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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausschneiden eines Werkstückteils aus einem Werkstück mittels eines Laserstrahls, der auf dem Werkstück entlang einer Schneidkurve in einer Schneidrichtung verfahren wird, um einen in sich geschlossenen Schnittspalt zu erzeugen, wobei der Laserstrahl im Werkstück am Anfang der Schneidkurve eine in Schneidrichtung hintere Schnittflanke und am Ende der Schneidkurve eine in Schneidrichtung vordere Schnittflanke ausbildet.
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Beim Laserschneiden von Werkstückteilen (Ausschnitten) aus Werkstücken mit verhältnismäßig großer Dicke bleiben am Ende der Schneidkurve, wenn die in Schneidrichtung vordere Schnittflanke des Schnittspalts auf die in Schneidrichtung hintere Schnittflanke des Schnittspalts trifft, an beiden Schnittkanten des Schnittspalts Ansatzmarken stehen, die einen Qualitätsmangel darstellen. Solche Ansatzmarken treten vor allem dann auf, wenn mit großem Fokusdurchmesser geschnitten wird, da das ausgeschnittene Werkstückteil sofort fällt oder kippt, sobald am Ende der Schneidkurve die vordere Schnittflanke die hintere Schnittflanke berührt.
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Aus
DE 195 06 522 A1 ist ein Laserschneidverfahren bekannt, bei dem die Schneidkontur mit dem Laserstrahl zunächst ein Stück entgegen der eigentlichen Schneidrichtung geschnitten und anschließend mit veränderten Schneidbedingungen, nämlich mit geänderter Laserleistung und Verfahrgeschwindigkeit, in Schneidrichtung fertig geschnitten wird.
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Aus
JP 10-085975 A ist weiterhin ein Laserschneidverfahren bekannt, bei dem mit dem Laserstrahl innerhalb des späteren Schnittspalts eingestochen und dann die Schneidkontur zunächst ein Stück entgegen der eigentlichen Schneidrichtung geschnitten wird. Anschließend wird die Schneiddüse bei ausgeschaltetem Laserstrahl zum Schnittpunkt zwischen Anfahrstrecke und Schneidkontur bewegt, der Laserstrahl eingeschaltet und die Schneidkontur geschnitten.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bei einem Schneidverfahren der eingangs genannten Art die Größe von stehenbleibenden Ansatzmarken zu reduzieren und somit die Qualität der Schnittkante zu steigern.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass vor dem Ausschneiden des Werkstückteils der Laserstrahl mit einem Fokusdurchmesser, welcher kleiner als der zum Ausschneiden des Werkstückteils verwendete Fokusdurchmesser ist, entlang mindestens einer der beiden Schnittkanten des späteren Schnittspalts entgegen der Schneidrichtung zum Erzeugen eines Hilfsspaltes verfahren wird, welcher sich entgegen der Schneidrichtung mindestens so weit über die hintere Schnittflanke hinaus erstreckt, dass beim Ausschneiden des Werkstückteils die vordere Schnittflanke den Hilfsspalt zeitgleich mit oder vor der hinteren Schnittflanke berührt.
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Erfindungsgemäß wird mindestens ein Hilfsspalt durch Verfahren des Laserstrahls mit dem kleineren Fokusdurchmesser entgegen der Schneidrichtung geschnitten, bevor dann die eigentliche Schneidkontur durch Verfahren des Laserstrahls mit dem größeren Fokusdurchmesser in der Schneidrichtung geschnitten wird. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich hauptsächlich zum Schneiden im Dickblech (Blechdicke ≥ 10 mm), da die hier eingesetzten großen Strahldurchmesser zu entsprechend großen Ansatzmarken führen. Je kleiner der kleinere Fokusdurchmesser gewählt wird, desto kleiner ist die stehenbleibende Ansatzmarke. Auch weitere Mängel der Schneidkante (z. B. aufgrund von Tropfenbildung der Schmelze) können durch den Hilfsspalt reduziert oder vermieden werden.
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Der mindestens eine Hilfsspalt ist bevorzugt um weniger als den halben kleineren Fokusdurchmesser von der mindestens einen Schnittkante parallel beabstandet. Die Größe der Ansatzmarke kann minimiert werden, wenn der Hilfsspalt die mindestens eine Schnittkante berührt.
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Vorzugsweise wird vor dem Erzeugen des mindestens einen Hilfsspalts mit einem Fokusdurchmesser, welcher ebenfalls kleiner als der zum Ausschneiden des Werkstückteils verwendete Fokusdurchmesser ist, in das Werkstück eingestochen. Der Fokusdurchmesser beim Einstechen kann dem kleineren Fokusdurchmesser beim Schneiden des Hilfsspalts entsprechen. Das Einstichloch kann im späteren Abfallteil des Werkstücks (Butzen oder Restgitter) oder bevorzugt innerhalb des späteren Schnittspalts erfolgen. Im letzteren Fall dient die Anfahrstrecke aus dem Einstichloch vorteilhafterweise gleichzeitig als Teilstrecke des Hilfsspalts. Der Strahlmittelpunkt des Laserstrahls mit einem kleineren Fokusdurchmesser kann in diesem Fall auf dem Werkstück beispielsweise an den Anfangspunkt der Schneidkurve positioniert werden, um in das Werkstück das Einstichloch einzustechen. Danach kann der Laserstrahl ggf. auf einen noch kleineren Fokusdurchmesser umgeschaltet und dann verfahren werden, bis der Außenumfang des Laserstrahls die mindestens eine Schnittkante des späteren Schnittspalts tangiert oder um weniger als den halben kleineren Fokusdurchmesser von der mindestens einen Schnittkante entfernt ist. Anschließend wird durch Verfahren des Laserstrahls entgegen der Schneidrichtung der mindestens eine Hilfsspalt erzeugt.
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Vorzugsweise wird nach Erzeugen des mindestens einen Hilfsspalts der Strahlmittelpunkt des Laserstrahls mit dem kleineren Fokusdurchmesser an den Anfangspunkt der Schneidkurve positioniert und spätestens dort, also während oder nach der Positionierung, auf den größeren Fokusdurchmesser umgeschaltet, um anschließend den in sich geschlossenen Schnittspalt zu erzeugen. Besonders bevorzugt erfolgt diese Positionierbewegung mit ausgeschaltetem Laserstrahl und damit deutlich schneller als bei eingeschaltetem Strahl.
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Um die Ansatzmarken an beiden Schnittkanten des Schnittspalts zu reduzieren, wird in einer vorteilhaften Verfahrensvariante vor dem Ausschneiden des Werkstückteils der Laserstrahl mit dem kleineren Fokusdurchmesser entlang der beiden Schnittkanten des späteren Schnittspalts entgegen der Schneidrichtung zum Erzeugen zweier Hilfsspalte verfahren, welche sich entgegen der Schneidrichtung mindestens so weit über die hintere Schnittflanke hinaus erstrecken, dass beim Ausschneiden des Werkstückteils die vordere Schnittflanke die beiden Hilfsspalte zeitgleich mit oder vor der hinteren Schnittflanke berührt.
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In einer Weiterbildung dieser Verfahrensvariante werden die beiden Hilfsspalte an ihren entgegen der Schneidrichtung gerichteten Enden miteinander durch einen mit dem Laserstrahl mit kleinerem Fokusdurchmesser ausgeführten Verbindungsschnitt verbunden, dessen in Schneidrichtung hintere Schnittkontur entsprechend der Kontur der vorderen Schnittflanke ausgebildet ist. In einer anderen Weiterbildung werden die beiden Hilfsspalte miteinander durch einen mit dem Laserstrahl mit kleinerem Durchmesser ausgeführten Verbindungsschnitt verbunden, welcher, gesehen in Schnittrichtung, vollständig vor der vorderen Schnittflanke verläuft, so dass die vordere Schnittflanke nur die beiden Hilfsspalte, nicht aber den Verbindungsschnitt berührt.
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Besonders vorteilhaft ist der kleinere Fokusdurchmesser kleiner als der halbe größere Fokusdurchmesser, der vorzugsweise mindestens 1000 μm beträgt.
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Die Erfindung betrifft auch ein Computerprogrammprodukt, das Codemittel aufweist, die zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens angepasst sind, wenn das Programm auf einer Maschinensteuerung einer Laserschneidmaschine läuft.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
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Es zeigen:
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1 ein bekanntes Verfahren zum Ausschneiden eines Werkstückteils aus einem Werkstück mittels eines Laserstrahls im Moment des Freischnitts;
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2a, 2b zwei Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Reduzieren einer Ansatzmarke, die beim Laserschneiden eines Werkstückteils aus einem Werkstück an einer der beiden Schnittkanten verbleibt, jeweils im Moment des Freischnitts;
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3a, 3b zwei Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Reduzieren von Ansatzmarken, die beim Laserschneiden eines Werkstückteils aus einem Werkstück an beiden Schnittkanten verbleiben, jeweils im Moment des Freischnitts;
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4a, 4b zwei weitere Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Reduzieren von Ansatzmarken, die beim Laserschneiden eines Werkstückteils aus einem Werkstück an beiden Schnittkanten verbleiben, jeweils im Moment des Freischnitts; und
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5 eine zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Laserschneidmaschine.
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In der folgenden Beschreibung der Zeichnung werden für gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile identische Bezugszeichen verwendet.
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In 1 wird ein Werkstückteil 1 aus einem Werkstück (z. B. Blech aus CrNi-Stahl mit einer Dicke von 20 mm) 2 mittels eines im Fokuspunkt kreisförmigen Laserstrahls 3 mit einem Fokusdurchmesser D (z. B. 1100 μm) ausgeschnitten, indem der Laserstrahl 3, genauer gesagt der Strahlmittelpunkt M, auf dem Werkstück 2 entlang einer Schneidkurve 4 in einer Schneidrichtung 5 verfahren wird. 1 zeigt den Zeitpunkt des Freischnitts des Werkstückteils 1, wenn die am Ende der Schneidkurve 4 im Werkstück 2 erzeugte vordere Schnittflanke 7 die am Anfang der Schneidkurve 4 im Werkstück 2 erzeugte hintere Schnittflanke 6 berührt und dadurch der vom Laserstrahl 3 geschnittene Schnittspalt 8 in sich geschlossen wird. Zwischen den beiden Schnittflanken 6, 7 verbleiben an beiden Schnittkanten 9a, 9b des Schnittspalts 7 jeweils die schraffiert dargestellten Ansatzmarken 10a, 10b am ausgeschnittenen Werkstück 1 und am Restgitter 11.
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In den 2–4 sind verschiedene Verfahren gezeigt, um solche Ansatzmarken zu reduzieren. Diese Verfahren können zum Beispiel beim Schmelzschneiden (mit Stickstoff als Schneidgas) von Werkstücken mit einer Dicke von mehr als 10 mm sinnvoll angewendet werden.
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In 2a, 2b wird vor dem Ausschneiden des Werkstückteils 1 der Laserstrahl 3 mit einem Fokusdurchmesser d (z. B. 275 μm), welcher kleiner als der zum Ausschneiden des Werkstückteils 1 verwendete Fokusdurchmesser D ist, entlang der werkstückteilseitigen Schnittkante 9a des späteren Schnittspalts 8 entgegen der Schneidrichtung 5 zum Erzeugen eines Hilfsspalts 12a verfahren. Dabei erstreckt sich der Hilfsspalt 12a entgegen der Schneidrichtung 5 mindestens so weit über die hintere Schnittflanke 6 hinaus, dass im Zeitpunkt des Freischnitts des Werkstückteils 1 die vordere Schnittflanke 7 den Hilfsspalt 12a zeitgleich mit (2a) oder zeitlich vor (2b) der hinteren Schnittflanke 6 berührt.
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Der Hilfsspalt 12a kann beispielsweise wie folgt erzeugt werden:
Nach dem Einstechen eines Einstichlochs 13 in das Werkstück 2 mittels des Laserstrahls 3 (mit kleinerem Einstech-Fokusdurchmesser als der größere Fokusdurchmesser D, insbesondere mit dem kleineren Fokusdurchmesser d) wird mit dem kleineren Fokusdurchmesser d an die werkstückteilseitige Schnittkante 9a, also bis zum Punkt P2, gefahren, so dass der Außenumfang des Laserstrahls 3 die Schnittkante 9a berührt. Vom Punkt P2 wird mit dem kleineren Fokusdurchmesser d entlang der Schnittkante 9a entgegen der eigentlichen Schneidrichtung 5 bis zum Punkt P3 (2a) oder weiter bis zum Punkt P4 (2b) gefahren. Der Punkt P3 ist dadurch definiert, dass im Zeitpunkt des Freischnitts des Werkstückteils 1 die vordere Schnittflanke 7 zeitgleich den Hilfsspalt 12a und die hintere Schnittflanke 6 berührt. Der Punkt P4 ist dadurch definiert, dass im Zeitpunkt des Freischnitts des Werkstückteils 1 die vordere Schnittflanke 7 ausschließlich den Hilfsspalt 12a, also nicht auch die hintere Schnittflanke 6 berührt. Zum Schluss wird bei ausgeschaltetem Laserstrahl der Strahlmittelpunkt M auf einen Anfangspunkt P1 der Schneidkurve 4 – entweder auf direktem Weg von P3 bzw. P4 zu P1, was bevorzugt ist, oder wie gezeigt über den Punkt P2 –, positioniert und spätestens dort auf den größeren Fokusdurchmesser D umgeschaltet, mit dem anschließend das Werkstückteil 1 ausgeschnitten wird. Zwischen den beiden Schnittflanken 6, 7 bleiben dann an der werkstückteilseitigen Schnittkante 9a jeweils eine kleine Ansatzmarke 10a und an der restgitterseitigen Schnittkante 9b jeweils eine größere Ansatzmarke 10b stehen. Die Ansatzmarke 10b ist in 2a wegen der kreuzschraffiert dargestellten, freigeschnittenen Werkstückfläche 14 kleiner als in 2b.
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Vorzugsweise wird das Einstichloch 13 direkt am Anfangspunkt P1 eingestochen. Spätestens am Punkt P2 muss vom Einstech-Fokusdurchmesser auf den kleineren Fokusdurchmesser d umgeschaltet werden, sofern nicht bereits mit diesem kleineren Fokusdurchmesser d eingestochen wurde.
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Anstatt die werkstückteilseitige Schnittkante 9a zu berühren, kann der Hilfsspalt 12a auch um weniger als den halben kleineren Fokusdurchmesser d von der Schnittkante 9a parallel beabstandet sein, da dann immer noch eine reduzierte Ansatzmarke 10a erreicht wird.
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Im Unterschied zu den 2a, 2b wird in den 3a, 3b zusätzlich ein Hilfsschnitt 12b an der restgitterseitigen Schnittkante 9b durchgeführt, indem der Laserstrahl 3 mit kleinerem Fokusdurchmesser d beispielsweise vom Anfangspunkt P1 über Punkt P2' zum Punkt P3' (3a) oder P4' (3b) gefahren wird. Die Punkte P3', P4' sind analog zu den Punkten P3, P4 definiert. Zwischen den beiden Schnittflanken 6, 7 bleiben dann an beiden Schnittkanten 9a, 9b die gleichen reduzierten Ansatzmarken 10a, 10b stehen, wobei die kreuzschraffiert dargestellten Werkstückflächen 14 freigeschnitten werden.
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Im Unterschied zu den 3a, 3b werden in den 4a, 4b die beiden Hilfsspalte 12a, 12b an ihren entgegen der Schneidrichtung 5 gerichteten Enden durch einen Verbindungschnitt 15 miteinander verbunden, der mit dem Laserstrahl 3 mit kleinerem Durchmesser d ausgeführt wird. Dabei entspricht die in Schneidrichtung 5 hintere Schnittkontur 16 des Verbindungschnitts 15 der Kreiskontur der vorderen Schnittflanke 7. Die Hilfs- und Verbindungsschnitte 12a, 12b, 15 können beispielsweise durch Verfahren des Laserstrahls 3 ausgehend vom Anfangspunkt P1 entlang des kreisförmige Verfahrwegs P1-P2-P3(P4)-P3'(P4')-P2'-P1 erzeugt werden. Im Zeitpunkt des Freischnitts des Werkstückteils 1 berührt die vordere Schnittflanke 7 zeitgleich die Hilfsspalte 12a, 12b und die hintere Schnittkontur 16. Zwischen den beiden Schnittflanken 6, 7 bleiben dann an beiden Schnittkanten 9a, 9b die gleichen reduzierten Ansatzmarken 10a, 10b stehen.
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Alternativ kann der Verbindungschnitt 15, gesehen in Schnittrichtung 5, auch vollständig vor der vorderen Schnittflanke 7 verlaufen, so dass die vordere Schnittflanke 7 nur die beiden Hilfsspalte 12a, 12b, nicht aber den Verbindungsschnitt 15 berührt.
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Das Umschalten zwischen dem größeren und dem kleineren Fokusdurchmesser D, d erfolgt beim Einsatz eines Festkörperlasers zum Erzeugen des Laserstrahls
3 vorzugsweise mithilfe einer Doppelcladfaser und einer Keilweiche, wie in
DE 10 2010 003 750 A1 beschrieben.
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5 zeigt eine zum Durchführen des in den 2 bis 4 beschriebenen Verfahrens geeignete Laserschneidmaschine 20.
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Die Laserschneidmaschine 20 weist beispielsweise einen CO2-Laser, Diodenlaser oder Festkörperlaser als Laserstrahlerzeuger 21, einen verfahrbaren Laserschneidkopf 22 und eine Werkstückauflage 23 auf, auf der das Werkstück 2 angeordnet ist. Im Laserstrahlerzeuger 21 wird der Laserstrahl 3 erzeugt, der mittels eines (nicht gezeigten) Lichtleitkabels oder (nicht gezeigten) Umlenkspiegeln vom Laserstrahlerzeuger 21 zum Laserschneidkopf 22 geführt wird. Der Laserstrahl 3 wird mittels einer im Laserschneidkopf 22 angeordneten Fokussieroptik auf das Werkstück 2 gerichtet. Die Laserschneidmaschine 1 wird darüber hinaus mit Prozessgasen 24, beispielsweise Sauerstoff und Stickstoff, versorgt. Das Prozessgas 24 wird einer Schneidgasdüse 25 des Laserschneidkopfes 22 zugeführt, aus der es zusammen mit dem Laserstrahl 3 austritt. Die Laserschneidmaschine 20 umfasst ferner eine Umschaltoptik 26 (beispielsweise ein diffraktives optisches Element oder einen adaptiven Spiegel) zum Umschalten zwischen dem größeren und dem kleineren Fokusdurchmesser D, d des Laserstrahls 3, sowie eine Maschinensteuerung 27, die programmiert ist, sowohl den Laserschneidkopf 3 samt seiner Schneidgasdüse 25 entsprechend der Schneidkontur relativ zum Werkstück 2 zu verfahren als auch die Umschaltoptik 26 zum Umschalten auf den größeren oder kleineren Fokusdurchmesser D, d anzusteuern. Die Umschaltoptik 26 muss nicht zwangsläufig im Laserschneidkopf 22 angeordnet sein, sondern kann sich auch im oder am Strahlerzeuger 21 vor einem Lichtleitkabel oder an anderer Stelle in der Strahlführung befinden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19506522 A1 [0003]
- JP 10-085975 A [0004]
- DE 102010003750 A1 [0032]
