahlung oder ein möglicher Materialausstoß aus dem Werkstück, wie z.B. Schlackespritzer, vom Auftreffen auf den zu schützenden Abschnitt durch das Schutzelement geblockt wird.In a further aspect, a method for processing a workpiece has the following steps: positioning the protective element in a release position, processing the workpiece with the laser beam in a free movement mode, with the positioning of the protective element in the release position permitting a relative positioning of the processing head and the workpiece by the protective element is essentially unimpaired, positioning the protective element in a shielding position and processing a workpiece with the laser beam in a local mode, with the positioning of the protective element in the shielding position impairing the relative positioning of the processing head and workpiece by the protective element, but possible reflected scattered radiation or a possible material discharge from the workpiece, such as slag spatter, is blocked by the protective element from hitting the section to be protected.
In einigen Ausführungsformen erlaubt das auf den Betriebsmodus angepasste Laserschutzkonzept, Arbeitsabläufe bei der Bearbeitung von Werkstücken zu vereinfachen und zu beschleunigen. Dies beruht unter anderem darauf, dass im Arbeitsraum kein festes Schutzelement zum Schutz vor räumlich über einen längeren Zeitraum auftretender (Laser-)Strahlung und/oder vor räumlich über einen längeren Zeitraum auftretendem schädlichen Materialausstoß angeordnet ist. Derartige Strahlung kann insbesondere durch Reflexionen des Laserstrahls bei der Bearbeitung, beispielsweise beim Laserglühen oder Laserhärten, entstehen. Schädliche Materialauswürfe kann vor allem beim Laserschneiden oder Laserschweißen entstehen, wenn ein Lokalbereich bearbeitet wird, der derart angeordnet ist, dass direkt oder durch Ablenkung einer dahinterliegenden Struktur der Materialauswurf auf empfindliche Materialien/Gegenstände gerichtet wird.In some embodiments, the laser protection concept adapted to the operating mode allows work processes in the processing of workpieces to be simplified and accelerated. This is based, among other things, on the fact that no fixed protective element is arranged in the work area to protect against (laser) radiation occurring spatially over a longer period of time and/or against harmful material emissions occurring spatially over a longer period of time. Radiation of this type can arise in particular as a result of reflections of the laser beam during processing, for example during laser annealing or laser hardening. Harmful material ejection can occur primarily during laser cutting or laser welding if a local area is processed that is arranged in such a way that the material ejection is directed at sensitive materials/objects, directly or by deflection of a structure behind it.
In einigen Ausführungsformen wird eine hohe Maschinendynamik im Bewegungsmodus mit einer benötigten Abschirmung von Streustrahlung im Lokalmodus gewährleistet.In some embodiments, high machine dynamics are ensured in the movement mode with a required shielding from stray radiation in the local mode.
Die hierein beschriebenen Konzepte betreffen insbesondere die Bearbeitung von Bauteilen, bei denen sowohl eine Schneid- und/oder Schweißbearbeitung als auch eine lokale Wärmebehandlung durchgeführt werden soll. Die bei der Wärmebehandlung auftretende Streustrahlungskonzentration kann z.B. durch steuerbare bewegliche Schutzelemente abgeschirmt werden. Da die Schutzelemente nur für die Wärmebehandlung benötigt werden, werden sie für die Dauer der Wärmebehandlung in den, für eine andere Art der Laserbearbeitung notwendigen, Bewegungsbereich des Bearbeitungskopfes hineinbewegt. Beispielhafte Wärmebehandlungsverfahren umfassen Laserglühen (wie Weichglühen und Spannungsarmglühen) und Laserhärten.The concepts described herein relate in particular to the processing of components in which both cutting and/or welding processing and local heat treatment are to be carried out. The scattered radiation concentration that occurs during the heat treatment can be shielded, for example, by controllable, movable protective elements. Since the protective elements are only required for the heat treatment, for the duration of the heat treatment they are moved into the movement range of the processing head required for another type of laser processing. Exemplary heat treatment processes include laser annealing (such as soft annealing and stress relieving) and laser hardening.
In einigen Ausführungsformen wird die Gefahr der Zerstörung von Werkzeugmaschinenbauteilen, insbesondere von Teilen der Laserbearbeitungsanlage, durch reflektierte Laserstrahlung beim partiellen Weichglühen eines Werkstücks mit der Laserstrahlung reduziert. Einige der hierin offenbarten Konzepte ermöglichen über ein Einfahren einer partiellen Abschirmung (z.B. in Form eines Schutzelements) einen Schutz strahlungsempfindlicher Werkzeugmaschinenbauteile.In some embodiments, the risk of the destruction of machine tool components, in particular parts of the laser processing system, is reduced by reflected laser radiation during the partial soft annealing of a workpiece with the laser radiation. Some of the concepts disclosed herein enable radiation-sensitive machine tool components to be protected by retracting a partial shield (e.g. in the form of a protective element).
Ebenso kann die Gefahr der starken Verschmutzung oder Zerstörung empfindlicher Maschinenkomponenten, beispielsweise der Faltenbälge, durch schädigenden Materialauswurf, wie Schlackespritzer, welcher aufgrund einer lokal begrenzten, andauernden Bearbeitung in Richtung der empfindlichen Maschinenkomponenten ausgestoßen wird, durch das Einfahren einer partiellen Abschirmung reduziert.Likewise, the risk of severe contamination or destruction of sensitive machine components, such as the bellows, through damaging material ejection, such as slag spatter, which is ejected in the direction of the sensitive machine components due to locally limited, ongoing processing, can be reduced by retracting a partial shield.
Ein derartiges Hineinbewegen der Abschirmung in den Arbeitsraum ist notwendig, da eine fest installierte Abschirmung zu einer meist unzulässigen Störkontur bei z.B. einer großräumigeren Schneidbearbeitung eines Werkstücks führen kann.It is necessary to move the shielding into the working area in this way, since a permanently installed shielding can lead to a mostly impermissible interfering contour, e.g. when cutting a workpiece over a large area.
In einigen Weiterbildungen ist das Lasersystem dazu ausgebildet, den Laserstrahl im freien Bewegungsmodus in einem Arbeitsbereich der Laserbearbeitungsanlage und im Lokalmodus auf einen begrenzten Lokalbereich des Werkstücks einzustrahlen und/oder einen Strahldurchmesser auf dem Werkstück im Lokalmodus größer als im Bewegungsmodus einzustellen. Das Lasersystem kann ferner einen Bearbeitungskopf aufweisen, der relativ zum Werkstück positionierbar ist und aus dem der Laserstrahl austritt. Der freie Bewegungsmodus kann einer Laserbearbeitung entsprechen, bei der sich die reflektierte Streustrahlung aufgrund der Bewegung des Laserstrahls relativ zum Werkstück in seiner räumlichen Verteilung kontinuierlich ändert, und/oder wobei der freie Bewegungsmodus zum Laserschneiden und/oder Laserschweißen einsetzbar ist. Der Lokalmodus kann einer Laserbearbeitung entsprechen, bei der die Bedingungen für die Erzeugung der reflektierten Streustrahlung aufgrund der Beschränkung der Laserbearbeitung auf den Lokalbereich im Wesentlichen räumlich und/oder über die Anwendungszeit des Lokalmodus gleich bleiben. Dies kann beispielsweise bei einem Glühen eines zum Schweißen vorgesehenen Flanschbereichs eintreten. Der Lokalmodus kann für Wärmebehandlungsverfahren wie zum Laserwärmen und/oder Laserglühen einsetzbar sein.In some developments, the laser system is designed to irradiate the laser beam in free movement mode in a working area of the laser processing system and in local mode onto a limited local area of the workpiece and/or to set a beam diameter on the workpiece larger in local mode than in movement mode. The laser system may also include a processing head that is relatively can be positioned relative to the workpiece and from which the laser beam emerges. The free movement mode can correspond to laser processing in which the reflected scattered radiation changes continuously in its spatial distribution due to the movement of the laser beam relative to the workpiece, and/or the free movement mode can be used for laser cutting and/or laser welding. The local mode can correspond to laser processing in which the conditions for generating the reflected scattered radiation remain essentially the same spatially and/or over the application time of the local mode due to the limitation of the laser processing to the local area. This can occur, for example, when a flange area intended for welding is annealed. The local mode can be used for heat treatment processes such as laser heating and/or laser annealing.
Der freie Bewegungsmodus kann ferner einer Laserbearbeitung entsprechen, bei der sich ein Materialauswurf, z.B. in Form von Schlackespritzern, aufgrund der Bewegung des Laserstrahls relativ zum Werkstück in seiner räumlichen Verteilung kontinuierlich ändert, und/oder wobei der freie Bewegungsmodus zum Laserschneiden einsetzbar ist. Der Lokalmodus kann einer Laserbearbeitung entsprechen, bei der die Ausstoßrichtung des Materialauswurfs aufgrund der Beschränkung der Laserbearbeitung auf den Lokalbereich im Wesentlichen räumlich und/oder über die Anwendungszeit des Lokalmodus im Wesentlichen gleich bleiben. Dies kann beispielsweise bei einer über einen längeren Zeitraum räumlich begrenzten Schneidbearbeitung eintreten, wie z.B. bei der Schneidbearbeitung feiner Strukturen, der Bearbeitung von Rohrenden oder einem Stillstand des Bearbeitungskopfes bei gleichzeitiger Bewegung des Werkstückes.The free movement mode can also correspond to laser processing in which a material ejection, e.g. in the form of slag spatter, changes continuously in its spatial distribution due to the movement of the laser beam relative to the workpiece, and/or the free movement mode can be used for laser cutting. The local mode may correspond to laser processing in which the ejection direction of the material ejection remains substantially the same spatially and/or over the application time of the local mode due to the confinement of the laser processing to the local area. This can occur, for example, when cutting in a limited space over a longer period of time, such as when cutting fine structures, machining pipe ends or when the machining head is at a standstill while the workpiece is moving at the same time.
In einigen Weiterbildungen kann sich das Schutzelement in der Abschirmstellung in einem für die Laserbearbeitung im Bewegungsmodus notwendigen Bewegungsbereich des Bearbeitungskopfes befinden und/oder die Abschirmstellung kann derart vorgesehen sein, dass aufgrund der räumlichen Ausdehnung der Abschirmvorrichtung, und insbesondere des Schutzelements, das Einstellen des Laserstrahls relativ zum Werkstück, insbesondere beim Bewegen des Bearbeitungskopfes hin zu oder von dem Lokalbereich weg, eingeschränkt ist. Ferner kann die Abschirmstellung derart vorgesehen sein, dass eine Beschädigung eines andernfalls der reflektierten Streustrahlung oder des Materialauswurfs ausgesetzten zu schützenden Abschnitts aufgrund der Abschirmung durch das Schutzelement vermieden wird.In some developments, the protective element can be located in the shielding position in a movement range of the processing head that is necessary for laser processing in the movement mode and/or the shielding position can be provided in such a way that due to the spatial expansion of the shielding device, and in particular of the protective element, the laser beam can be adjusted relatively to the workpiece, particularly when moving the machining head toward or away from the local area. Furthermore, the shielding position can be provided in such a way that damage to a section to be protected, which is otherwise exposed to the reflected scattered radiation or the material ejection, is avoided due to the shielding by the protective element.
In einigen Weiterbildungen kann die Laserbearbeitungsanlage ferner eine Steuerung aufweisen, die dazu ausgebildet ist, das Schutzelement beim Betreiben des Lasersystems im freien Bewegungsmodus in die Freigabestellung und beim Betreiben des Lasersystems im Lokalmodus in der Abschirmstellung zu positionieren. Ferner kann die Laserbearbeitungsanlage ein Bauteil aufweisen, das gegen Einstrahlung von reflektierter Strahlung und/oder Materialauswurf zu schützen ist, insbesondere eine Kunststoffkomponente, einen Balg, ein Kabel oder einen Schlauch. Ferner kann die Laserbearbeitungsanlage das Werkstück umfassen, das einen Abschnitt aufweist, der gegen Einstrahlung von reflektierter Streustrahlung und/oder gegen Materialauswurf zu schützen ist, insbesondere einen Oberflächenabschnitt.In some developments, the laser processing system can also have a controller which is designed to position the protective element in the release position when the laser system is operated in the free movement mode and in the shielding position when the laser system is operated in the local mode. Furthermore, the laser processing system can have a component that is to be protected against irradiation of reflected radiation and/or material ejection, in particular a plastic component, a bellows, a cable or a hose. Furthermore, the laser processing system can include the workpiece, which has a section that is to be protected against irradiation of reflected scattered radiation and/or against material ejection, in particular a surface section.
In einigen Weiterbildungen kann die Abschirmvorrichtung an der Werkstücklagerungsvorrichtung oder an dem Lasersystem angebracht sein. Die Abschirmvorrichtung kann dem Abschirmen eines Flanschbereichs des Werkstücks, für den ein Weichglüharbeitsschritt im Lokalmodus vorgesehen ist, dienen. Ferner kann das Schutzelement durch Einfahren, Einschwenken und/oder Eindrehen von der Freigabestellung in die Abschirmstellung gebracht werden, und/oder das Schutzelement kann als auswechselbares Ersatzteil und/oder als Schirm ausgebildet sein.In some developments, the shielding device can be attached to the workpiece storage device or to the laser system. The shielding device can serve to shield a flange region of the workpiece for which a soft annealing operation in the local mode is intended. Furthermore, the protective element can be brought from the release position into the shielding position by retracting, pivoting and/or turning in, and/or the protective element can be designed as an exchangeable spare part and/or as a shield.
In einigen Weiterbildungen kann die Werkstücklagerungsvorrichtung eine Werkstückauflage, mehrere von mit der Steuerung verbundenen Steuerungsschnittstellen und mehrere Haltevorrichtungen, wie Werkstückspanner, aufweisen. Die Haltevorrichtungen können modular an der Werkstücklagerungsvorrichtung zum Halten des Werkstücks angebracht werden und über entsprechend zugeordnete Steuerungsschnittstellen zum Einnehmen einer Entnahmestellung oder einer Haltestellung angesteuert werden. Ferner kann die Abschirmvorrichtung über eine mit der Steuerung verbundene und an der Werkstücklagerungsvorrichtung vorgesehene Steuerungsschnittstelle zum Einnehmen der Freigabestellung oder der Abschirmstellung ansteuerbar sein.In some developments, the workpiece storage device can have a workpiece support, a number of control interfaces connected to the controller and a number of holding devices, such as workpiece clamps. The holding devices can be attached modularly to the workpiece storage device for holding the workpiece and can be controlled via correspondingly assigned control interfaces to assume a removal position or a holding position. Furthermore, the shielding device can be controlled via a control interface connected to the controller and provided on the workpiece storage device to assume the release position or the shielding position.
Hierin werden Konzepte offenbart, dies es erlauben, zumindest teilweise Aspekte aus dem Stand der Technik zu verbessern. Insbesondere ergeben sich weitere Merkmale und deren Zweckmäßigkeiten aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:
-
1 eine schematische räumliche Darstellung einer in mehreren Betriebsmodi betreibbaren Werkzeugmaschine, -
2 eine schematische räumliche Darstellung einer beispielsweise in der Werkzeugmaschine aus1 vorgesehenen Laserbearbeitungsanlage mit einer Abschirmvorrichtung, -
3 eine schematische Seitenansicht einer Laserbearbeitungsanlage ohne Abschirmvorrichtung zur Verdeutlichung der Situation bei Anlagen gemäß dem Stand der Technik, -
4 eine schematische Seitenansicht der Laserbearbeitungsanlage mit der Abschirmvorrichtung gemäß2 in einer Freigabestellung, -
5 eine schematische Seitenansicht der Laserbearbeitungsanlage mit der Abschirmvorrichtung gemäß2 in einer Abschirmstellung und -
6 eine schematische Seitenansicht der Laserbearbeitungsanlage mit der Abschirmvorrichtung gemäß2 in einer Abschirmstellung für ein Bauteil mit einer lokalen, den Schmelzaustrieb ablenkenden Kontur.
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1 a schematic spatial representation of a machine tool that can be operated in several operating modes, -
2 a schematic spatial representation of, for example, in the machine tool1 provided laser processing system with a shielding device, -
3 a schematic side view of a laser processing system without a shielding device to illustrate the situation in systems according to the prior art, -
4 a schematic side view of the laser processing system with the shielding device according to FIG2 in a release position, -
5 a schematic side view of the laser processing system with the shielding device according to FIG2 in a shielding position and -
6 a schematic side view of the laser processing system with the shielding device according to FIG2 in a shielding position for a component with a local contour that deflects the melt flash.
In
Ein nicht explizit in
Weitere Komponenten der Werkzeugmaschine 1 umfassen beispielsweise einen Rotationswechsler 13 zum Halten von zu bearbeitenden Werkstücken und zum leichten Entnehmen von bearbeiteten Werkstücken, einen Kompaktentstauber 15 zur Absaugung von Rauchgasen und Schwebeteilchen aus dem Innenraum, einen Schrottförderer 17 sowie integrierte, nicht explizit gezeigte Elemente für die Pneumatik, für die Schneid- und Schweißgasversorgung sowie für die Zentralschmierung. Ferner kann ein Lichtgitter 19 einen externen Zugangsbereich zum Rotationswechsler 13 abgrenzen.Other components of the machine tool 1 include, for example, a
Ein durch die CNC-Steuerung kontrollierter Arbeitsablauf erlaubt die Bearbeitung des Werkstücks auf eine vorbestimmte Art und Weise unter Zusammenwirken der verschiedensten Komponenten der Laserbearbeitungsmaschine. So kann nacheinander ein Arbeitsablauf wiederholt durchgeführt und eine große Anzahl von Werkstücken effizient und gleich bearbeitet werden. Üblicherweise erfolgt in einem nachfolgenden Herstellungsschritt eine Weiterverarbeitung des Werkstücks.A work sequence controlled by the CNC control allows the workpiece to be processed in a predetermined manner with the interaction of the various components of the laser processing machine. In this way, a work process can be repeatedly carried out one after the other and a large number of workpieces can be processed efficiently and equally. The workpiece is usually processed further in a subsequent production step.
Hierin beschriebene Aspekte basieren zum Teil auf der Erkenntnis, dass verschiedene Betriebsmodi unterschiedliche räumliche Anforderungen hinsichtlich der Relativpositionierung von Bearbeitungskopf und Werkstück aufweisen. Entsprechend können Schutzmaßnahmen vorgesehen werden, die selektiv für einen Betriebsmodus (oder auch selektiv für mehrere Beriebsmodi) aktivierbar sind. Insbesondere wurde erkannt, dass in einem Lokalmodus, in dem die Laserbearbeitung auf einen Teilbereich des Arbeitsraums eingeschränkt ist, reflektiertes Licht und/oder Materialauswurf unter ähnlichen Bedingungen über einen längeren Zeitraum entstehen kann. Trifft z.B. das reflektierte Licht über den längeren Zeitraum auf ein absorbierendes Material, kann dieses beschädigt oder sogar zerstört werden. Für eine flexibel einstellbare Abschirmung wird vorgeschlagen, das zugehörige reflektierte Licht und/oder der Materialauswurf in diesem speziellen Betriebsmodus durch eine Abschirmvorrichtung abzuschirmen, wobei die Abschirmvorrichtung derart ausgebildet ist, dass sie in einem Bewegungsmodus, bei dem die Bearbeitung nicht durch eine derartige Abschirmung eingeschränkt werden sollte, die Bearbeitung räumlich freigibt. Entsprechend kann eine Abschirmvorrichtung vorgesehen werden, die selektiv auf den Lokalmodus angepasst ist.Aspects described herein are based in part on the recognition that different modes of operation have different spatial requirements in terms of relative positioning of the processing head and the workpiece. Correspondingly, protective measures can be provided which can be activated selectively for one operating mode (or also selectively for a number of operating modes). In particular, it was recognized that in a local mode, in which the laser processing is restricted to a sub-area of the workspace, reflected light and/or material ejection can occur under similar conditions over a longer period of time. If, for example, the reflected light hits an absorbent material over a longer period of time, it can be damaged or even destroyed. For a flexibly adjustable shielding, it is proposed to shield the associated reflected light and/or the material ejection in this special operating mode by a shielding device, with the shielding device being designed in such a way that they are not restricted by such a shielding in a movement mode in which the processing is not restricted should, the processing releases spatially. Accordingly, a shielding device can be provided which is selectively adapted to the local mode.
Nach den hierin offenbarten Abschirmkonzepten kann beispielsweise eine Laserschneidanlage auch für Wärmebehandlungsverfahren, z.B. Laserglühen oder Laserhärten, eingesetzt werden, wobei das Risiko der Beschädigung von Bauteilen der Werkzeugmaschine oder des Werkstücks durch reflektierte Laserstrahlung und/oder durch Materialauswurf reduziert werden kann. Insbesondere wird hierin vorgeschlagen, eine Werkzeugmaschine derart auszugestalten, dass zur Vorbereitung der Weiterverarbeitung ein Werkstück lokal einer Wärmebehandlung unterzogen werden kann. Beispielsweise wird im Anschluss an einen Laserschneidvorgang, der zu einer vorbestimmten Formgebung eines Werkstücks führt, ein (Laser-) Weichglühen vorgenommen, um einen Flanschbereich für einen (z.B. Laser-) Schweißvorgang vorzubereiten.According to the shielding concepts disclosed here, for example, a laser cutting system can also be used for heat treatment processes, e.g. In particular, it is proposed here to design a machine tool in such a way that a workpiece can be subjected to a local heat treatment in preparation for further processing. For example, following a laser cutting process that results in a predetermined shape of a workpiece, (laser) soft annealing is performed to prepare a flange area for a (e.g. laser) welding process.
Nach den hierin offenbarten Abschirmkonzepten können innerhalb eines Arbeitsablaufs verschiedene Betriebsmodi eingesetzt werden. Die Bearbeitung kann beispielsweise nacheinander oder abwechselnd in einem Bewegungsmodus und einem Lokalmodus erfolgen. Der Bewegungsmodus und der Lokalmodus werden in Zusammenhang mit den
Allgemein umfassen die Strahlführungskomponenten Laserlichtkabel, eine Z-Pinole, eine Kollimationsoptik und eine Bearbeitungsoptik zum Leiten und Fokussieren des Laserstrahls auf ein Werkstück 29. Die Bearbeitungsoptik ist üblicherweise in einem Bearbeitungskopf 37 vorgesehen, der im Wesentlichen frei positioniert und ausgerichtet werden kann, und aus dem der Laserstrahl austritt. Insbesondere kann der Bearbeitungskopf 37 in einem durch die X-, Y- und Z- Schlitten 23, 25, 27 sowie die Beweglichkeit der Z-Pinole bestimmten Bereich jede einstellbare Position und Orientierung einnehmen. Den X-, Y- und Z- Schlitten 23, 25, 27 sind Antriebseinheiten zugeordnet, die es erlauben, eine Relativbewegung des Bearbeitungskopfs 37 bezüglich des Werkstücks 29 durchzuführen. Daraus ergibt sich ein Arbeitsraum, der alle Punkte umfasst, die durch den entsprechend fokussierten austretenden Laserstrahl bearbeitbar sind.In general, the beam delivery components include laser light cables, a Z-quill, collimation optics, and processing optics for directing and focusing the laser beam onto a
Dieser Arbeitsraum steht der Bearbeitung des Werkstücks 29 insbesondere im Bewegungsmodus zur Verfügung, wobei das Werkstück 29 in der Ausführung gemäß
Allgemein sind umgeformte Blechteile ein Beispiel für ein dreidimensional, variabel geformtes Werkstück 29. Das Werkstück 29 ist beispielsweise ein warmumgeformtes Strukturteil für ein Kraftfahrzeug, z.B. eine B-Säule.In general, formed sheet metal parts are an example of a three-dimensional, variably shaped
Beispielsweise wird beim Laserschneiden mit dem Laserstrahl zunächst in das Werkstück 29 eingestochen, d. h. das Werkstück 29 wird an einer Stelle punktförmig aufgeschmolzen (Schmelzschnitt) oder aufgeschmolzen und oxidiert (Brennschnitt) und die hierbei entstehende Schmelze wird ausgeblasen und kann zu Materialauswurf führen. Nachfolgend werden der Laserstrahl und das Werkstück 29 relativ zueinander bewegt, sodass eine zweidimensionale Bearbeitungsbahn einen durchgängigen Schnittspalt bewirkt, entlang dessen der Laserstrahl das Werkstück 29 durchtrennt. Beispielsweise werden so Aussparungen in das Werkstück 29 eingebracht und dessen Außenmaße an Sollwerte angepasst. Entsprechend muss das Werkstück 29 rundum und im Bereich der Aussparungen frei zugänglich sein.For example, in the case of laser cutting, the laser beam first pierces the
Die Innenwände der Schutzkabine 11 sind üblicherweise aus Blech (als Beispiel eines festen, nicht Laserlicht-durchlässigen Materials) geformt und können spezielle absorbierende Fenster zum Einsehen und Überwachen der Bearbeitung aufweisen.The inner walls of the
Allerdings können sich im Innenraum der Werkzeugmaschine 1 auch Bauteile befinden, die durch Laserstrahlung sowie durch reflektierte Laserstrahlung (und/oder Materialauswurf) beschädigt werden können. Dies sind beispielsweise Bälge (wie die in
Die schematische Seitenansicht der
Um derartige Bauteile der Werkzeugmaschine 1 oder auch Oberflächenabschnitte des Werkstücks 29 zu schützen, weist die Laserbearbeitungsanlage 3 ferner eine Abschirmvorrichtung 45 auf. In der Ausführungsform gemäß
Die Abschirmvorrichtung 45 weist ein Schutzelement 47 auf. Das Schutzelement 47 ist beweglich gelagert, so dass es zwei Stellungen einnehmen kann. In der einen Stellung weist das Schutzelement 47 von der Arbeitsauflage weg, so dass der Arbeitsbereich oberhalb des Werkstücks 29 nicht eingeschränkt wird. Diese Stellung wird hierein als Freigabestellung 49 bezeichnet und ist in der schematischen Seitenansicht der
In der anderen Stellung weist das Schutzelement 47 nach oben. Dadurch kann das Schutzelement 47 in den Arbeitsbereich hineinragen und diesen einschränken. Beispielsweise wird die Bewegungsfreiheit des Bearbeitungskopfes 37 im Bereich des Schutzelements 47 eingeschränkt. Zum Beispiel kann der Bearbeitungskopf 37 nicht mehr den gesamten Verschiebebereich in Richtung des Schutzelements 47 einnehmen.In the other position, the
Diese zweite Stellung wird hierin als Abschirmstellung 51 bezeichnet und ist in der schematischen Seitenansicht der
Entsprechend kann die Abschirmvorrichtung 45 z.B. aus einem den Stellungswechsel bewirkenden Zylinder, einem Gelenk und dem Schutzelement 47 bestehen. Zur Ansteuerung der Abschirmvorrichtung 45 kann diese, insbesondere der Zylinder, mit einer der üblicherweise für die Halterung des Werkstücks 29 mittels Spannelementen und/oder Saugern vorgesehenen und frei konfigurierbaren Steuerungsschnittstelle einer Maschinensteuerung verbunden sein. Derartige Steuerungsschnittstellen sind beispielsweise bei den Laserbearbeitungsmaschinen der Baureihe TruLaser Cell der Firma Trumpf GmbH + Co, wie den Werkzeugmaschinen TruLaserCell 8030 oder TruLaser Cell Serie 7000, vorgesehen. Mit derartigen Steuerungsschnittstellen kann der Anwender komplette Automatikabläufe beispielsweise über Ein- und Ausgänge für unterschiedlichste Elemente, wie beispielsweise Pneumatikzylinder, Magnetventile, Endlagensensoren, Fußtaster, Statusleuchten oder andere Automatisierungskomponenten, ansteuern.Correspondingly, the shielding
Somit kann die Abschirmvorrichtung 45 beispielsweise zusammen mit Spannzylindern, Spannelementen, Sensoren, Tastern und/oder Statusleuchten die konfigurierten Elemente eines Ablaufs zur Bearbeitung eines Werkstücks bilden. Ferner kann die Abschirmvorrichtung 45 automatisch aktiviert werden, sobald eine Laserbearbeitung in einem Lokalmodus erfolgt. Dazu erhält die Maschinensteuerung ein entsprechendes Signal, das die Laserbearbeitung im Lokalmodus angibt, und aktiviert eine dem entsprechenden Lokalmodus zugeordnete Abschirmstellung 51 der Abschirmvorrichtung 45, solange das Signal vorliegt. Die gleiche oder eine weitere Abschirmvorrichtung kann entsprechend für eine weitere Wärmebehandlung eines anderen Abschnitts der Werkstücks 29 aktiviert werden.The shielding
Im Folgenden wird ein beispielhafter Ablauf einer Laserbearbeitung mit einer Laserschneidbearbeitung und einer Laserglühbehandlung dargestellt. In der beispielsweise als SpeicherProgrammierbare-Steuerung ausgebildeten Werkzeugsteuerung können mehrere Abläufe gespeichert, gleichzeitig geladen und/oder aktiviert werden.An exemplary course of a laser processing with a laser cutting processing and a laser annealing treatment is presented below. In the tool control designed, for example, as a programmable logic controller, several processes can be stored, loaded and/or activated at the same time.
Zu Beginn der Bearbeitung wird der Rotationswechsler manuell oder automatisiert mit einem Werkstück beladen. Ein oder mehrere Näherungsschalter prüfen, ob das Werkstück vorhanden und korrekt positioniert ist, bevor entsprechende Spannvorrichtung schließen können. Deren Ansteuerung kann elektrisch oder pneumatisch erfolgen, wobei die Spannvorrichtungen ihren Zustandswechsel der Maschinensteuerung mitteilen und der Rotationswechsler aus der Be- und Entladeposition in die Bearbeitungsposition dreht. Dann kann die Laserschneidbearbeitung in einem Bewegungsmodus, d.h. im gesamten Bereich des Werkstücks, beginnen.At the start of processing, the rotary changer is loaded with a workpiece either manually or automatically. One or more proximity switches check whether the workpiece is present and correctly positioned before the corresponding clamping device can close. They can be controlled electrically or pneumatically, with the clamping devices communicating their status change to the machine control and the rotation changer turning from the loading and unloading position to the processing position. Then the laser cutting can start in one movement mode, i.e. in the entire area of the workpiece.
Sind die Schneidarbeiten durchgeführt, positioniert sich der Bearbeitungskopf für die Wärmebehandlung. Beispielsweise wird der Abstand zur Oberfläche vergrößert, um großflächig beispielsweise einem Flanschbereich Wärme zuzuführen. Zeitgleich oder im Anschluss wechselt die Abschirmvorrichtung in die Abschirmstellung. Die Abschirmvorrichtung kann beispielsweise über eine Steuerungsschnittstelle auf dem Rotationswechsler elektrisch und/oder pneumatisch angeschlossen und angesteuert werden. Die Abschirmvorrichtung kann z.B. im Automatikbetrieb programmgesteuert und pneumatisch angesteuert werden. Im Einrichtebetrieb kann die Abschirmvorrichtung über Schaltglieder bedient werden. Das Erreichen der Abschirmstellung kann, muss aber nicht, überwacht werden. Wurde die Wärmebehandlung vollzogen, kann die Abschirmvorrichtung wieder in die Freigabestellung zurückwechseln. Alternativ kann ein weiterer Flanschbereich wärmebehandelt werden.Once the cutting work has been completed, the processing head positions itself for the heat treatment. For example, the distance to the surface is increased in order to supply heat over a large area, for example to a flange area. At the same time or afterwards, the shielding device changes to the shielding position. The shielding device can, for example, be connected and controlled electrically and/or pneumatically via a control interface on the rotary changer. The shielding device can, for example, be program-controlled and pneumatically activated in automatic mode. In set-up mode, the shielding device can be operated via switching elements. Reaching the shielded position can, but does not have to, be monitored. If the heat treatment was completed, the shielding device switch back to the release position. Alternatively, another flange area can be heat treated.
Nach Beendigung der Laserbearbeitung dreht der Rotationswechsler zurück in die Be- und Entladeposition. Ein zwischenzeitlich auf einem weiteren Lagerungsbereich vorbereitetes Werkstück wird dadurch in den Arbeitsbereich gebracht und der entsprechende Ablauf wiederholt.After completing the laser processing, the rotary changer turns back to the loading and unloading position. A workpiece that has been prepared in the meantime in another storage area is thus brought into the work area and the corresponding sequence is repeated.
Kann ein Teilschritt des Ablaufs nicht korrekt ausgeführt werden, kann der Ablauf abgebrochen und evtl. automatisch neu gestartet werden. Alternativ kann ein Fehlersignal ausgegeben werden, das z.B. an der Bedienkonsole angezeigt wird, um ein aktives Abbrechen durch den Anwender anzustoßen.If a partial step of the process cannot be executed correctly, the process can be aborted and possibly restarted automatically. Alternatively, an error signal can be output, which is displayed on the operator console, for example, in order to trigger an active cancellation by the user.
Allgemein können die Bearbeitung im Bewegungsmodus und die Erwärmung im Lokalmodus in beliebiger Reihenfolge durchgeführt werden oder deren Durchführung beliebig wiederholt werden.In general, the moving mode processing and the local mode heating may be performed in any order, or their performance may be repeated at will.
Die vorangehenden beispielhaften Anwendungsfälle beziehen sich auf eine Abschirmung der bei der Laserbearbeitung entstehenden Streustrahlung. Ebenso ist es möglich, dass bei einer Laserbearbeitung der bereits angesprochene Materialauswurf, z.B. in Form von Schlackespritzern, wie z.B. bei einer Laserschneidbearbeitung, entsteht. Beim Schneidvorgang werden der Laserstrahl und das Werkstück 29 relativ zueinander bewegt, sodass eine zweidimensionale Bearbeitungsbahn einen durchgängigen Schnittspalt bewirkt, entlang dessen der Laserstrahl das Werkstück 29 durchtrennt. Dabei wird das Material aufgeschmolzen und die während des Schneidvorganges entstehende Schmelze wird ausgeblasen.The above exemplary applications relate to shielding of the scattered radiation that occurs during laser processing. It is also possible that during laser processing the already mentioned material ejection occurs, e.g. in the form of slag spatter, such as during laser cutting processing. During the cutting process, the laser beam and the
Wenn die Bewegungsbahn des Laserstrahls sehr stark lokal begrenzt ist, wie z.B. bei einer Werkstückzone mit feinen Strukturen kann der austretende Materialaufwurf in eine Ausstoßrichtung gerichtet sein. Des Weiteren ist es möglich, dass die Struktur des Werkstücks selbst eine lokale Kontur bildet, welche bei einer lokalen Bearbeitung den Schmelzauswurf in eine Richtung ablenkt oder sogar konzentriert, wie dies z.B. bei Rohrenden der Fall sein kann. Empfindliche Maschinenteile, wie Bälge (z.B. die in
Bei einer, für das Werkstück aus
Die hierin offenbarten Konzepte können fest installierte Abschirmungen oder den passiven Schutz der betroffenen Bauteile durch Schutzfolien oder Schutzbleche ergänzen. Ferner können sie zusammen mit einer speziell eingestellten Einstrahlrichtung der Laserstrahlung, die zu einer reduzierten oder speziell auf das Schutzelement gerichteten Streustrahlung und/oder einem reduzierten oder speziell auf das Schutzelement gerichteten Materialauswurf führt, eingesetzt werden.The concepts disclosed herein can supplement permanently installed shielding or the passive protection of the affected components with protective foils or protective plates. Furthermore, they can be used together with a specially adjusted irradiation direction of the laser radiation, which leads to a reduced scattered radiation or a scattered radiation specifically directed to the protective element and/or a reduced material ejection or a material ejection specifically directed to the protective element.
Die vorausgehenden Ausführungsbeispiele von Laserbearbeitungsanlagen beziehen sich beispielhaft auf die Blechverarbeitung mit einer sogenannten fliegenden Optik, bei der das Werkstück stillsteht und die Bearbeitungsoptik über das Werkstück bewegt wird. Allerdings ist das hier beschriebene Schutzkonzept nicht auf eine derartige Bearbeitung von Werkstücken beschränkt. Vielmehr kann das Schutzkonzept auch bei der Bearbeitung von bewegten Werkstücken und bei an Robotern angebrachten Laserbearbeitungsköpfen oder Werkstücken Anwendung finden. Insbesondere kann das Laserschutzkonzept auch an Maschinen mit feststehendem oder nur in einer Richtung bewegbarem Bearbeitungskopf eingesetzt werden. Ferner versteht sich, dass das hier beschriebene Bearbeitungskonzept nicht nur bei einer Laserschneidmaschine, wie sie beispielhaft in
Es wird explizit betont, dass alle in der Beschreibung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale als getrennt und unabhängig voneinander zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung unabhängig von den Merkmalskombinationen in den Ausführungsformen und/oder den Ansprüchen angesehen werden sollen. Es wird explizit festgehalten, dass alle Bereichsangaben oder Angaben von Gruppen von Einheiten jeden möglichen Zwischenwert oder Untergruppe von Einheiten zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung offenbaren, insbesondere auch als Grenze einer Bereichsangabe.It is explicitly emphasized that all features disclosed in the description and/or the claims are to be regarded as separate and independent from each other for the purpose of original disclosure as well as for the purpose of limiting the claimed invention independently of the combinations of features in the embodiments and/or the claims should. It is explicitly stated that all indications of ranges or indications of groups of units disclose every possible intermediate value or subgroup of units for the purpose of original disclosure as well as for the purpose of limiting the claimed invention, in particular also as a limit of a range indication.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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R163 | Identified publications notified | ||
R082 | Change of representative |
Representative=s name: GRAETTINGER MOEHRING VON POSCHINGER PATENTANWA, DE |
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R012 | Request for examination validly filed | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R020 | Patent grant now final | ||
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |