DE102015107922A1

DE102015107922A1 - Laserschneiden zur Butzenentfernung auf der gleichen Seite

Info

Publication number: DE102015107922A1
Application number: DE102015107922.4A
Authority: DE
Inventors: Ayad K. Darzi
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2014-06-09
Filing date: 2015-05-20
Publication date: 2015-12-10
Also published as: CN105171246A; US20150352671A1

Abstract

Ein Verfahren zum Laserschneiden eines Butzens von einem Werkstück kann umfassen, dass ein Laserschneidkopf anders als rechtwinklig bezüglich einer Schnittfläche einer Schicht des Werkstückes abgewinkelt wird, von dem der Butzen geschnitten wird, der Butzen von der Schicht lasergeschnitten wird, wobei der Butzen einen Abschnitt auf der Schnittfläche aufweist, der breiter ist als ein Abschnitt des Butzens auf einer Rückseite der Schicht, und der Butzen von der Schicht durch die Schnittflächenseite der Schicht entfernt wird.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Laserschneiden.
Während des Laserschneidens eines Werkstückes mit einem eingeschlossenen Hohlraum oder einer sonst wie unzugänglichen Rückseite kommt es insofern zu einem Problem, als ein Butzen in den Hohlraum (oder einen anderen unzugänglichen Bereich) des fertigen Werkstückes fällt, der schwierig zu entfernen ist. Oder der Butzen kann durch ein Werkstück in eine das Werkstück haltende Aufspannvorrichtung fallen, was zu Problemen mit losen Butzen in dem Fertigungs- oder Montagebereich einer Produktionsanlage führt. Solch ein aufgefangener oder loser Butzen kann das Potential für ein Klappern oder andere Probleme mit sich bringen. Dies kann selbst dann infolge des Gasdruckes von dem Laserschneideprozess geschehen, der den Butzen in den Hohlraum oder die Aufspannvorrichtung drücken kann, wenn der Laser einen Butzen von einer vertikal orientierten Fläche oder von unterhalb der Fläche schneidet.
Bei den Versuchen, dieses Problem zu überwinden, schneiden einige Verfahren mittels Laser um den Großteil des, aber nicht den ganzen Butzen/s herum und stellen den Schnitt dann fertig, wobei der Butzen über eine magnetische Hilfe fixiert ist. Dies erfordert jedoch, dass ein magnetisches Metall geschnitten wird, sowie zusätzliche Schritte und Komplexität für den Laserschneideschritt, die nicht immer wünschenswert sein mögen. Eine andere Möglichkeit, mit der einige versucht haben, dieses Problem zu überwinden, ist das Laserschneiden des Butzens vor dem Montieren des Werkstückes, welches den/die Hohlraum/Unzugänglichkeit schafft. Dies ist aber nicht immer wünschenswert und überwindet nicht die Probleme mit den Aufspannvorrichtungen. Noch andere haben versucht, dieses Problem mithilfe eines Saugers, um die Butzen während des Laserschneideprozesses festzuhalten und zu entfernen, zu überwinden. Diese Technik war jedoch nicht immer zuverlässig und fügt dem Schneideprozess Komplexität hinzu.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine Ausführungsform zieht ein Verfahren zum Laserschneiden eines Butzens von einem Werkstück in Erwägung, welches umfasst, dass: ein Laserschneidkopf anders als rechtwinklig bezüglich einer Schnittfläche einer Schicht abgewinkelt wird, von der der Butzen geschnitten wird; der Butzen von der Schicht lasergeschnitten wird, wobei der Butzen einen Abschnitt auf der Schnittfläche aufweist, der breiter ist als ein Abschnitt des Butzens auf einer Rückseite der Schicht; und der Butzen von der Schicht durch die Schnittflächenseite der Schicht entfernt wird.
Ein Vorteil einer Ausführungsform besteht darin, dass Butzen, die während eines Laserschneideprozesses von einem Werkstück geschnitten werden, zuverlässig daran gehindert werden, in einen Hohlraum oder einen anderen unzugänglichen Bereich eines Werkstückes zu fallen, während es einfach ist, den Butzen von dem Werkstück von der gleichen Seite zu entfernen, auf der der Schnitt erfolgt. Dies verhindert Probleme mit Butzen, die im Inneren eines Hohlraumes eines Werkstückes klappern wie auch Probleme mit losen Butzen in Aufspannvorrichtungen. Außerdem gestattet dieser Laserschneideprozess, die Schritte beim Laserschneide- und Butzenentfernungsprozess für verschiedene Schneidesituationen zu minimieren, was Kosten, die Komplexität und Durchlaufzeiten für die Verarbeitung von Werkstücken minimiert und dabei werden Probleme mit menschlichen Fehlern beim Schneideprozess, die die zulassen, dass die Butzen an den unerwünschten Stellen enden, im Wesentlichen beseitigt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische, partielle Querschnittsansicht eines Laserschneidevorganges vor dem Schneiden eines Werkstückes.
2 ist 1 ähnlich, allerdings ist der Schneideprozess teilweise beendet.
3 ist 1 ähnlich, allerdings ist der Schneideprozess im Wesentlichen beendet.
4 ist 1 ähnlich, allerdings ist der Schneideprozess im Wesentlichen beendet.
5 ist 1 ähnlich, allerdings ist der Schneideprozess im Wesentlichen beendet und das Laserschneiden erfolgt von unterhalb des Werkstückes.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Bezug nehmend auf 1 ist eine Laserschneideanordnung gezeigt, die allgemein bei 10 angezeigt ist. Die Anordnung 10 umfasst einen Laserschneidkopf 12 und einen Kopfbewegungsaktuator 16, der von einem Controller 14 gesteuert ist, welcher die Aktivierung und Bewegung des Laserschneidkopfes 12 steuert. Der Laserschneidkopf 12, der Kopfbewegungsaktuator 16 und der Controller 14 können herkömmlich sein und sie werden deshalb hierin nicht weiter erörtert.
Eine Aufspannvorrichtung 18 fixiert ein Werkstück 10 in Position für den Laserschneideprozess. Das Werkstück 20 umfasst eine Schnittfläche 22 auf der Schicht 24, die lasergschnitten werden soll, und kann eine hintere Schicht 26 umfassen, die einen Hohlraum 28 innerhalb des Werkstückes 20 schafft. Die Schicht 24 und die hintere Schicht 26 können zwei separate Teile sein, die z. B. durch Schweißen, einen Kleber, Falzen, Nieten oder andere Befestigungselemente aneinander fixiert sind, oder sie können ein einziges Stück sein, das über sich selbst gefaltet ist. Das Werkstück kann auch nur die Schicht 24 ohne jeden Hohlraum, aber mit dem Potenzial dafür sein, dass ein Butzen in die Aufspannvorrichtung 18 fällt. Außerdem ist es auf dem technischen Gebiet bekannt, dass die Aufspannvorrichtung 18 das Werkstück 20 bezüglich eines allgemein feststehenden Laserschneidkopfes 12 bewegt. Eines oder beide von der Aufspannvorrichtung 18 oder dem Laserschneidkopf 12 kann kippen, um den gewünschten Schnittwinkel oder (nachstehend erläutert) während des Laserschneidprozesses zu erreichen.
Die 2–5 sind 1 ähnlich, weshalb gleiche Elementnummern gleiche Elemente darstellen, wobei deren Beschreibung für die 2–5 nicht wiederholt wird. Die Fig. werden nun bezüglich des Laserschneideprozesses beschrieben.
1 zeigt das Werkstück 20 vor dem Schneiden in der Aufspannvorrichtung 18 benachbart zu dem Laserschneidkopf 12 befestigt, wobei die Schnittfläche 22 zu dem Kopf 12 weist. Der Laserschneidkopf 12 ist bezüglich der Schnittfläche 22 abgewinkelt, sodass der Laser nicht unter neunzig Grad zu der Fläche 22 steht. Der Winkel 30 ist/wird hierin definiert und verwendet als die Orientierung des Lasers bezüglich rechtwinklig zu der Schnittfläche 22. Überdies ist der Winkel 30, wie hierin definiert und verwendet, der Winkel von rechtwinklig, wobei der Winkel bewirkt, dass der Durchmesser oder die Breite eines Butzens 32 (in den 2–5 gezeigt) auf der Schnittfläche 22 breiter ist als an der rückseitigen Fläche 34 der Schicht 24, die lasergeschnitten werden soll.
2 illustriert die Laserschneideanordnung 10, wobei der Schneidprozess teilweise beendet ist, und 3 illustriert die Laserschneideanordnung 10, wobei der Schnitt beendet ist und der Butzen 32 entfernt ist. Der Laserschneidkopf 12 erzeugt einen Laserstrahl 36, der unter dem Winkel von 30 von rechtwinklig durch die Schicht 24 schneidet, wobei der fertige Schnitt den zu entfernenden Butzen 32 erzeugt. Optional kann ein Butzenentferner 38 mit dem Butzen 32 in Kontakt stehen, um ihn zu entfernen, sobald der Schnitt fertig ist. Dieser Butzenentferner 38 kann ein Magnet für Schichten, die aus magnetischen Materialien hergestellt sind, ein Sauger oder eine andere Art von Mittel sein, um den Butzen 32 zu fixieren und zu entfernen. Der Winkel 30 des Laserschnitts erzeugt automatisch einen Butzen 32 mit einer Seitenwand 40, die verhindert, dass der Butzen 32 durch das in der Schicht 24 erzeugte Loch 42 in den Hohlraum 28 des Werkstückes 20 oder in die Aufspannvorrichtung 18 fällt, selbst wenn der Butzenentferner 38 den Butzen 32 während des Schneide- und/oder Entfernungsprozesses manchmal nicht sicher festhält. Die so abgewinkelte Seitenwand 40 kann es auch einfacher machen, den Butzen 32 von der Schicht 24 zu ziehen. Der Butzen 32 kann eine kegelstumpfförmige Form aufweisen, oder er kann von einer Form sein, die einen allgemein rechteckigen oder anderen Querschnitt aufweist, sofern die Schnittflachenbreite größer ist als die Breite der rückseitigen Fläche des Butzens.
Der Winkel 30 des Schnittes kann z. B. etwa fünfzehn Grad von rechtwinklig sein, kann aber auch nur etwa zehn Grad oder mehr bis zu etwa 20 oder 30 Grad betragen. Dieser Laserschnitt ist nicht rechtwinklig zu der Schnittfläche 22, wie es Standard für Laserschnittbutzen ist, sodass die Laserschneideparameter für einen rechtwinkligen Schnitt allgemein nicht funktionieren werden. Die Laserschneideparameter werden geändert, um den Winkel 30 zu berücksichtigen. Wenn der Schnittwinkel z. B. fünfzehn Grad beträgt, sollte eine Rayleighlänge für den Schnitt ein Minimum von etwa dem Doppelten der Dicke der Schicht 24 aufweisen, die lasergeschnitten wird (im Gegensatz zum rechtwinkligen Standard-Laserschneiden, wo die verwendete Rayleighlänge so lang wie eine einzige Dicke der zu schneidenden Schicht sein kann). Es ist außerdem wünschenswert, dass die numerische Apertur (na) weniger als 0,1 für das Laserschneiden unter dem Winkel 30 von fünfzehn Grad beträgt (im Gegensatz zum rechtwinkligen Standard-Laserschnitt, wo der Wert der numerischen Apertur (na) über 0,1 liegt. Außerdem ist es für das Beispiel, in dem der Schnittwinkel 30 fünfzehn Grad beträgt, wünschenswert, dass ein Punktdurchmesser kleiner ist als 0,2 (im Gegensatz zum rechtwinkligen Standard-Laserschneiden, wo der Punktdurchmesser in der Regel zwischen 0,5 und 0,4 liegt).
4 illustriert die Laserschneideanordnung 10, wobei der Schneideprozess beendet ist, wobei aber die Aufspannvorrichtung 18 oder ein anderer Mechanismus nach dem Fertigstellen des Laserschnittes das Werkstück 20 umkippt, um die Schwerkraft zu nutzen, um den Butzen 32 in einen Butzenbehälter 44 zu leeren. Der Laserschneideprozess kann ansonsten der gleiche sein wie in den anderen Fig. Wiederum wird der Butzen 32 daran gehindert, nach dem Schneiden in den Hohlraum 28 zu fallen, während er umgekippt wird, um den Butzen 32 auszuleeren.
5 illustriert die Laserschneideanordnung 10, wobei der Schneideprozess beendet ist, wobei aber die Aufspannvorrichtung 18 das Werkstück 20 fixiert, wobei die Schnittfläche 22 in eine Abwärtsrichtung weist und der Laserschneidkopf 12 das Werkstück 20 von unten schneidet. Wie es für die spezielle Situation erwünscht ist, kann ein Butzenentferner 38 oder ein Schwerkraftabwurf verwendet werden.
Während bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben wurden, werden Fachleute auf dem Gebiet, auf das sich diese Erfindung bezieht, verschiedene alternative Ausgestaltungen und Ausführungsformen erkennen, um die Erfindung auszuführen, die durch die nachfolgenden Ansprüche definiert ist.

Claims

Verfahren zum Laserschneiden eines Butzens von einem Werkstück, umfassend, dass: (a) ein Laserschneidkopf anders als rechtwinklig bezüglich einer Schnittfläche einer Schicht des Werkstückes, von dem der Butzen geschnitten wird, abgewinkelt wird; (b) der Butzen von der Schicht lasergeschnitten wird, wobei der Butzen einen Abschnitt auf der Schnittfläche aufweist, der breiter ist als ein Abschnitt des Butzens auf einer Rückseite der Schicht; und (c) der Butzen von der Schicht durch die Schnittflächenseite der Schicht entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend, dass: (d) vor Schritt (c) ein Butzenentferner an der Schnittfläche, von welcher der Butzen geschnitten wird, befestigt wird, und der Butzenentferner während des Schrittes (c) verwendet wird, um den Butzen zu entfernen.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Butzenentferner ein an der Schnittfläche der Schicht angebrachter Magnet ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Butzenentferner ein an der Schnittfläche der Schicht befestigter Sauger ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Butzen eine kegelstumpfförmige Form aufweist.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Winkel des Schneidkopfes bezüglich der Schnittfläche zwischen zehn und zwanzig Grad beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Winkel des Schneidkopfes bezüglich der Schnittfläche zwischen zehn und zwanzig Grad beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Winkel des Schneidkopfes bezüglich der Schnittfläche etwa fünfzehn Grad beträgt.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei Schritt (b) ferner durch eine Rayleighlänge für den Laserschnitt definiert ist, die zumindest die doppelte Dicke der Schicht beträgt, die lasergeschnitten wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei Schritt (b) ferner durch eine numerische Apertur definiert ist, die für das Laserschneiden kleiner als 0,1 ist.