DE102014220525A1 - Removal strategy during laser cutting - Google Patents

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Abstract

Durch eine Verfahrstrategie, für Materialabtrag einer abzutragenden Fläche (1) wird diese in Sektoren (40) unterteilt, wobei der Materialabtrag im Randbereich (4) beginnt und nachfolgend zum Mittelpunkt fortgeführt wird.By a movement strategy, for material removal of a surface to be removed (1) this is divided into sectors (40), wherein the material removal begins in the edge region (4) and is subsequently continued to the center.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abtragstrategie, das heißt die Laserführung beim Bearbeiten eines Substrats, bei dem Material abgetragen wird, insbesondere um ein Durchgangsloch zu erzeugen. The invention relates to a removal strategy, that is to say the laser guidance when machining a substrate, in which material is removed, in particular in order to produce a through hole.

Laserbohrverfahren sind Stand der Technik um metallische, keramische oder Schichtsysteme aus metallischem Substrat mit keramischen Schichten darauf zu bearbeiten und Durchgangslöcher durch diese Materialien zu erzeugen. Laser drilling methods are prior art for machining metallic, ceramic or layer systems of metallic substrate with ceramic layers thereon and for producing through-holes through these materials.

Dabei kommt es je nach Material zu einer stärker beanspruchten Zone im Randbereich, das heißt der inneren Umfangsfläche eines Lochs, die vermieden werden sollte. Depending on the material, this leads to a more stressed zone in the edge area, ie the inner peripheral surface of a hole, which should be avoided.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine Abtragstrategie aufzuzeigen, die oben genanntes Problem löst. It is therefore an object of the invention to show a removal strategy that solves the above-mentioned problem.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1. The object is achieved by a method according to claim 1.

In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen. In the dependent claims further advantageous measures are listed, which can be combined with each other in order to achieve further advantages.

Es zeigen Show it

1, 2, 4 schematisch den Querschnitt einer abzutragenden Fläche, 1 . 2 . 4 schematically the cross section of a surface to be removed,

3, 5, 6 schematisch den erfindungsgemäßen Verfahrensablauf. 3 . 5 . 6 schematically the process sequence according to the invention.

Die Figuren und die Beschreibung stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar. The figures and the description represent only embodiments of the invention.

In 1 ist eine Trapezform als eine abzutragende, lokale Fläche 1 einer Oberfläche 2 dargestellt, die vier Seiten 4, 7, 10, 13 aufweist. Die Fläche 1 ist also eine Teilfläche der Oberfläche 2. Diese Trapezform wird vorzugsweise bei Kühlluftöffnungen bei Turbinenbauteilen oder Hochtemperaturbauteilen als Diffusor verwendet, aus denen Kühlluft ausströmt. Die dann später hergestellte Öffnung wird von einem Heißgas in eine Überstromrichtung 16 überströmt. In 1 is a trapezoidal shape as a local area to be removed 1 a surface 2 represented, the four sides 4 . 7 . 10 . 13 having. The area 1 is thus a partial surface of the surface 2 , This trapezoidal shape is preferably used in cooling air openings in turbine components or high-temperature components as a diffuser, from which cooling air flows. The then later produced opening is from a hot gas in an overcurrent direction 16 overflows.

Ganz allgemein kann die abzutragende, lokale Fläche 1 (1', 1'', 5) jegliche Form aufweisen, hier eine Trapezform oder ein Viereck. Vielfacheckige Formen sind ebenso denkbar wie runde oder ovale Flächen oder Kombinationen davon. In general, the ablated, local area 1 ( 1' . 1'' . 5 ) have any shape, here a trapezoidal shape or a quadrilateral. Multi-cornered shapes are just as conceivable as round or oval surfaces or combinations thereof.

Vorab wird die abzutragende Fläche 1 virtuell in mehrere Sektoren 33, 34, 37, 40 unterteilt, indem vorzugsweise ein geometrischer oder sonstiger Mittelpunkt 31 innerhalb der Fläche 1, 1', 1'', 1''', ... festgelegt wird, von dem aus virtuelle Linien zu den Eckpunkten 19, 22, 25, 28 der Fläche 1 (hier Trapez) führen, so dass die Fläche 1 in die Sektoren 33, 34, 37, 40 unterteilt ist (2). First, the area to be removed 1 virtually in several sectors 33 . 34 . 37 . 40 divided by preferably a geometric or other center 31 within the area 1 . 1' . 1'' . 1''' , ..., from which virtual lines to the corner points 19 . 22 . 25 . 28 the area 1 (here trapezoid) lead, so that the area 1 in the sectors 33 . 34 . 37 . 40 is divided ( 2 ).

Zum Abtragen von Material, das vorzugsweise schichtweise erfolgt, wird eine erste Abtragslinie dadurch abgetragen, dass nur sektorweise Material abgetragen wird. For removing material, which preferably takes place in layers, a first removal line is removed by removing material only sector by sector.

Begonnen wird in einem beliebigen Sektor, hier der Sektor 40. It starts in any sector, here the sector 40 ,

Im nachfolgenden wird Material in den weiteren Sektoren 31, 33, 37 in derselben Abtragsebene abgetragen. In the following material will be in the other sectors 31 . 33 . 37 removed in the same removal level.

Dies ist vorzugsweise dann zuerst der Sektor 34, der dem Sektor 40 gegenüber liegt, wobei dann die zwei dazwischen liegende Sektoren 33, 37 entsprechend abgetragen werden. This is preferably then the sector first 34 , the sector 40 is opposite, in which case the two intermediate sectors 33 . 37 be removed accordingly.

Ein vorzugweises Beispiel für einen einzelnen Sektor 40 wird in 3 dargestellt. A preferred example of a single sector 40 is in 3 shown.

Der Materialabtrag beginnt an einer Seite 4 des einen Sektors 40 der Fläche 1 mit einer vorzugsweise geradlinigen Laserstrahlführung 50 und der Laserstrahl verschiebt sich zum Mittelpunkt 31 hin und trägt entlang vorzugsweise einer geradlinigen Laserführung entlang der Spuren 51, 52, 53, 54 ff. bis zum Mittelpunkt 31 Material ab. Dadurch wird der Wärmeeintrag in ein umgebendes Substrat deutlich verringert. The material removal starts on one side 4 of the one sector 40 the area 1 with a preferably rectilinear laser beam guide 50 and the laser beam shifts to the center 31 preferably along and along a linear laser guide along the tracks 51 . 52 . 53 . 54 ff. to the center 31 Material off. As a result, the heat input into a surrounding substrate is significantly reduced.

Man beginnt den Materialabtrag in den Sektoren vorzugsweise immer von der Seitenlinie 10, 7, 13 der Fläche 1. Preferably, material removal in the sectors always begins from the sideline 10 . 7 . 13 the area 1 ,

In der 4 ist eine weitere Form dargestellt, die eine abzutragende Fläche 1 darstellt. Hier ist es eine Kreisform. Ebenso kann es eine ovale Form darstellen. Auch Kombinationen aus einer Rechteckform mit einem Halbkreis sind ebenso denkbar. In the 4 another form is shown, which is a surface to be removed 1 represents. Here it is a circular shape. It can also be an oval shape. Combinations of a rectangular shape with a semicircle are also conceivable.

Ebenso wird diese Fläche wieder in mehrere Sektoren, hier vorzugsweise vier Sektoren 33‘, 34', 37', 39' mit einem Kreismittelpunkt 31' unterteilt und die Abtragung vom Material in der ersten Abtragslinie erfolgt sektorweise. Dabei können die Laserstrahlen entsprechend der Krümmung des äußeren Rands des jeweiligen Sektors 37' gekrümmt verlaufen oder werden entsprechend geradlinig geführt (Sektor 33'). Likewise, this area is again in several sectors, here preferably four sectors 33 ' . 34 ' . 37 ' . 39 ' with a circle center 31 ' subdivided and the removal of the material in the first erosion line is done sector by sector. In this case, the laser beams according to the curvature of the outer edge of the respective sector 37 ' curved or be performed according rectilinear (sector 33 ' ).

Um ausgehend von 1, 2, 3 oder 4 ein Durchgangsloch zu erzeugen oder eine weitere Abtragsebene zum Materialabtrag zu erzeugen, wird die Abfahrstrategie entsprechend fortgeführt, wobei man sinnvollerweise dann die zweite Abtragsebene wieder mit dem Sektor beginnt, mit dem man für die erste abzutragende Ebene angefangen hat. To start from 1 . 2 . 3 or 4 To create a through hole or to create a further Abtragsebene for material removal, the Abfahrstrategie is continued accordingly, where it makes sense then the second ablation plane again starts with the sector, with which one has started for the first level to be ablated.

Ein Bauteil kann mehrere solche Durchgangslöcher oder abzutragende Flächen 1', 1'', 1''', ... aufweisen. Dies sind bei Turbinenschaufeln Kühlluftreihen 60, wie es schematisch in 5, 6 dargestellt ist. Auch hier wird in nicht einschränkender Weise wieder eine Trapezform verwendet, um die Erfindung darzustellen, wobei gedachte Linien die jeweiligen ersten Sektoren 40', 40'', 40''', ... der jeweiligen Fläche 1', 1'', 1''' darstellen. A component can have several such through holes or surfaces to be removed 1' . 1'' . 1''' , ... exhibit. These are cooling air rows for turbine blades 60 as it is schematic in 5 . 6 is shown. Again, a trapezoidal shape is again used in a non-limiting manner to illustrate the invention, with imaginary lines representing the respective first sectors 40 ' . 40 '' . 40 ''' , ... the respective area 1' . 1'' . 1''' represent.

Bei einer solchen Kühlluftreihe 60 wird nicht zuerst ein Sektor 40 einer Fläche 1' vollständig in einer ersten Abtragsebene abgetragen, sondern der Laserstrahl wandert entlang der Längsausrichtung der Kühlluftreihe 60 zu der zweiten Trapezform bzw. zweiten ersten Fläche eines zweiten Sektors 40'', um dort Material abzutragen, wie es mit der Abtragslinie 61'' und nachfolgend 61''' dargestellt ist. Auch hier beginnt das erste Abtragen von Material vorzugsweise von einer Seitenlinie 4', 4'', ... der abzutragenden Fläche 1', 1'', 1''', ....With such a cooling air row 60 does not become a sector first 40 a surface 1' completely removed in a first Abtragsebene, but the laser beam travels along the longitudinal direction of the cooling air row 60 to the second trapezoidal shape or second first surface of a second sector 40 '' to remove material there, as it did with the erosion line 61 '' and below 61 ''' is shown. Again, the first removal of material preferably begins from a sideline 4 ' . 4 '' , ... the surface to be removed 1' . 1'' . 1''' , ....

Sind alle erste Sektoren (40', 40'', 40''') der herzustellenden Kühlluftlöcher einer Kühlluftreihe 60 entlang der Seitenlinien 4', 4'', ... bearbeitet, so wird nachfolgend parallel oder angepasst zu der ersten, insbesondere geradlinig verlaufenden Abtragslinie 61', 61'' entlang einer verschobenen Abtragslinie 62' Material abgetragen, wobei dann der Laser wiederum zu der zweiten Fläche 1'' verfahren wird, um dort Material abzutragen bis zum Ende der Kühlluftreihe. (6.) Are all first sectors ( 40 ' . 40 '' . 40 ''' ) of the cooling air holes to be produced in a row of cooling air 60 along the sidelines 4 ' . 4 '' , ..., is subsequently parallel or adapted to the first, in particular rectilinear Abtragslinie 61 ' . 61 '' along a shifted removal line 62 ' Material removed, in which case the laser in turn to the second surface 1'' is moved to ablate material until the end of the cooling air row. ( 6 .)

Am Ende dieses ersten Schritts ist in der Kühlluftreihe 60 jeweils nur in den ersten Sektoren 40', 40'', ... vollständig in einer ersten Abtragsebene Material abgetragen. At the end of this first step is in the cooling air line 60 only in the first sectors 40 ' . 40 '' , ... completely removed material in a first ablation plane.

Nachfolgend erfolgt der Abtrag für die anderen Sektoren. Subsequently, the removal takes place for the other sectors.

Da man bei dieser Vorgehensweise nicht nur im Randbereich beginnt, und dann zum Inneren verläuft, sondern für die erste abzutragende Fläche 1 quasi eine Pause einlegt, indem man im anderen Bereich Material abträgt, wird der Wärmeeintrag in das Substrat deutlich verringert. Since this procedure does not begin only in the edge region, and then runs to the inside, but for the first abzutragende surface 1 quasi taking a break by removing material in the other area, the heat input into the substrate is significantly reduced.

Die Laserstrahlen werden vorzugsweise geradlinig geführt. So werden bei der Erzeugung eines Materialabtrags in einem Sektor 40 die Laserstrahlen 51, 52, 53, 54 zum Mittelpunkt 31 hin geführt. The laser beams are preferably guided in a straight line. So when generating a material removal in a sector 40 the laser beams 51 . 52 . 53 . 54 to the center 31 led out.

Ebenso können mehrere, voneinander getrennte, abzutragende lokale Flächen (1', 1'', 1'''),
insbesondere einer Kühlluftreihe (60) bearbeitet werden, in den sie (1', 1'', 1''') ebenfalls in Sektoren (40', 40'', 40''') unterteilt werden,
wobei zuerst ein erster Sektor (40') einer Fläche (1) komplett in einer Abtragsebene entfernt wird,
der Laserstrahl entlang einer Längsausrichtung der Kühlluftreihe (60) zur direkt nächsten Fläche (1'') und einem ersten Sektor (40´´) der nächsten Fläche (1'') geführt wird,
und der erste Sektor (40'') der nächsten Fläche (1'') komplett entfernt wird,
bis alle erste Sektoren (40', 40'', 40''') der Flächen (1', 1'', 1''') bearbeitet sind und
dann entsprechend die anderen Sektoren einzeln und nacheinander der benachbarten Flächten (1', 1'', 1''') bearbeitet werden und dies für weitere Abtragebenen wiederholt wird. Likewise, several, separate, to be removed local areas ( 1' . 1'' . 1''' )
in particular a cooling air row ( 60 ) into which they ( 1' . 1'' . 1''' ) also in sectors ( 40 ' . 40 '' . 40 ''' ),
first a first sector ( 40 ' ) of an area ( 1 ) is completely removed in a removal plane,
the laser beam along a longitudinal orientation of the cooling air row ( 60 ) to the directly next surface ( 1'' ) and a first sector ( 40'' ) of the next area ( 1'' ) to be led,
and the first sector ( 40 '' ) of the next area ( 1'' ) is completely removed,
until all first sectors ( 40 ' . 40 '' . 40 ''' ) of the surfaces ( 1' . 1'' . 1''' ) are processed and
then, corresponding to the other sectors, one after the other and the adjacent ones ( 1' . 1'' . 1''' ) and this is repeated for further removal levels.

Claims (10)

Verfahren zum Abtrag von Material in einer lokalen Fläche (1) mittels eines Energiestrahls, insbesondere mittels eines Laserstrahls, bei dem die abzutragende Fläche (1) in zumindest zwei, insbesondere in zumindest drei, ganz insbesondere in zumindest vier Sektoren (33, 34, 37, 40; 40', 40'', 40'''; 33', 34', 37', 39') unterteilt wird, dann sektorweise (33, 34, 37, 40; 40', 40'', 40'''; 33', 34', 37', 39') in allen Sektoren dieser Fläche (1) Material abgetragen wird, bis in einer Abtragsebene Material der Fläche (1) abgetragen ist und dies für weitere Abtragebenen wiederholt wird. Method for removing material in a local area ( 1 ) by means of an energy beam, in particular by means of a laser beam, in which the surface to be removed ( 1 ) in at least two, in particular in at least three, in particular in at least four sectors ( 33 . 34 . 37 . 40 ; 40 ' . 40 '' . 40 '''; 33 ' . 34 ' . 37 ' . 39 ' ), then sector by sector ( 33 . 34 . 37 . 40 ; 40 ' . 40 '' . 40 '''; 33 ' . 34 ' . 37 ' . 39 ' ) in all sectors of this area ( 1 ) Material is removed, until in a Abtragsebene material of the surface ( 1 ) and this is repeated for further ablation planes. Verfahren zum Abtrag von Material in einer lokalen Fläche (1) mittels eines Energiestrahls, bei dem mehrere, voneinander getrennte, abzutragende lokale Flächen (1', 1'', 1'''), insbesondere einer Kühlluftreihe (60) vorhanden sind, die (1', 1'', 1''') in Sektoren (40', 40'', 40''') unterteilt sind, wobei der Energiestrahl innerhalb eines ersten Sektors (40') einer ersten Fläche (1') entlang einer Längsausrichtung der Kühlluftreihe (60) geführt wird, und erst nachdem alle Flächen (1', 1'', 1''') einer Kühlluftreihe (60) in den gleichen Sektoren (40', 40'', ...) entlang erster Abtragslinien (61', 61'', ...) direkt nacheinander bearbeitet sind, der Abtrag von Material zum Innern hin verschoben wird und dann entlang von zweiten Abtragslinien (62', 62'', 62''') in den ersten Sektoren (40', 40'', 40''') fortgeführt wird bis alle erste Sektoren (40', 40'', 40''') der Flächen (1', 1'', 1''') bearbeitet sind und dann entsprechend die anderen Sektoren einzeln und nacheinander bearbeitet werden und dies für weitere Abtragebenen wiederholt wird. Method for removing material in a local area ( 1 ) by means of an energy beam in which a plurality of mutually separate local areas to be removed ( 1' . 1'' . 1''' ), in particular a cooling air row ( 60 ) are present, which ( 1' . 1'' . 1''' ) in sectors ( 40 ' . 40 '' . 40 ''' ), the energy beam being within a first sector ( 40 ' ) of a first surface ( 1' ) along a longitudinal orientation of the cooling air row ( 60 ) and only after all surfaces ( 1' . 1'' . 1''' ) a cooling air row ( 60 ) in the same sectors ( 40 ' . 40 '' , ...) along first cut-off lines ( 61 ' . 61 '' , ...) are processed directly one after the other, the removal of material is displaced towards the inside and then along second removal lines ( 62 ' . 62 '' . 62 ''' ) in the first sectors ( 40 ' . 40 '' . 40 ''' ) is continued until all first sectors ( 40 ' . 40 '' . 40 ''' ) of the surfaces ( 1' . 1'' . 1''' ) are processed and then the other sectors are processed individually and sequentially and this is repeated for further Abtragagebenen. Verfahren zum Abtrag von Material in einer lokalen Fläche (1) mittels eines Energiestrahls, bei dem mehrere, voneinander getrennte, abzutragende lokale Flächen (1', 1'', 1'''), insbesondere einer Kühlluftreihe (60) vorhanden sind, die (1', 1'', 1''') in Sektoren (40', 40'', 40''') unterteilt sind, wobei zuerst ein erster Sektor (40') einer Fläche (1') komplett in einer Abtragsebene entfernt wird, der Laserstrahl entlang einer Längsausrichtung der Kühlluftreihe (60) zur direkt nächsten Fläche (1'') und einem ersten Sektor (40´´) der nächsten Fläche (1'') geführt wird, und der erste Sektor (40'') der nächsten Fläche (1'') komplett in einer Abtragsebene entfernt wird, bis alle erste Sektoren (40', 40'', 40''') der Flächen (1', 1'', 1''') bearbeitet sind und dann entsprechend die anderen Sektoren einzeln und nacheinander der benachbarten Flächen (1', 1'', 1''') bearbeitet werden und dies für weitere Abtragebenen wiederholt wird. Method for removing material in a local area ( 1 ) by means of an energy beam in which a plurality of mutually separate local areas to be removed ( 1' . 1'' . 1''' ), in particular a cooling air row ( 60 ) are present, which ( 1' . 1'' . 1''' ) in sectors ( 40 ' . 40 '' . 40 ''' ), with first a first sector ( 40 ' ) of an area ( 1' ) is completely removed in a removal plane, the laser beam along a longitudinal orientation of the cooling air row ( 60 ) to the directly next surface ( 1'' ) and a first sector ( 40'' ) of the next area ( 1'' ) and the first sector ( 40 '' ) of the next area ( 1'' ) is completely removed in an ablation plane until all first sectors ( 40 ' . 40 '' . 40 ''' ) of the surfaces ( 1' . 1'' . 1''' ) and then, correspondingly, the other sectors, one after the other, one after the other (hereinafter 1' . 1'' . 1''' ) and this is repeated for further removal levels. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem die abzutragende Fläche (1, 1', 1'', 1''') ein Viereck, insbesondere eine Trapezform (1) darstellt. Method according to Claim 1, 2 or 3, in which the area to be removed ( 1 . 1' . 1'' . 1''' ) a quadrangle, in particular a trapezoidal shape ( 1 ). Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem die abzutragende Fläche (1, 1', 1'', 1''') ein Kreis darstellt. Method according to Claim 1, 2 or 3, in which the area to be removed ( 1 . 1' . 1'' . 1''' ) represents a circle. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem die abzutragende Fläche (1, 1', 1'', 1''') Ecken und Rundungen aufweist. Method according to Claim 1, 2 or 3, in which the area to be removed ( 1 . 1' . 1'' . 1''' ) Has corners and curves. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5 oder 6, bei dem die Fläche (1) in vier Sektoren, insbesondere Dreiecke unterteilt ist und zuerst ein erster Sektor (40, 39'), dann ein dem ersten Sektor (40, 39') gegenüberliegender Sektor (34, 34'), und dann die dazwischen liegenden Sektoren (33, 37; 33', 37') bearbeitet werden. Method according to one or more of claims 1, 2, 3, 4, 5 or 6, in which the surface ( 1 ) is subdivided into four sectors, in particular triangles, and first a first sector ( 40 . 39 ' ), then the first sector ( 40 . 39 ' ) opposite sector ( 34 . 34 ' ), and then the intervening sectors ( 33 . 37 ; 33 ' . 37 ' ) to be edited. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der Materialabtrag schichtweise in einer Abtragsebene erfolgt.  Method according to one or more of claims 1 to 7, wherein the material removal takes place in layers in a removal plane. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder 7, bei dem zuerst ein erster Sektor (40) der Fläche (1) in einer ersten Ebene und dann die nachfolgenden Sektoren (34, 33, 37) der Fläche (1) jeweils in einer Abtragsebene abgetragen werden. Method according to one or more of claims 1, 2, 3, 4, 5, 6 or 7, wherein first a first sector ( 40 ) the area ( 1 ) in a first level and then the following sectors ( 34 . 33 . 37 ) the area ( 1 ) are each removed in a removal plane. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, bei dem der Materialabtrag eines Sektors (33, 34, 37, 40; 33', 34', 37', 39'; 40', 40'', 40''') in einem Randbereich (50) des jeweiligen Sektors 33, 34, 37, 40; 33', 34', 37', 39', 40', 40'', 40''') beginnt und fortlaufend bis zum Inneren (31) der Fläche (1', 1'', 1''') erfolgt, bevor der nächste Sektor (33, 34, 37; 34', 37', 39') entsprechend bearbeitet wird. Method according to one or more of claims 1 to 9, wherein the material removal of a sector ( 33 . 34 . 37 . 40 ; 33 ' . 34 ' . 37 ' . 39 '; 40 ' . 40 '' . 40 ''' ) in a peripheral area ( 50 ) of the respective sector 33 . 34 . 37 . 40 ; 33 ' . 34 ' . 37 ' . 39 ' . 40 ' . 40 '' . 40 ''' ) begins and continues to the inside ( 31 ) the area ( 1' . 1'' . 1''' ) takes place before the next sector ( 33 . 34 . 37 ; 34 ' . 37 ' . 39 ' ) is processed accordingly.
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