DE102017119508A1

DE102017119508A1 - Verfahren zum Verformen von Material mittels Laserstrahl

Info

Publication number: DE102017119508A1
Application number: DE102017119508.4A
Authority: DE
Inventors: Peer Woizeschke; Villads Schultz
Original assignee: Bremer Institut fuer Angewandte Strahltechnik BIAS GmbH
Current assignee: Bremer Institut fuer Angewandte Strahltechnik BIAS GmbH
Priority date: 2017-08-25
Filing date: 2017-08-25
Publication date: 2019-02-28
Anticipated expiration: 2037-08-26
Also published as: DE102017119508B4

Abstract

Bei einem Verfahren zum Verformen eines flächigen Werkstücks (10) mittels Pulslaser, bei dem zum Biegen des Werkstücks (10) mindestens ein Bereich auf einer Oberfläche (15) des Werkstücks (10) mit einer Anzahl Laserpulse (13) bestrahlt wird, lässt sich eine Biegung (17) eines flächigen Werkstücks (10) in eine der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls entsprechende Richtung dadurch erzielen, dass die Laserpulse (13) zum Biegen des Werkstücks (10) in eine der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls entsprechende Richtung auf den Boden mindestens einer Vertiefung (11) in dem Werkstück (10) gerichtet werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verformen eines flächigen Werkstücks mittels Pulslaser, bei dem zum Biegen des Werkstücks mindestens ein Bereich auf einer Oberfläche des Werkstücks mit einer Anzahl Laserpulse bestrahlt wird.
Das Verformen von Material mittels Laserlicht, auch als Laserstrahlbiegen bezeichnet, wird beispielsweise, wie in der EP 1 186 927 A2 beschrieben, im Bereich des Laserjustierens genutzt, um eine gewünschte Ausrichtung in der Montage von Optikkomponenten zu erreichen. Die dort beschriebene Verstellvorrichtung hat eine Anzahl Stellelemente, die an ihrem einen Ende mit einer ortsfesten Basisplatte und an ihrem anderen Ende mit einer beweglichen Trägerplatte verbunden sind. Durch eine lokale Beaufschlagung mit Laserstrahlung sind die Stellelemente in ihrer Form oder Länge veränderbar.
Das Verfahren des Laserstrahlbiegens basiert auf dem Effekt des Temperaturgradienten-Mechanismus. Der Effekt des Temperaturgradienten-Mechanismus kann grundsätzlich bei allen Werkstoffen auftreten, die elastisch und/oder plastisch verformbar sind. Folgendes, allgemein bekanntes Prinzip liegt dem Temperaturgradienten-Mechanismus zugrunde:
Die Oberfläche eines flächigen Werkstücks wird durch die Einwirkung von Laserstrahlung erwärmt. Die Bestrahlung kann entlang einer Geraden erfolgen, um eine Biegekante zu erzeugen. Durch die Einwirkung der Laserstrahlung wird eine thermische Ausdehnung an der Werkstückoberfläche induziert. Es wird gezielt ein lokaler Temperaturgradient über die Werkstückdicke erzeugt. Durch die umliegenden kalten Bereiche des Werkstücks wird die Ausdehnung der Oberfläche behindert und es kommt zu einer Verformung, insbesondere zu einer Stauchung des Bereichs. In der Abkühlphase werden durch den Rückgang der thermischen Dehnung Zugspannungen induziert, die zu einer Schrumpfung entsprechend dem Wirkbereich des Temperaturgradienten führen, so dass eine Biegung eines freien Randes des flächigen Werkstücks in eine zur Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls entgegengesetzte Richtung erfolgt. Das Werkstück wird dabei plastisch verformt. (Hornfeck, Tobias (2008) Laserstrahlbiegen komplexer Aluminiumstrukturen für Anwendungen in der Luftfahrtindustrie. Vol. 221. Herbert Utz Verlag)
In dem Artikel „Laser peen forming induced two way bending of thin sheet metals and its mechanism“ (Hu et al. 2010, Journal of Applied Physics, 108(7), 073117) wird ein Laserbearbeitungsverfahren beschrieben, bei dem eine Materialverformung in und entgegen der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls erfolgt. Bei dem auf einem „Laser Shock Peening“ aufbauenden Verfahren werden durch kurze Laserpulse Schockwellen erzeugt, die zu einem Umformen des Werkstücks führen. Das Werkstück wird bei diesem Verfahren vor der Laserbearbeitung zum Schutz vor thermischen Effekten durch den Laser beschichtet. Die mit dem Verfahren erreichbaren Biegewinkel betragen wenige Grad.
Von Nachteil bei den bisher bekannten Verfahren des Laserstrahlbiegens auf Basis des Temperaturgradienten-Mechanismus ist, dass eine gezielte Biegung eines flächigen Werkstücks ausschließlich in eine zur Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls entgegengesetzte Richtung möglich ist. Ebenfalls ist kein Verfahren des Laserstrahlbiegens zur Verformung von Material in eine der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls entsprechende Richtung auf Basis anderer Mechanismen bekannt, bei dem ein Werkstück um einen größeren Winkel gebogen werden kann.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art derart weiter zu bilden, dass mittels des Temperaturgradienten-Mechanismus beim Laserstrahlbiegen ein flächiges Werkstück in eine der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls entsprechende Richtung gebogen werden kann.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Laserpulse zum Biegen des Werkstücks in eine der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls entsprechende Richtung auf den Boden mindestens einer Vertiefung in dem Werkstück gerichtet werden.
Auf diese Weise findet der Wärmeeintrag bezogen auf die Werkstückdicke in einem tiefer gelegenen Bereich des Werkstücks statt und bewirkt so eine Biegung des Werkstücks in eine der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls entsprechende Richtung.
Das Verfahren kann vom Makro- bis in den Mikrobereich eingesetzt werden. Insbesondere in Richtung geringer Werkstück- oder Foliendicken ermöglichen erst heutige Ultrakurzpulslaser das berührungslose Einbringen geeigneter Vertiefungen in das Material beziehungsweise in das Werkstück.
Die Erfindung nutzt dabei die Vorteile der Lasermaterialbearbeitung: das Verfahren ist präzise, reproduzierbar, schnell, berührungslos und automatisierbar. Da das Verfahren reversibel eingesetzt werden kann, erweitert es die Möglichkeiten/Freiheitsgrade beim Laserstrahlbiegen und beim Laserstrahlformen. Dadurch kann die Erfindung zu mehreren technischen Zwecken angewendet werden:

1) Fügen lösbarer kraft- und/oder formschlüssiger Verbindungen
2) (Fein-)Justieren mittels Stellelementen, deren Stellweg verkürzt (klassischer Fall) oder vergrößert (neue Möglichkeit) wird
3) Laserrichten von fertigungsbedingten Verzügen mit einem neuen Freiheitsgrad
4) Freiformen gewünschter Blechkonturen von der Rückseite aus mit einer unbeschädigten (Sicht-)Oberfläche an der Vorderseite
5) Handhaben von Mikrobauteilen

Bei einer Weiterbildung werden Vertiefungen in das Werkstück eingebracht. Vorzugsweise werden mehrere Vertiefungen in das Werkstück eingebracht. Die Vertiefungen können auf der Oberfläche des Werkstücks verteilt angeordnet sein. Auf diese Weise kann das Werkstück dreidimensional frei geformt werden.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung werden die Vertiefungen nebeneinander in einer Reihe in das Werkstück eingebracht, um auf diese Weise eine Biegekante zu bilden um die das Werkstück geknickt wird. Je nach Biegeanwendung kann der Abstand zwischen den Vertiefungen variieren.
Bei einer Weiterbildung des Verfahrens werden die Laserpulse neben der Vertiefung angeordnet. Insbesondere werden die Laserpulse entlang der Biegekante zwischen den in einer Reihe angeordneten Vertiefungen positioniert. Dadurch kann das Werkstück entlang der Biegekante in die dem Laserstrahl zugewandte Richtung zurück gebogen werden. Auf diese Weise wird ein mehrfaches, reversibles Biegen in die dem Laserstrahl zugewandte Richtung und in die von dem Laserstrahl abgewandte Richtung ermöglicht. Ein rechtwinkliges Biegen um eine Biegekante kann vorgesehen sein. Das rechtwinklige Biegen kann in mehreren Schritten erfolgen.
Die nebeneinander in einer Reihe angeordneten Vertiefungen haben einen Abstand zueinander, welcher mindestens dem Durchmesser eines auf die Oberfläche des Werkstücks gerichteten Laserstrahls und/oder höchstens der dreifachen Dicke des Werkstücks entspricht. Ein größerer Abstand führt dabei zu einer reduzierten Auswirkung des Temperaturgradienten-Mechanismus auf den resultierenden Biegewinkel. Die durch einen größeren Abstand reduzierte Auswirkung des Temperaturgradienten-Mechanismus kann durch die Anzahl der Pulse kompensiert werden. Je nach Biegeanwendung kann dieser Abstand variieren.
Bei einer Weiterbildung beträgt die Tiefe der Vertiefung dreißig bis neunzig Prozent, vorzugsweise vierzig bis achtzig Prozent der Dicke des Werkstücks. Besonders bevorzugt beträgt die Tiefe der Vertiefung fünfzig bis siebzig Prozent der Dicke des Werkstücks. Die Tiefe der Vertiefung ist davon abhängig aus welchem Werkstoff das Werkstück besteht. Ebenfalls hängt die Tiefe der Vertiefung davon ab wie stark die Biegung sein soll. Bis zu einem gewissen Grad kann, je mehr Material abgetragen ist, der Wärmeeintrag in desto tiefer gelegenen Bereichen des Werkstücks stattfinden, bezogen auf die Werkstückdicke, und desto stärker kann das Werkstück gebogen werden. Der Temperaturgradient zwischen den Vertiefungen kann mit zunehmender Tiefe der Vertiefungen erhöht werden. Auf diese Weise kann die Biegung verstärkt werden. Der Materialabtrag zur Ausbildung der Vertiefung kann mittels eines Kurzpulslasers erfolgen. Alternativ kann der Materialabtrag zur Ausbildung der Vertiefung konventionell mittels Spanen erfolgen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung können die Vertiefungen als Nut und/oder als Sackloch ausgebildet werden. Das Sackloch hat einen runden oder einen polygonalen Querschnitt. Die Sacklochgeometrie und der Durchmesser bzw. die Länge der Diagonalen des Sacklochs kann je nach Biegeanwendung variieren.
Bei einer Weiterbildung werden die eingebrachten Vertiefungen auf einer Seite des Werkstücks angeordnet. Auf diese Weise erfolgt das Formen gewünschter Konturen von einer Seite und die andere Seite, beispielsweise eine Außenfläche, bleibt unbeschädigt. Bei einer anderen Ausgestaltung werden die eingebrachten Vertiefungen auf mehreren oder auf allen Seiten des Werkstücks angeordnet. Auf diese Weise kann das Werkstück dreidimensional frei geformt werden.
Bei einer Weiterbildung des Verfahrens wird das Werkstück punktförmig, linienförmig oder flächig mit Laserpulsen bestrahlt. Auf diese Weise können die gewünschten Verformungen erzielt werden. Vorzugsweise kann für die Bestrahlung des Werkstücks ein Kurzpulslaser verwendet werden. Gemäß einer Weiterbildung hat der Kurzpulslaser zur Bestrahlung des Werkstücks eine Leistung von fünf Watt bis fünftausend Watt. Vorzugsweise hat der Kurzpulslaser eine Leistung von fünfzig Watt bis fünfhundert Watt. Besonders bevorzugt hat der Kurzpulslaser eine Leistung von einhundert Watt bis dreihundert Watt. Die Leistung und die Dauer des Laserpulses richten sich insbesondere nach dem Werkstoff und der Werkstückdicke.
Eine Laserpulsposition kann zum Biegen des Werkstücks mit einer Anzahl an Laserpulsen bestrahlt werden. Die Anzahl an Laserpulsen kann sich insbesondere nach der gewünschten Verformung richten. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird eine Laserpulsposition zum Biegen des Werkstücks mit einer Anzahl von zehn Laserpulsen bis eintausend Laserpulsen bestrahlt. Vorzugsweise wird eine Laserpulsposition mit einer Anzahl von zehn Laserpulsen bis einhundert Laserpulsen bestrahlt. Besonders bevorzugt wird eine Laserpulsposition mit einer Anzahl von vierzig Laserpulsen bis neunzig Laserpulsen bestrahlt. Die Laserpulse haben eine Pulslänge von einer Millisekunde bis eintausend Millisekunden. Vorzugsweise haben die Laserpulse eine Pulslänge von einer Millisekunde bis fünfhundert Millisekunden. Besonders bevorzugt haben die Laserpulse eine Pulslänge von einer Millisekunde bis einhundert Millisekunden. Auf diese Weise kann die gewünschte Verformung erzielt werden.
Bei einer Weiterbildung werden die Vertiefungen durch Abtragung von Material spanend oder mittels Kurzpulslaser in das Werkstück eingebracht. Ein Kurzpulslaser erzeugt eine geringe Erwärmung des Werkstücks und ist daher geeignet, um Vertiefungen in flächige Materialien mit geringer Werkstück- oder Foliendicken einzubringen, ohne bereits starke Verformungen hervorzurufen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung besteht das Werkstück aus einem Werkstoff, der elastisch und/oder plastisch verformbar ist. Grundsätzlich kann das Verfahren basierend auf dem Temperaturgradienten-Mechanismus für jeden Werkstoff angewendet werden, der einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten beziehungsweise eine Fließgrenze hat.
Das Verfahren kann zum Fügen und/oder Lösen, (Fein-)Justieren, Laserrichten, Freiformen oder Handhaben von Bauteilen genutzt werden.
Im Bereich des Fügens ermöglicht die Erfindung das Erzeugen kraft- und/oder formschlüssiger Verbindungen, die berührungslos und gegebenenfalls automatisiert erzeugt und sogar mehrfach geschlossen und geöffnet werden können. Die Nutzung des Laserstrahls ermöglicht eine hohe Reproduzierbarkeit des Verfahrens. Denkbar sind beispielsweise folgende Anwendungsmöglichkeiten:

a. vergleichsweise lange Fügeverbindungen mit hoher Kraftübertragung
b. komplexe Fügeverbindungen mit einer Eigenpositionierungswirkung des Bauteils, um beispielsweise Spaltmaße einzustellen
c. Sicherheitsfügeverbindungen, die nur vom Hersteller mit der entsprechenden Laserstation zerstörungs- bzw. beschädigungsfrei geöffnet werden können
d. Multi-Material-Verbindungen beispielsweise zwischen Metall und Keramik oder Metall und CFK
e. Fügen empfindlicher Bauteile

Im Bereich des Laser-Feinjustierens wird das Laserstrahlbiegen genutzt, um eine gewünschte Ausrichtung beispielsweise in der Montage von Optikkomponenten zu erreichen, indem Stellelemente eingesetzt werden, welche durch eine lokale Beaufschlagung von Laserstrahlung in ihrer Form oder Länge veränderbar sind. Die Erfindung ermöglicht das Auslegen eines Stellelements, das seine Länge nicht nur verkürzen sondern auch vergrößern kann, indem der Biegewinkel eines oder mehrerer Stellelemente entweder vergrößert oder verkleinert wird. Dabei ist aus nur einer Richtung eine Bestrahlung erforderlich.
Im Bereich des Richtens liegt der Vorteil der Erfindung ebenfalls in der Möglichkeit wechselseitige Biegungen hervorzurufen. Auf diese Weise können komplexe Verzugsformen durch die Bestrahlung nur einer Seite des Werkstücks mit Laserstrahlung ausgeglichen werden. Die eingebrachten Vertiefungen können sich dabei einzig auf einer Fläche des Werkstücks befinden, so dass eine andere Seite unbeschädigt vorliegt.
Das Freiformen beschreibt die gezielte Erstellung einer gewünschten Form. Der Mechanismus gleicht dem Richten. Die eingebrachten Vertiefungen können sich dabei ebenfalls einzig auf einer Seite des Werkstücks befinden. Auf diese Weise können beispielsweise hochpräzise Strömungsprofile, Sichtflächen oder Spiegel mit gezielter Freiformoberfläche erzeugt werden.
Beim Handhaben (z.B. Greifen, Fixieren oder Spannen) von Bauteilen kann das Verfahren beispielsweise das präzise und berührungslose Einstellen von Fixierhebeln zum Handhaben von Mikrobauteilen ermöglichen.
Bei einer vorteilhaften Verwendung wird das Verfahren zum Fügen zweier Werkstücke genutzt. Dabei wird ein flächiges Werkstück in eine Aufnahme eingebracht und das flächige Werkstück durch die Einwirkung von Laserpulsen verformt, um das Werkstück in der Aufnahme zu verklemmen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Verwendung des Verfahrens zum Fügen zweier Werkstücke wird ein flächiges Werkstück in eine Aufnahme eingebracht und die Aufnahme durch die Einwirkung von Laserpulsen verformt, um das Werkstück in der Aufnahme zu verklemmen. Eine solche Verbindung ist beispielsweise für Materialkombinationen interessant, bei denen eine stoffschlüssige Verbindung nicht hergestellt werden kann oder ein Lösen möglich sein soll, wie beispielsweise die Verbindung von Kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) und Metall.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

1A eine schematische Darstellung eines flächigen Werkstücks zur Veranschaulichung des Grundprinzips des Laserstrahlbiegens auf Basis des Temperaturgradienten-Mechanismus,
1B den Schnitt A-A' durch das Werkstück gemäß 1A,
2A eine schematische Darstellung des flächigen Werkstücks aus 1 zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Prinzips des Laserstrahlbiegens,
2B die Schnitte B-B' und C-C' durch das Werkstück gemäß 2A,
3 eine schematische Darstellung einer Anwendung der Erfindung zum Fügen (3A) und Lösen (3B) zweier Bauteile einer Fügeverbindung,
4 eine schematische Darstellung einer weiteren Anwendung der Erfindung zum Verbinden (4A - 4C) zweier Bauteile einer Fügeverbindung, und
5 eine schematische Darstellung einer Anwendung der Erfindung für die Feinjustage (5A - 5C) von Optikkomponenten.

1A zeigt eine schematische Darstellung eines flächigen Werkstücks 10 zur Veranschaulichung des Grundprinzips des Laserstrahlbiegens auf Basis des Temperaturgradienten-Mechanismus. Das Werkstück 10 besteht aus einem Werkstoff der sowohl elastisch als auch plastisch verformbar ist. Bei dem Ausführungsbeispiel ist das Werkstück 10 als Blech ausgebildet.
Das Werkstück 10 hat eine Anzahl an Vertiefungen 11 auf einer Oberfläche 15. Bei dem Ausführungsbeispiel hat das Werkstück 10 vier Vertiefungen 11, von denen zur besseren Übersicht in der Abbildung nur eine mit einem Bezugszeichen versehen ist. Die Vertiefungen 11 sind als Sacklöcher 11 ausgebildet. Die Sacklöcher 11 haben einen runden Querschnitt von zwei Millimetern und sind in gleichmäßigen Abständen entlang einer gedachten Linie in einer Reihe zur Erzeugung einer Biegekante 12 angeordnet, die in der Figur durch eine unterbrochene Linie dargestellt ist. Bei dem Ausführungsbeispiel hat das Werkstück 10 eine Dicke von einem halben Millimeter. Bezogen auf die Dicke des Werkstücks 10 haben die Sacklöcher 11 eine Tiefe von fünfzig Prozent.
Bei dem in 1A gezeigten klassischen Verfahren des Laserstrahlbiegens wird ein Werkstück 10 gezielt mit Laserpulsen 13 bestrahlt. Zur besseren Veranschaulichung ist einer der Laserpulse 13 in der Figur als Kegel dargestellt und dieser Kegel mit einem Bezugszeichen versehen. Die Laserpulse 13 werden auf Pulspositionen 14 auf der Oberfläche 15 des Werkstücks 10 positioniert. Bei dem Ausführungsbeispiel befinden sich die Pulspositionen 14 in den Bereichen zwischen den Sacklöchern 11 und entlang der Biegekante 12. Durch die Einwirkung der Laserpulse 13 wird das Werkstück 10 in dem bestrahlten Bereich oberflächennah erwärmt, sodass über die Dicke des Werkstücks 10 ein Temperaturgradient aufgebaut wird. Die lokale Erwärmung des Werkstücks 10 bewirkt in dessen oberen Bereich eine thermische Ausdehnung. Durch die umliegenden kalten Bereiche des Werkstücks 10 wird eine Ausdehnung behindert und es kommt zu einer Verformung, insbesondere zu einer Stauchung. Beim Abkühlen kommt es zu einem Rückgang der thermischen Dehnung. Dadurch bedingt werden Zugspannungen induziert. Die Zugspannungen führen zu einer Schrumpfung 16 (dargestellt in 1B) in einem oberen Bereich 37 des Werkstücks 10. Die aus der Laserstrahlung resultierende Schrumpfung 16 nimmt aufgrund des Temperaturgeradienten des durch den Wärmeintrag entstandenen Temperaturfeldes von der Oberfläche 15 in Dickenrichtung des Werkstücks 10 ab. Auf diese Weise erfolgt eine Biegung 17 der freien Ränder des Werkstücks 10 in eine der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls entgegengesetzte Richtung.
Bei dem Ausführungsbeispiel wird ein Laser vom Typ TruDisk12002 mit einer Laserleistung von sechshundert Watt und einer Pulslänge von fünfzehn Millisekunden verwendet. Jede Pulsposition 14 wird mit einer Anzahl von dreißig Laserpulsen 13 bestrahlt.
1B zeigt den Schnitt A-A durch das Werkstück 10 gemäß 1A. Der Schnitt A-A' zeigt die Ausprägung des lokalen Temperaturgradienten an einer Pulsposition 14 in einem Bereich zwischen den Sacklöchern 11. Wie in der Figur zu sehen ist, kommt es oberflächennah in einem Bereich 37 zu einer Erwärmung. In der Abkühlphase führen die durch den Rückgang der thermischen Dehnung induzierten Zugspannungen zu einer Schrumpfung 16 (Pfeile). Es kommt zu einer Biegung 17 des flächigen Werkstücks 10 in eine der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls entgegengesetzte Richtung, wie durch die unterbrochene Linie angedeutet.
2 A zeigt eine schematische Darstellung des flächigen Werkstücks 10 aus 1 zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Prinzips des Laserstrahlbiegens. Das Biegen des Werkstücks 10 erfolgt in die von dem Laserstrahl abgewandte Richtung. Die Laserpulse 13 werden auf Pulspositionen 14 auf der Oberfläche 15 des Werkstücks 10 positioniert, die in diesem Fall jeweils auf den Grund jeweils eines Sacklochs 11 gerichtet werden. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Laserpulse 13 jeweils auf dem Grund des Sacklochs 11 positioniert und können zu diesem Zweck auch auf den Grund des Sacklochs 11 fokussiert sein. Zur besseren Veranschaulichung ist nur einer der Laserpulse 13 in der Figur als Kegel dargestellt und mit einem Bezugszeichen versehen. Durch die Positionierung der Laserpulse 13 auf den Boden der Sacklöcher 11 findet der Wärmeeintrag bezogen auf die Werkstückdicke in einem tiefer gelegenen Bereich des Werkstücks 10 statt. Dies führt insbesondere in den Bereichen zwischen den Sacklöchern 11 (Schnitt C-C', 2B) zu einer gegensätzlichen Ausprägung des Temperaturgradienten. Dadurch resultiert eine Biegung 17 der freien Ränder des flächigen Werkstücks 10 in eine der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls entsprechende Richtung.
Bei dem Ausführungsbeispiel wird ein Laser vom Typ TruDisk12002 mit einer Laserleistung von achthundert Watt und einer Pulslänge von fünfzehn Millisekunden verwendet. Jede Pulsposition 14 wird mit einer Anzahl von vierzig Laserpulsen 13 bestrahlt.
Die 2B zeigt die Schnitte B-B' und C-C' durch das Werkstück 10 gemäß 2A. Der Schnitt B-B' zeigt die Ausprägung des lokalen Temperaturgradienten an einer Pulsposition 14, die auf den Boden eines Sacklochs 11 positioniert ist. Der Schnitt C-C' zeigt die Ausprägung des lokalen Temperaturgradienten in einen Bereich zwischen den Sacklöchern 11, während die Pulsposition 14 auf den Boden eines Sacklochs 11 positioniert ist. Wie sowohl in dem Schnitt B-B' als auch in dem Schnitt C-C' zu erkennen ist, findet der der Wärmeeintrag somit bezogen auf die Werkstückdicke in einem tiefer gelegenen Bereich des Werkstücks 10 statt. Es kommt zu einer Schrumpfung 16 (Pfeile) auf der Unterseite des Werkstücks 10. Es kommt zu einer Biegung 17 des flächigen Werkstücks 10 in eine der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls entsprechende Richtung, wie durch die unterbrochene Linie angedeutet.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer Anwendung der Erfindung zum Fügen und Lösen zweier Bauteile 18, 19 einer Fügeverbindung. Der Vorgang des Fügens ist in 3A in drei Verfahrens-Schritten dargestellt, der Vorgang des Lösens ist in 3B in drei Verfahrens-Schritten dargestellt. Bei dem Anwendungsbeispiel sind die Bauteile 18, 19 als Stecker 18 und als Buchse 19 ausgebildet.
Der Stecker 18 ist flächig ausgebildet. An einem der Buchse 19 zugewandten Ende weist der Stecker 18 eine verdickte Kante 20 auf. Mit einer Unterseite 21 liegt der Stecke 18 an der Buchse 19 an. Auf einer von der Unterseite 21 abgewandten freiliegenden Oberfläche 15 hat der Stecker 18 mehrere Vertiefungen 11, die in der Seitenansicht der Abbildungen nicht zu sehen sind. Die Vertiefungen 11 sind als Sacklöcher 11 ausgebildet. Bei dem Ausführungsbeispiel sind die Sacklöcher 11 entlang einer gedachten Linie in einer Reihe angeordnet. Die so gebildete Reihe von Sacklöchern 11 verläuft parallel zu der verdickten Kante 20 des Steckers 18.
Die Buchse 19 ist als Nut 22 ausgebildet. An einem von dem Stecker 18 abgewandten Ende weist die Buchse 19 einen vergrößerten Querschnitt auf. Die der Oberfläche 15 des Steckers 18 zugewandte Innenfläche 23 der Buchse 19 ist formschlüssig an die verdickte Kante 20 des Steckers 18 angepasst.
Zum Fügen (3A) der Verbindung wird der Stecker 18 zunächst mit der verdickten Kante 20 in die Nut 22 eingesetzt (3A, oben). Die Oberfläche 15 des Steckers 18 wird gezielt mit Laserpulsen 13 bestrahlt. Die Laserpulse 13 werden auf Pulspositionen 14 positioniert, die auf der gedachten Linie zwischen den Sacklöchern 11 liegen ( 3A, mittig). Oberflächennah kommt es zu einer lokalen Erwärmung des Steckers 18, die in der Abbildung durch einen Bereich 24 gekennzeichnet ist (3A, mittig). Durch den Effekt des Temperaturgradienten-Mechanismus kommt es bei der Abkühlung zu einer Schrumpfung 16 (dunkle Pfeile) des zuvor erwärmten Bereichs 24 (3A, unten). Der Stecker 18 biegt sich nach oben. Die verdickte Kante 20 des Steckers 18 hakt dabei formschlüssig an die Innenfläche 23 der Buchse 19 und die Verbindung ist geschlossen (3A, unten).
Zum Lösen (3B) der Verbindung werden die Laserpulse 13 jeweils auf Pulspositionen 14 auf den Boden der jeweiligen Sacklöcher 11 positioniert (3B, oben). Der Wärmeeintrag, der in der Abbildung durch einen Bereich 25 gekennzeichnet ist, findet in einem tiefer gelegenen Bereich des Werkstücks 10, auf der Unterseite 21 des Steckers 18 statt. Bei der Abkühlung kommt es in dem zuvor erwärmten Bereich auf der Unterseite 21 des Steckers 18 zu einer Schrumpfung 16 (dunkle Pfeile) des zuvor erwärmten Bereichs 25 (3B, mittig). Der Stecker 18 biegt sich in seine ursprüngliche Form zurück (3B, mittig). Der Stecker 18 kann aus der Buchse 19 entnommen werden (3B, unten).
4 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Anwendung der Erfindung zum Verbinden zweier Bauteile 26, 27 einer Fügeverbindung. Der Vorgang des Fügens ist in der Figur in drei Verfahrens-Schritten dargestellt. Bei dem Anwendungsbeispiel sind die Bauteile 26, 27 als CFK-Schiene 26 (Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff) und als Einlegeschiene 27 ausgebildet. Die Einlegeschiene 27 besteht bei dem Ausführungsbeispiel aus Metall.
Die Einlegeschiene 27 ist U-förmig als Nut ausgebildet und dient zur Aufnahme der CFK-Schiene 26. Die Einlegeschiene 27 hat eine rechte und eine linke Klemmlasche 28, 29. Die rechte und die linke Klemmlasche 28, 29 der Einlegeschiene 27 haben jeweils Vertiefungen 11, die in der Figur aufgrund der perspektivischen Ansicht nur in der rechten Klemmlasche 28 zu sehen sind. Bei dem Ausführungsbeispiel hat die Einlegeschiene 27 in jeder Klemmlasche 28, 29 sechs Vertiefungen 11, von denen zur besseren Übersicht in den Abbildungen a - c jeweils nur eins mit einem Bezugszeichen versehen ist. Die Vertiefungen 11 sind jeweils als Sackloch 11 ausgebildet. Die CFK-Schiene 26 hat an einer der Einlegeschiene 27 zugewandten Seite eine verdickte Kante 30.
Die CFK-Schiene 26 wird von oben in die Nut der Einlegeschiene 27 eingesetzt (a). Die verdickte Kante 30 der CFK-Schiene 26 wird vollständig in der Einlegeschiene 27 aufgenommen. Um eine Verbindung zwischen der CFK-Schiene 26 und der Einlegeschiene 27 herzustellen, wird die Einlegeschiene 27 gezielt mit Laserpulsen 13 bestrahlt (b). Zur besseren Veranschaulichung sind die Laserpulse 13 in der Figur als Kegel dargestellt, von denen nur zwei mit einem Bezugszeichen versehen sind. Die Laserpulse 13 werden jeweils auf den Boden der jeweiligen Sacklöcher 11 positioniert (b). Basierend auf dem Effekt des erfindungsgemäßen Prinzips werden die Klemmlaschen 28, 29 auf diese Weise nach innen gebogen (Pfeile) und fixieren die CFK-Schiene 26 (c). Die Verbindung basiert auf einem Kraft- und Formschluss, wobei insbesondere die Steifigkeit der Klemmlaschen 28, 29 die Zugfestigkeit bestimmt. Häufig müssen solche Verbindungen insbesondere auch hohe Druckkräfte aufnehmen.
Zum Lösen der Verbindung (in der Abbildung nicht gezeigt) werden die Laserpulse 13 auf Pulspositionen 14 positioniert, die auf einer gedachten Linie zwischen den Sacklöchern 11 liegen. Die Klemmlaschen 28, 29 werden auf diese Weise wieder in ihre ursprüngliche Form zurück gebogen. Die CFK-Schiene 26 kann entnommen werden.
5 zeigt eine schematische Darstellung einer Anwendung der Erfindung für die Feinjustage von Optikkomponenten. Der Vorgang des Justierens ist in der Figur in drei Verfahrens-Schritten dargestellt. Das Ausführungsbeispiel zeigt einen Spiegel 31. Der Spiegel 31 hat drei Justierstege (Aktoren oder Stellelemente) 32, 33, 34.
Zur Justierung des Spiegels 31, beispielsweise aufgrund einer Fehlstellung nach einer Montage, der Fertigung oder im Betrieb, werden die Justierstege 32, 33, 34 an einer Biegekante 12 gezielt um einen Biegewinkel 35 gebogen. Die Biegewinkel 35 der Justierstege 32, 33, 34 können durch gezielte Bestrahlung der Justierstege 32, 33, 34 an der Biegekante 12 aus einer Richtung mit Laserstrahlung verkleinert oder vergrößert werden, sodass ein Justiersteg 32, 33, 34 entweder verlängert oder verkürzt wird. Die Justierstege 32, 33, 34 können mehrere Biegekanten 12 haben. Auf diese Weise können einerseits die Einstellwege vergrößert werden und andererseits Querkräfte vermieden werden. Bei dem Ausführungsbeispiel haben die Justierstege 32, 33, 34 jeweils eine Biegekante 12.
Entlang der Biegekante 12 haben die Justierstege 32, 33, 34 Vertiefungen 11. Bei dem Ausführungsbeispiel hat jeder Justiersteg 32, 33, 34 drei Vertiefungen, die in der Figur nur bei den Justierstegen 32, 33 zu sehen sind. Zur besseren Übersicht sind nur zwei der Vertiefungen 11 in der Abbildung (a) mit einem Bezugszeichen versehen. Die Vertiefungen 11 sind als Sacklöcher 11 ausgebildet.
Zur Justierung werden die Justierstege 32, 33, 34 gezielt mit Laserpulsen 13 bestrahlt. Zur besseren Veranschaulichung sind die Laserpulse 13 in der Figur (b) als Kegel dargestellt, von denen nur einer mit einem Bezugszeichen versehen ist. Die Laserpulse 13 werden an dem Justiersteg 32 entlang einer gedachten Linie zwischen die Sacklöcher 11 und an dem Justiersteg 33 jeweils auf den Boden der jeweiligen Sacklöcher 11 positioniert (b). Basierend auf dem Effekt des Temperaturgradienten-Mechanismus wird der Biegewinkel 35 des Justierstegs 32, bei dem die Laserpulse 13 zwischen die Sacklöcher 11 positioniert werden, verkleinert und der Justiersteg 32 somit verkürzt (c). Entsprechend wird der Biegewinkel 35 des Justierstegs 33, bei dem die Laserpulse 13 auf den Boden der Sacklöcher 11 positioniert werden, vergrößert und der Justiersteg 33 somit verlängert (c). Auf diese Weise erfolgt eine Ausrichtung 36 des Spiegels 31, wie in der Figur durch Pfeile dargestellt.
Die hier gezeigten Anwendungsbeispiele dienen zur Veranschaulichung des Prinzips der Erfindung. Die Geometrie, Größe und Anordnung der Vertiefungen, sowie die Laserpulsparameter können je nach Biegeanwendung und/oder verwendetem Material variieren und konstruktiv auf unterschiedliche Weise umgesetzt werden.
Bezugszeichenliste

10: Werkstück
11: Vertiefung / Sackloch
12: Biegekante
13: Laserpuls
14: Laserpulsposition
15: Oberfläche
16: Schrumpfung
17: Biegung
18: Stecker
19: Buchse
20: verdickte Kante des Steckers
21: Unterseite des Steckers
22: Nut
23: Innenfläche der Buchse
24: erwärmter Bereich
25: erwärmter Bereich
26: CFK-Schiene
27: Einlegeschiene
28: rechte Klemmlasche der Einlegeschiene
29: linke Klemmlasche der Einlegeschiene
30: verdickte Kante der CFK-Schiene
31: Spiegel
32: Justiersteg
33: Justiersteg
34: Justiersteg
35: Biegewinkel
36: Ausrichtung
37: erwärmter Bereich

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1186927 A2 [0002]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Hu et al. 2010, Journal of Applied Physics, 108(7), 073117 [0005]

Claims

Verfahren zum Verformen eines flächigen Werkstücks (10) mittels Pulslaser, bei dem zum Biegen des Werkstücks (10) mindestens ein Bereich auf einer Oberfläche (15) des Werkstücks (10) mit einer Anzahl Laserpulse (13) bestrahlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserpulse (13) zum Biegen des Werkstücks (10) in eine der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls entsprechende Richtung auf den Boden mindestens einer Vertiefung (11) in dem Werkstück (10) gerichtet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass, vorzugsweise mehrere, Vertiefungen (11) in das Werkstück (10) eingebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (11) zum Bilden einer Biegekante (12) nebeneinander in einer Reihe angeordnet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserpulse (13) zum Biegen des Werkstücks (10), vorzugsweise entlang der Biegekante (12) in eine zur Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls entgegengesetzte Richtung, neben der Vertiefung, insbesondere zwischen den in einer Reihe angeordneten Vertiefungen (11), positioniert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die nebeneinander in einer Reihe angeordneten Vertiefungen (11) einen Abstand zueinander haben, welcher mindestens dem Durchmesser eines auf die Oberfläche (15) des Werkstücks (10) gerichteten Laserstrahls und/oder höchstens der dreifachen Dicke des Werkstücks (10) entspricht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe der Vertiefung (11) dreißig bis neunzig Prozent, vorzugsweise vierzig bis achtzig Prozent, besonders bevorzugt fünfzig bis siebzig Prozent der Dicke des Werkstücks (10) beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (11) als Nut und/oder als Sackloch (11) ausgebildet werden, wobei das Sackloch (11) einen runden oder einen polygonalen Querschnitt hat.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (11) auf einer Seite, auf mehreren Seiten oder auf allen Seiten des Werkstücks (10) angeordnet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (10) punktförmig, linienförmig oder flächig mit Laserpulsen (13) bestrahlt wird, wobei für die Bestrahlung ein Kurzpulslaser verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kurzpulslaser eine Leistung von fünf Watt bis fünftausend Watt, vorzugsweise von fünfzig Watt bis fünfhundert Watt, besonders bevorzugt einhundert Watt bis dreihundert Watt hat
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Laserpulsposition (14) mit einer Anzahl von zehn Laserpulsen (13) bis eintausend Laserpulsen (13), vorzugsweise mit einer Anzahl von zehn Laserpulsen (13) bis einhundert Laserpulsen (13), besonders bevorzugt mit einer Anzahl vierzig Laserpulsen (13) bis neunzig Laserpulsen (13) bestrahlt wird und/oder dass die Laserpulse (13) eine Pulslänge von einer Millisekunde bis eintausend Millisekunden, vorzugsweise von einer Millisekunde bis fünfhundert Millisekunden, besonders bevorzugt von einer Millisekunde bis einhundert Millisekunden haben.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (11) durch Abtragung von Material spanend oder mittels Kurzpulslaser in das Werkstück (10) eingebracht werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (10) aus einem Werkstoff besteht, der elastisch und/oder plastisch verformbar ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, zum Fügen und/oder Lösen, (Fein-)Justieren, Laserrichten, Freiformen oder Handhaben von Bauteilen.
Verwendung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Fügen, wobei ein flächiges Werkstück (10) in eine Aufnahme eingebracht und das flächige Werkstück (10) durch die Einwirkung von Laserpulsen (13) verformt wird, um das Werkstück (10) in der Aufnahme zu verklemmen.
Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 14 zum Fügen, wobei ein flächiges Werkstück (10) in eine Aufnahme eingebracht und die Aufnahme durch die Einwirkung von Laserpulsen (13) verformt wird, um das Werkstück (10) in der Aufnahme zu verklemmen.