DE102016001624A1

DE102016001624A1 - Laserstrahlführung in einer Arbeitsspindel und weiter in 2 Typen Werkzeuge im wesentlichen zur duktilen Materialabnahme-Unterstützung und im besonderen zur Material- Re-Schmelzung bis Verdampfung.

Info

Publication number: DE102016001624A1
Application number: DE102016001624.8A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-10-26
Filing date: 2016-02-09
Publication date: 2017-04-27

Abstract

Durch die Erfindung wird ein neues, interessantes Universalverfahren verfügbar.
Mit seiner speziellen Laser-Spindel-Werkzeugkombination ermöglicht es selbst mit gängigen Optikkomponenten komplexe Aufgaben zu bewältigen. Es realisiert das Arbeiten über den peripheren, orthogonalen Strahlkontakt mit dem Material und klammert mit seinem den Fräszahn begleitenden Spot, die unerwünschte Zahnbestrahlung aus. Die bisherige Tendenz, das Endfinish in einer zweiten Bearbeitungsstufe durchzuführen, ignoriert hingegen das vom IPT erprobte, effektive ,Lasergstützte Fräsen' mit all seinen bekannten Vorteilen von bis zu 80% reduzierte Kräfte zwischen Werkzeug und Maschine ohne Gefahr der Tiefenrissbildung. Das neue Verfahren bietet also eine erhebliche Reduktion an Werkzeug-, Verschleiß- und damit Bearbeitungskosten bei gleichzeitiger Minimierung der nötigen Werkzeug-wechsel sowie der Anzahl nötiger Fräsdurchgänge. Im Gesamt-ergebnis resultiert deutlich höhere Produktivität.
Das Endfinish wird beim Abschlußarbeitsgang durch nahezu berührungsloses Überfahren partiell im μ-Bereich erzeugter Duktilität bewirkt und hinterläßt eine schmelzverschossenen Oberfläche in Polier-Qualität, mit einem weitern Effekt der Bauteilverstärkung durch „Kristallversetzungskraft-Multiplikation” (Frank-Read-Mechanismus). Zudem ist es ermöglicht Verschleiß-Scanen an Formteilen festzustellen, mit anschließenden Auftragschweißen und Lasergestützte Nacharbeit in einer Aufspannung zu realisieren.
Es kommt auch darauf an, das der Laserenergieaufwand, der zukünftig durch neue Dioden mit doppelter Lichtausbeute bereits reduziert wird, zudem kompensiert wird durch geminderte Bearbeitungs-Kräfte, geringerer Bearbeitungszugaben durch vermehrte Rohguss Anwendung, geringeren Werkzeugaufwand an Masse und Verschleiß und letztlich an Dynamikkräften durch leichtere Bauweise wegen geringerer Maschinenmasse. Eine Energiebilanz wird sicherlich am Ende eine weitaus ökologischere Anwendung bescheinigen als die herkömmliche Vorgehensweise.
Mit dieser Erfindung ist ein Verfahren möglich, das die Schaffung eine Spezial-Laser-Spindel-Werkzeug-Kombi- nation ermöglicht die mit gängigen Optikkomponenten die komplexen Aufgaben des peripheren, orthogonalen Strahlkontakts mit dem Material für den fräszahnbegleitenden Spots realisiert, und den Zahn selbst von der Bestrahlung ausklammert. Entscheidend ist, das Normalwerkzeuge nur im Bedarfsfall (1) eine Längsnute am Schaft be- nötigen um den zahnbegleitenden Freistrahl vor dem ...

Description

Stand der Technik ist:

a) Patent 199 62 126 darin ist die exzentrische Strahleinkopplung vor, ggf. verstellbar, exzentrisch auf der Werkzeugachse vorgesehen, zur direkten Einkopplung in die Fasern. Dies hat sich bei weiterer Planung aber wegen der notwendigen peripheren, dynamischen Kabeltorsionsbelastung zur Strahleinführung auf einer Kreisbahn als nicht praktikabel erwiesen. Der Strahlausgang hat sich ebenfalls in der vorgesehenen Form als nicht brauchbar erwiesen. Die Einbringung der Laserfasern in den Werkzeugkörper ist bisher ohne praktikablen Realisierungsvorschlag geblieben. Weiterer Stand der Technik ist:
b) Patentanmeldung DE 102 41 339 (08/02) in der die exzentrische Strahleinführung konkretisiert ist über ein Linsenarray zur Einkopplung in Fasern. Zuvor war die Einkopplung in Fasern über ein Grinlinsen-Array vorgesehen wobei die Faserkopfflächen direkt angekoppelt sein sollten. Für die der Ausführungsplanung wurde jedoch die Trennung von Linse und Faser vorgenommen. Diese war jedoch auf eine extreme Politur der Fasereintrittsflächen angewiesen, wegen der extremen Wärmebelastung auf kleinster Fläche. Eine erste Ausführung beschrieben 2006 in ,wt-Werkstattstechnik' als praktischer Versuch machte weitere Entwicklung notwendig. Es stellte sich eine Problematik dar, die bei der Ausführung der bereits unter a) angedachte war, die erwähnten Strahleinkopplung mit einer komplizierten Lagerung und die einer Pleyel-Lagerung bedurfte, was dann auch beim ersten Versuch Weiterentwicklungsbedarf voraussetzte wegen befürchtete Labilität.
c) Anmeldung DE 10 2009 058 245 (11.09). Bei dieser Anmeldung liegt der Fokus auf der Anwendung eines Ringprismas. Die Strahl-Einführung und Auskopplung in und aus Ringprismen erzeugt Strahlaufweitungen denen mit Gegenmaßnahmen begegnet werden müsste. Ein relativ einfache Lösung währe ein Außenringprisma mit von außen herangeführten Strahl was allerdings zur uneingeschränkten Rundum Positionierung jedoch nicht geeignet ist. Ein zusätzliches Bauteil an bestehenden Ausrüstungen wäre erforderlich aber inakzeptabel.
d) Anmeldung P2333 DE 20090010 (..09) Fraunhofer-Gesellschaft Aachen. Diese Ausführung ist konstruktionsbedingt auf eine Ein-Zahnlösung beschränkt.
e) Patent-Schrift 39 11 769 ist ein einteiliges Spindelwerkzeug zum Hochgeschwindigkeitsabtrag jedoch mit einer Kupplung zu einen Antrieb. Diese Ausführung ist noch nicht schwingungsfrei und muss verbessert werden.

Die vorliegende Erfindung eliminiert alle Einschränkungen des Stands der Technik. Zudem werden nur einfache Standartoptik-Komponenten verwendet die allenfalls geringfügiger Nachbearbeitungen bedürfen. Vornehmlich ist verlustfreie, prismatische Spiegelung vorgesehen. Die Spiegelelemente plan, konvex oder konkav sind handelüblich wie auch Prismen. Durch Fokussierung auf die Achsmitte mit wenigstens einer Fokuslinse kann ein zentraler Strahl erzeugt werden mit dem Scanen, Beschriften, Polieren und in Verbindung mit einem Schweißwerkzeug mit Schweiß-Mediumzuführung auch Aufschweißungen direkt nach dem Scanen möglich sind, und zur direkt anschließenden Lasergestützten Endbearbeitung alles in einer Werkstückeinspannung. Integrierbar ist auch die sensorische Brennpunktermittlung durch Spankraftmessung vorgesehen (optional in c) beschrieben).
Beschreibung nach Ausführungsbeispiel Fig. 1:

1 der aus dem Laserkabel-Endkollimator kommende Parallelstrahl. Die drei dargestellten Positionen sind optional zu sehen. Für die beiden exzentrischen Strahlführungen ist ein Vorprisma im Rotor des Scheibenmotors vorgesehen das in zwei Reverenzen 0 und 180° auf der Motor-Skala positioniert werden kann. Die Regel ist allerdings ohne Vorprisma direkt zentral zu dem einzigen Einzelprisma zur Exzentrizität zu leiten-
2 das Endstück der Führungskanals ist mit niedriger Drehfrequenz gegenüber der Hochfrequenz der Spindel mit gasdynamischer Lagerung getrennt. Optional ist dieses Endstück auch einsetzbar zur Betätigung des Wechselmechanismus der spindelinternen Teile:
3 die von der Standartbetätigung befreit werden wegen der unbeeinträchtigten Durchführung des Laser-Führungskanals.
4 ist das Einzelprisma zur Erzeugung der Exzentrizität auf einen ausreichend großen Durchmesser der die Anwendung von Einzellinsen ermöglicht gegen über einem teurem Linsenarray der Primärausführung DE 102 41 339 (08/02).
5 zeigt die Stellung zur Entkupplung der Werkzeugaufnahme:
6 die als Standartaufnahme aus der Normserie HSK63 entnommen ist für beide Werkzeugtypen.
21 das Werkzeug mit Einzelspot bedarf eines Strahlformungselementes das die unterschiedlichen Werkzeugdurchmesser berücksichtigt und die Strahlspreizung über Verbindungsstege und Werkzeugschneiden dazu ist:
22 geeignet als optische Ring-Linsen-Prisma-Element. Im Schnitt Blickrichtung gegen die Achse ist zu erkennen das in der Eintrittsfläche eine Kerbe eingebracht ist bei der der Strahl beim Eintritt zunächst nach links dann geteilt und beim Verlassen nach rechts abgelenkt wird. Beim Durchtritt durch den Glaskörper treffen die Strahlen in gleicher Reihenfolge eine gegenwirksame Kerbe in die Schräglage wieder zur Parallelität gebracht wird und in dieser Weise über den Steg und die Schneide gehoben wird. Die Schräglage der Ein-/Aus-Trittsflächen bestimmt die Ausrichtung auf die diversen Werkzeug-ø 23 der Strahl.
24 Werkzeug mit zahnbegleitender Brennstrecke.
25 die Einzellinsen des Linsenrings. Die Linsen liegen auf eine Platte mit radialen Schlitzen mit Stegunterbrechungen über denen eine Strahlunterbrechung bedingt zur Überbrückung auch der Fräserschneiden.
26 der Strahl in Ansicht parallel zur Mitte und mit Blick seitlich zur Mitte mit Darstellung des Fokuswinkels der sich beim Unterfahren der Linse ergibt.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10241339 [0001, 0002]
DE 102009058245 [0001]
DE 20090010 [0001]

Claims

Laserstrahlführung in einer Arbeitsspindel und weiter in 2 Typen Werkzeuge im wesentlichen zur duktilen Materialabnahme-Unterstützung und im besonderen zur Material-Re-Schmelzung bis Verdampfung dadurch gekennzeichnet, dass eine Arbeitsspindel ausgestattet ist mit einem Laserkabel-Endkollimator der statisch verbunden ist mit einem Scheibenläufermotor, und der Rotor verbunden ist mit einen Führungskanal für den Laser-Parallelstrahl (1) der mit einem flanschartigen (2) Endstück zur Aufnahme des Prismas zur exzentrischen, rundum positionierbaren und bewegbaren Verstellung sorgt.
nach 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Spindel mit einer Schwingungs-Sensorik ausgestattet ist, die über die periphere Skalierung des Scheibenläufermotors einmal permanent an die dynamische C-Achse der CAD/CAM-Steuerung gekoppelt ist, und zusätzlich über die spindelinterne SPS, das Spankraftmaximum feststellt als permanenten Laser-Spotpunkt oder die dynamische, zahnbegleitende Berennstrecke startet.
nach 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass ein Werkzeug (21) verwendbar ist in dem ein permanenter Einzelspot für Werkzeug-Durchmesser 1–9 erzeugt wird und für weitere Spezialwerkzeuge wie Scannen, Schweißen, Polieren und Texterstellung geeignet ist.
nach 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass ein Werkzeug (24) verwendbar ist in dem der exzentrisch ausgerichtete Strahl auf einen Linsenring im Werkzeugflansch trifft und bei der dynamischen Spindeldrehung über die Werkzeugaufnahme (6) von den einzelnen Linsen unterfahren wird, und dabei fokussiert auf den jeweiligen Brennpunkt im Spanbereich zahnbegleiteten mitbewegt wird.