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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung mindestens eines Bauteils sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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Bei der herkömmlichen Laseroberflächenbearbeitung, Reinigung der Oberflächen, Abtrag von Schichten (organisch/anorganisch), gezielter Oxidation bzw. Strukturierung von Oberflächen (makro-, mikro- od. nanoskalig) erfolgt eine Erwärmung des bestrahlten Materials aufgrund der einfallenden / wechselwirkenden Laserstrahlung. Die Erwärmung kann durch die Pulslänge des Lasersystems (Ultrakurzpulslaser) und die entsprechende Leistung und Laserwellenlänge bzw. Scanstrategie, insbesondere die Vorschubgeschwindigkeit des Brennflecks des Laserstrahls sowie seiner Fokussierung reduziert werden. Beim Laserstrahlschneiden und -schweißen sowie der Remotebearbeitung dieser Prozesse entstehen ebenso wie bei dem Laserabtrag und Laserreinigen Abprodukte von denen die Bauteiloberflächen der aktive Laserbearbeitungsstrahl sowie die Laseroptiken möglichst geschützt bzw. frei gehalten werden sollen.
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Bei Faserverbundwerkstoffen, speziell mit thermoplastischer Matrix als auch anderen Werkstoffgruppen und -klassen, kann bei der Laserbearbeitung der Phasenübergang vom festen in flüssigen zum gasförmigen Zustand negative Eigenschaftsänderungen für das Ergebnis des Laserprozesses bzw. den Werkstoffeigenschaften bewirken. Speziell bei der Faserfreilegung an Verbundmaterialien (FVK) mit polymerer, insbesondere thermoplastischer Matrix führt dieser Übergang zur Wiederbenetzung der Fasern durch das verflüssigte Matrixmaterial. Dadurch können keine glatten Schnittkanten oder Schweißnähte erreicht werden.
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Bei der Laserbearbeitung von Metallen und Polymeren kommt es an den Rändern von Schweißnähten oder Schnittfugen üblicherweise zu ungeraden ausfransenden Bereichen, die durch unkontrollierbares Schmelzen und Verlaufen von Bauteilwerkstoff und dessen Erstarren hervor gerufen werden.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten bei der Laserbearbeitung anzugeben, bei denen an Schweißnähten, Schnittfugen oder anderen Bereichen von Bauteilen an denen ein Schmelzen und/oder eine Sublimation auftreten, eine verbesserte Oberflächenqualität erreicht werden kann.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, dass die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Eine Vorrichtung dazu ist mit dem Anspruch 8 definiert. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bei dem wird ein bevorzugt auslenkbarer Laserstrahl mit seinem Brennfleck so in einen Bearbeitungsbereich des/der zu bearbeitenden Bauteile(s) gerichtet, dass ein Schmelzen und/oder eine Sublimation des Bauteilwerkstoffs im Bearbeitungsbereich erfolgt. Dabei soll zumindest neben dem Brennfleck in einem Abstand zu diesem und/oder von der Rückseite des Bauteils ein Kühlmedium auf die zu bearbeitende Oberfläche gerichtet werden, so dass mit dessen Temperatur und Wärmekapazität lokal und zeitlich begrenzt eine Temperatur des Bauteilwerkstoffs unterhalb der Schmelz- und/oder Sublimationstemperatur im Bereich neben dem Brennfleck eingehalten wird und gleichzeitig im Wechselwirkungsbereich des Brennflecks mit dem Bauteilwerkstoff ein Werkstoffabtrag oder ein Schweißen erfolgt.
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Allein oder zusätzlich dazu kann die Temperatur des Bauteilwerkstoffs auch mit mindestens einem Wärmetauscher oder mindestens einem Peltierelement unterhalb der Schmelz- und/oder Sublimationstemperatur im Bereich neben dem Brennfleck gehalten werden, der/das an der nicht mit dem Laserstrahl bestrahlten Oberfläche des Bauteils wirkt. Der mindestens eine Wärmetauscher oder Peltierelement kann so ausgebildet sein, dass eine Temperaturreduzierung neben dem Brennfleck eines Laserstrahls erreicht werden kann. Dies kann beispielsweise eine ring- oder u-förmige Ausbildung ermöglichen. Vorteilhaft kann auch eine Nachführung der Vorschubbewegung des Brennflecks mit einem geeigneten Antrieb oder Manipulator erreicht werden.
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Als Kühlmedium können Gase aufgrund des Joule-Thomson-Effekt verwendet werden wie z.B. flüssiger Stickstoff, flüssiger Kohlenstoffdioxid, Kohlendioxid Eisschnee oder ein mittels flüssigem Stickstoff, flüssigen Kohlenstoffdioxid bzw. mittels Kühlflüssigkeit betriebener Kühlkörper oder gekühltes Fluid neben den Brennfleck oder auf die Rückseite des Bauteils unterhalb und zumindest in der Nähe des Brennflecks gerichtet werden.
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Das Kühlmedium mit dessen Temperatur und Wärmekapazität eine Temperatur des Bauteilwerkstoffs unterhalb der Schmelz- und/oder Sublimationstemperatur eingehalten wird, sollte vorteilhaft über mindestens eine Düse neben und/oder in den Brennfleck (Laserspot) und/oder auf die Rückseite des Bauteils gerichtet werden, mit der der Volumenstrom, Druck, die Strömungsrichtung und/oder der Neigungswinkel in Bezug zur Bauteiloberfläche des aus der mindestens einen Düse austretenden Kühlmediums und/oder die Laserleistung gesteuert oder geregelt werden kann. Mehrere Düsen sollten jeweils einzeln gesteuert oder geregelt werden können.
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Günstig ist es, wenn die Temperatur im Bereich neben dem Brennfleck gemessen und die gemessene Temperatur zur Regelung des aus der/den Düse(n) austretenden Kühlmediums und/ oder der Laserleistung genutzt wird.
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Kühlmedium kann aus einem Behälter der/den Düse(n) direkt zugeführt werden. Es besteht aber auch die Möglichkeit ein zu kühlendes Kühlmedium, insbesondere Luft oder ein inertes Gas durch einen Behälter, in dem ein kälteres Fluid enthalten ist, der/den Düse(n) zuzuführen und dabei die niedrige Temperatur des im Behälter enthaltenen sehr kalten Fluids auszunutzen.
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Ein Kühlmedium oder ein Fluid kann vor, während und/oder nach erfolgtem Schmelzen und/oder erfolgter Sublimation von Bauteilwerkstoff zur Reinigung und/oder Abführung von Partikeln oder Reaktionsprodukten in einem Winkel auf die Oberfläche des/der Bauteile(s) gerichtet werden, der in Bezug zur Normalen der Bauteiloberfläche kleiner als der Winkel beim Kühlen des Bauteilwerkstoffs ist. Damit können Verunreinigungen und Dämpfe abgeführt werden. Die Zufuhr des Kühlmediums oder Fluids kann mittels mindestens einer entsprechend verschwenkbaren Düse erfolgen.
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Besonders vorteilhaft können Bauteile aus einem Verbundwerkstoff, insbesondere Faserverbundwerkstoff, bei dem Fasern in einer Polymermatrix enthalten sind, bearbeitet werden.
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Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sollte so ausgebildet sein, ein Kühlmedium auf die Oberfläche und/oder Rückseite des Bauteils, mit dessen Temperatur und Wärmekapazität in einem Abstand vorher definierten Abstand eine Temperatur des Bauteilwerkstoffs unterhalb der Schmelz- oder Sublimationstemperatur eingehalten wird, über mindestens eine steuer- oder regelbare Düse in einem Abstand neben den Brennfleck eines Laserstrahls gerichtet ist.
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Vorteilhaft kann/können dabei der Volumenstrom, der Druck, die Strömungsrichtung und/oder der Neigungswinkel in Bezug zur Normalen der Bauteiloberfläche des aus der/den Düse(n) austretenden Kühlmediums in Abhängigkeit der Temperatur, die in einem Abstand neben dem Brennfleck erreicht ist, verändert werden, um ein Schmelzen und/oder eine Sublimation des Bauteilwerkstoffs außerhalb des Bearbeitungsbereiches neben dem Brennfleck zu behindern und besonders bevorzugt vollständig zu verhindern.
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Das mindestens eine zu bearbeitende Bauteil oder mehrere miteinander zu verbindende Bauteile sollten vor bzw. vor, während und ggf. nach der direkten Beaufschlagung mit Laserstrahlung lokal und aktiv durch eine geeignete Medienzufuhr mit entsprechend ausreichender Temperatur gekühlt werden. Dies kann z.B. mit flüssigem Stickstoff oder C02-Eischnee erreicht werden, die bevorzugt in flüssiger Form in einen Bereich der bestrahlten Oberfläche neben dem Brennfleck oder auf der Rückseite des Bauteils zugeführt werden. Es kann auch eine Zufuhr eines Gases oder einer Flüssigkeit genutzt werden, die vor der Zufuhr ausreichend auf eine geeignete Temperatur abgekühlt worden sind.
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Die Laserstrahlbearbeitung des/der Bauteile(s) bei der der Brennfleck bevorzugt von einem Kühlmedium (z.B. flüssiger Stickstoffatmosphäre oder dem Einsatz von CO2-Schnee bzw. Trockeneisschnee) umgeben ist, führt ohne bzw. mit einer Temperatursteuerung oder Regelung (Messung z.B. mittels Thermoelement, Laserthermometer bzw. Pyrometertechnik) zu einer Verringerung von thermisch ungewollten Werkstoffänderungen, wie insbesondere Gefügeänderungen bei Metallen bzw. Materialschädigungen insbesondere bei Polymeren durch thermisch induzierten Abbauprozesse. Weiterhin kann auch die Oxidation die während der Bearbeitung abläuft vorteilhaft durch Zusatz- bzw. Kühlmedien beeinflusst (verringert) werden.
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Weiterhin kann mittels Düsenanordnung eine gezielte Strömung, ein Abluftstrom, der möglichst als laminare Strömung für die Abfuhr von Gas- und Partikelemissionen aus dem Bearbeitungsbereich, eingestellt werden. Diese Düsentechnik kann zum Abkühlen und/oder Reinigen der zu bearbeitenden Bauteiloberfläche vor und während ggf. auch nach der Laserwechselwirkung genutzt werden. Sie kann auch zum Entfernen der Emissionen und Partikel von den Bauteiloberflächen und dem Laserbearbeitungskopf genutzt werden.
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Die Düsen, aus denen Kühlmendium austritt sowie auch Absaugdüsen können dabei lokal im Bereich der Bearbeitung oder um den Bearbeitungsbereich herum angebracht sein und mittels Bewegungssystemen (in x-, y- und ggf. auch z- Richtung) zeitlich und örtlich veränderbar sein. Eine andere Lösung besteht darin einen Vorhang an Düsen über die Gesamtlänge des Bearbeitungstisches oder um den Bearbeitunsgbereich herum zu nutzen, wobei jeweils einzelne Düsen im Bereich der Laserbearbeitung angesteuert werden können (z. B. elektrisch oder pneumatisch). Dabei kann der Betriebszustand der einzelnen Düse, sowie die Neigung der Düse gegenüber der Bauteiloberfläche im Bearbeitungsbereich einstellbar sein. Daneben können der Volumenstrom und/oder der Druck des Kühlmediums der Düse(n) gesteuert oder geregelt werden.
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Vor der Bearbeitung kann die Oberfläche mit z.B. Druckluft über die Düse(n) gereinigt werden. Während der Bearbeitung kann unter einem anderen Neigungswinkel mit dem Kühlmedium der Prozess beeinflusst werden und nach der Laserbearbeitung kann noch mal die Bauteiloberfläche gereinigt oder aktiviert werden.
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Dies kann auch geregelt in Abstimmung mit den Steuersignalen der Scanner und Achscontroller der den Laserstrahl auslenkenden und formenden Laserbearbeitungseinheit erfolgen.
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Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
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Dabei zeigen:
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1 in schematischer Darstellung einen Aufbau mit einer positionierbaren Düse und
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2 in schematischer Darstellung einen Aufbau mit mehreren jeweils einzeln ansteuerbaren Düsen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Vorgehen wurde ein Nd:YAG Festkörperlaser eingesetzt, der gepulst betrieben wurde. Für die Bearbeitung eines Bauteils 3 wurde der emittierte Laserstrahl mit 2D-Scanner und F-Theta-Optik (100 mm Brennweite), Pulsfrequenz von 8 kHz und einer Vorschubgeschwindigkeit des Brennflecks bei zweidimensionaler Auslenkung von 2100 mm/s (wobei diese deutlich variieren können) mit einer Pulsspitzenleistung von ca. 150 kW und einer Energiedichte von 25 J/cm2 genutzt. Bearbeitet wurde ein Faserverbundwerkstoff aus Hybridgarn bestehend aus endloser E-Glasfaser und Polypropylen.
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Über mindestens eine Düse 1 wurde flüssiger Stickstoff als Kühlmedium neben dem Brennfleck des Laserstrahls auf die Bauteiloberfläche appliziert.
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Wie in 1 gezeigt, kann dabei eine Düse 1 an mehrere Positionen bewegt und in Bezug zur Position des Brennflecks des Laserstrahls, der mit einer Strahlführungs- und Formungseinheit 2 auf den jeweiligen Bearbeitungsbereich bewegt wird, bewegt und ausgerichtet werden, so dass Kühlmedium bevorzugt neben der momentanen, einer zukünftigen oder nachfolgenden Position des Laserstrahlbrennflecks auf die Oberfläche des Bauteils 3 gerichtet wird. Mit dem Kühlmedium wird eine Werkstofftemperatur neben der jeweiligen Brennfleckposition erreicht, die unterhalb der Schmelz- und/oder Sublimationstemperatur des Bauteilwerkstoffs liegt.
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Dazu kann die Bewegung der einen Düse 1 mittels einer Temperaturmessung an der Oberfläche des Bauteils geregelt werden. Die Regelung kann erweitert werden, indem der Volumenstrom und/oder Druck, mit dem der flüssige Stickstoff auf die Bauteiloberfläche auftrifft, ebenfalls geregelt wird/werden. Für die Temperaturmessung kann ein Pyrometer, das der Brennfleckbewegung nachgeführt werden kann, eingesetzt werden.
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Die Düse 1 kann beispielsweise mit einem Industrieroboter in mindestens drei Freiheitsgraden entsprechend der Vorschubbewegung des Brennflecks bewegt werden.
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Mögliche Bewegungen sind mit den Doppelpfeilen angedeutet. In diesem Fall kann sogar eine ausreichende Abkühlung von der Rückseite eines Bauteils 3, an der keine unmittelbare Wechselwirkung mit der Laserstrahlung auftritt, erreicht werden, wenn das Bauteil 3 eine entsprechend geeignete Dicke und/oder geometrische Gestalt aufweist.
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Bei dem in 2 gezeigten Beispiel sind Düsen 1 in zwei senkrecht zueinander angeordneten Reihenanordnungen um einen Bearbeitungsbereich, innerhalb dessen die Brennfleckbewegung erfolgt, angeordnet. Jede der Düsen 1 ist einzeln ansteuerbar, was einmal den Volumenstrom und/oder Druck mit dem das Kühlmedium austritt und zum anderen den Schwenkwinkel mit dem die Strömungsrichtung des Kühlmediums beeinflusst werden kann, betrifft.
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In nichtdargestellter Form können Düsen 1 auch an der Rückseite des Bauteils 3 angeordnet sein und um analog zum Beispiel nach 1 eine Kühlung von dort zu erreichen. Dazu ist eine entsprechend ausreichende thermische Leitfähigkeit erforderlich. Es kann dabei auch die thermische Leitfähigkeit und insbesondere die Zeit vom Auftreffen des Kühlmediums mit dessen Temperatur berücksichtigt werden, die erforderlich ist, bis die gewünschte reduzierte Temperatur an der Oberfläche an der der Laserstrahl mit dem Bauteilwerkstoff wechselwirkt erreicht ist. Es sollte das Kühlmedium dann also an Positionen, die in Vorschubbewegungsrichtung des Brennflecks vor dem Brennfleck angeordnet sind, auf die Rückseite gerichtet und der Vorschubbewegung vorausschauend der oder die Aufftreffort(e) des Kühlmediums gewählt werden, wobei die Bewegung des/der Auftrefforte(s) der Vorschubbewegung des Brennflecks zumindest annähernd entsprechen sollte.
