DE102018107662A1 - Workpiece processing by means of laser radiation - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bearbeiten von Werkstücken, insbesondere zum Strukturieren von Werkstückoberflächen, mittels Laserstrahlung, mit einer Laserstrahlquelle zur Erzeugung und/oder einer Einrichtung zur Einkoppelung eines Laserstrahls, einer Basis mit einem Ausbreitungsweg für den Laserstrahl, einer im Ausbreitungsweg angeordneten Fokussieroptik für den Laserstrahl, und einem der Fokussieroptik nachgelagerten und von der Basis getragenen Arbeitskopf, aus dem der Laserstrahl austritt, wobei der Arbeitskopf mit einer Schutzabdeckung versehen ist.The invention relates to a device for processing workpieces, in particular for structuring workpiece surfaces, by means of laser radiation, with a laser beam source for generating and / or a device for coupling a laser beam, a base with a propagation path for the laser beam, an arranged in the propagation path focusing optics for the Laser beam, and one of the focusing optics downstream and supported by the base working head from which the laser beam emerges, wherein the working head is provided with a protective cover.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bearbeiten von Werkstücken, insbesondere zum Strukturieren von Werkstückoberflächen, mittels Laserstrahlung, mit einer Laserstrahlquelle zur Erzeugung eines Laserstrahls und/oder einer Einrichtung zur Einkoppelung eines Laserstrahls, einer Basis mit einem Ausbreitungsweg für den Laserstrahl, einer im Ausbreitungsweg angeordneten Fokussieroptik für den Laserstrahl, und einem der Fokussieroptik nachgelagerten und von der Basis getragenen Arbeitskopf, aus dem der Laserstrahl austritt.The present invention relates to a device for processing workpieces, in particular for structuring workpiece surfaces, by means of laser radiation, comprising a laser beam source for generating a laser beam and / or a device for coupling a laser beam, a base with a propagation path for the laser beam, one arranged in the propagation path Focusing optics for the laser beam, and a working head downstream of the focusing optics and carried by the base, from which the laser beam emerges.
Derartige Vorrichtungen sind grundsätzlich bekannt, beispielsweise aus
Vorrichtungen der eingangs genannten Art werden aber auch ohne rotierenden Arbeitskopf eingesetzt. Unabhängig davon, ob der Arbeitskopf rotiert oder nicht, kann der Arbeitskopf bzw. die Basis samt Arbeitskopf beispielsweise parallel zu einer Werkstückoberfläche oder senkrecht zu einer Flächennormalen der Werkstückoberfläche verfahren werden. Die Werkstückoberfläche kann gekrümmt oder eben sein. Grundsätzlich ist es auch möglich, das Werkstück relativ zu dem stationären Arbeitskopf zu bewegen.Devices of the type mentioned but are also used without rotating working head. Regardless of whether the working head rotates or not, the working head or the base and working head can be moved, for example, parallel to a workpiece surface or perpendicular to a surface normal of the workpiece surface. The workpiece surface can be curved or flat. In principle, it is also possible to move the workpiece relative to the stationary working head.
Strukturen, die zum Aufrauen von Werkstückoberflächen mittels derartiger Vorrichtungen herstellbar sind, sind beispielsweise in
Insbesondere bei der Herstellung derartiger Strukturen in Zylinderbohrungen, aber auch an anders geformten Werkstücken, ist man generell bestrebt, die Bearbeitungszeit pro Zylinderbohrung bzw. Werkstück zu minimieren und gleichzeitig die Strukturen mit möglichst hoher Präzision herzustellen. Dies macht es erforderlich, die Laserleistung sowie die Geschwindigkeit, mit welcher der Laserstrahl die jeweilige Werkstückoberfläche überstreicht, zu erhöhen. Bei der Bearbeitung von Zylinderbohrungen beispielsweise muss folglich die Drehzahl des Arbeitskopfes erhöht werden. Dies führt zu einer stärkeren mechanischen und - aufgrund der höheren Laserleistung - auch thermischen Belastung der Bauteile der Bearbeitungsvorrichtung und erhöht zudem die Anforderungen an eine korrekte Ausrichtung der optischen Komponenten sowie an die Überwachung der Vorrichtung und des Bearbeitungsprozesses.In particular, in the production of such structures in cylinder bores, but also on differently shaped workpieces, one generally strives to minimize the processing time per cylinder bore or workpiece and at the same time produce the structures with the highest possible precision. This makes it necessary to increase the laser power as well as the speed with which the laser beam sweeps over the respective workpiece surface. When machining cylinder bores, for example, therefore, the speed of the working head must be increased. This leads to a stronger mechanical and - due to the higher laser power - and thermal stress on the components of the processing device and also increases the requirements for correct alignment of the optical components as well as the monitoring of the device and the machining process.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine diesen Anforderungen gerecht werdende Werkstückbearbeitung zu ermöglichen.The object of the invention is to enable such requirements expectant workpiece machining.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt jeweils durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche.The solution of this object is achieved in each case by the subject matters of the independent claims.
Gemäß einem unabhängigen Aspekt der Erfindung ist bei der Bearbeitungsvorrichtung der Arbeitskopf mit einer Schutzabdeckung versehen.According to an independent aspect of the invention, in the processing apparatus, the working head is provided with a protective cover.
Hierdurch kann der Arbeitskopf vor äußeren Einflüssen geschützt werden. Insbesondere können in einem Innenraum des Arbeitskopfes angeordnete Komponenten, vor allem optische Komponenten wie beispielsweise ein Umlenkspiegel für den Laserstrahl, geschützt werden.As a result, the working head can be protected from external influences. In particular, components arranged in an interior of the working head, in particular optical components such as, for example, a deflecting mirror for the laser beam, can be protected.
Im Arbeitsbereich kann es gerade bei vergleichsweise hohen Laserleistungen zu einer starken Wärmeentwicklung kommen. Des Weiteren kann von der jeweils bearbeiteten Oberfläche des Werkstücks Laserstrahlung zurück in Richtung des Arbeitskopfes reflektiert werden. Ferner kann bei der Laserbearbeitung freigesetztes Werkstückmaterial, insbesondere in Form heißer Metallspritzer, zum Arbeitskopf gelangen. Dies kann insbesondere dann problematisch werden, wenn gemäß einem an anderer Stelle näher beschriebenen Aspekt der Erfindung ein Prozessgas eingesetzt wird, um die jeweils bearbeitete Stelle auf dem Werkstück bzw. das dabei freigesetzte Werkstückmaterial zu beaufschlagen, wodurch energiereiche, durch den Arbeitsbereich fliegende Materialteilchen entstehen können. Insbesondere dann, wenn das Prozessgas über eine Düse ausgestoßen wird, wird das mittels des Laserstrahls geschmolzene Werkstückmaterial im Arbeitsbereich umhergespritzt.In the work area, especially at comparatively high laser powers, a strong development of heat can occur. Furthermore, laser radiation can be reflected back in the direction of the working head from the respectively processed surface of the workpiece. Furthermore, workpiece material released during laser processing, in particular in the form of hot metal splashes, can reach the working head. This can be problematical in particular if, according to an aspect of the invention described in detail elsewhere, a process gas is used to apply the respectively processed point on the workpiece or the workpiece material released in the process, as a result of which high-energy material particles flying through the working area can arise , In particular, when the process gas is ejected through a nozzle, the workpiece material melted by the laser beam is splashed around in the work area.
Vor derartigen widrigen Einflüssen kann in vorteilhafter Weise der Arbeitskopf durch die erfindungsgemäße Schutzabdeckung geschützt werden.Against such adverse effects, the working head can be protected by the protective cover according to the invention in an advantageous manner.
Vorteilhafte Weiterbildungen dieses Aspektes der Erfindung sind auch in den abhängigen Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie der Zeichnung angegeben.Advantageous developments of this aspect of the invention are also specified in the dependent claims, the following description and the drawings.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Schutzabdeckung den Arbeitskopf mit Ausnahme eines Austritts für den Laserstrahl vollständig abdeckt. Eine weitere Ausnahme kann ein Austritt für ein Prozessgas sein, wenn das Prozessgas nicht auch durch den Austritt für den Laserstrahl aus der Schutzabdeckung austritt. It is preferably provided that the protective cover completely covers the working head with the exception of an exit for the laser beam. Another exception may be an exit for a process gas, if the process gas does not escape from the protective cover also by the exit for the laser beam.
Die Schutzabdeckung für den Arbeitskopf kann insbesondere dann in einer vorteilhaften Weise zusätzlich genutzt werden, wenn während des Betriebs im Bereich des Arbeitskopfes eine Strömung herrscht. Eine solche Strömung kann von einer Absaugung erzeugt werden, die dazu dient, das bei der Laserbearbeitung freigesetzte Werkstückmaterial abzusaugen. Insbesondere im Hinblick auf eine solche Situation kann gemäß einer Weiterbildung vorgesehen sein, dass die Schutzabdeckung strömungsgünstig geformt oder stromlinienförmig ausgebildet ist. Hierdurch kann im Bereich der Schutzabdeckung eine insbesondere zumindest näherungsweise laminare Strömung erzeugt werden, die für einen besonders wirkungsvollen Abtransport von freigesetztem Werkstückmaterial sorgt, insbesondere von mittels eines Prozessgasstrahls ausgetriebenen Materialspritzern.The protective cover for the working head can in particular be used in an advantageous manner in addition, if there is a flow during operation in the region of the working head. Such a flow can be generated by a suction, which serves to suck the released during laser machining workpiece material. In particular, with regard to such a situation may be provided according to a development that the protective cover is formed streamlined or streamlined. In this way, in the region of the protective cover, a particularly at least approximately laminar flow can be generated which ensures a particularly effective removal of released workpiece material, in particular of material spatters expelled by means of a process gas jet.
Vorzugsweise ist die Schutzabdeckung rotationssymmetrisch, insbesondere bezüglich einer Drehachse des Arbeitskopfes.Preferably, the protective cover is rotationally symmetrical, in particular with respect to an axis of rotation of the working head.
Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass die Schutzabdeckung sich in Richtung einer Spitze verjüngt, insbesondere ohne Kanten oder Sprünge.Furthermore, it can be provided that the protective cover tapers in the direction of a tip, in particular without edges or cracks.
Die Schutzabdeckung kann eine glatte Außenseite aufweisen.The protective cover may have a smooth outer surface.
Die Schutzwirkung der Schutzabdeckung kann weiter verbessert werden, wenn die Schutzabdeckung oder eine auf die Außenseite der Schutzabdeckung aufgebrachte Beschichtung aus einem Material hergestellt ist, welches Wärmestrahlung und/oder die Laserstrahlung reflektiert. Hierdurch kommt der Schutzabdeckung eine weiter verbesserte Hitzeschildfunktion zu.The protective effect of the protective cover can be further improved if the protective cover or a coating applied to the outside of the protective cover is made of a material which reflects heat radiation and / or the laser radiation. This gives the protective cover a further improved heat shield function.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der Arbeitskopf von einem Rotor getragen, der an der Basis drehbar gelagert ist, wobei der Rotor über eine Außenseite der Basis hinaus vorsteht und den Arbeitskopf an seinem von der Außenseite beabstandeten freien Ende trägt, und wobei die Schutzabdeckung an ihrem der Basis zugewandten Ende zumindest näherungsweise die gleiche Querschnittsform und Querschnittsgröße und/oder den gleichen Durchmesser aufweist wie der Rotor oder wie eine den Rotor umgebende, nichtrotierend an der Basis angebrachte Ummantelung des Rotors.According to a further embodiment, the working head is carried by a rotor which is rotatably mounted on the base, wherein the rotor protrudes beyond an outside of the base and carries the working head at its free end spaced from the outside, and wherein the protective cover on its Base facing the end at least approximately the same cross-sectional shape and cross-sectional size and / or the same diameter as the rotor or as a rotor surrounding, non-rotatably mounted on the base shroud of the rotor.
Hierdurch lässt sich ein sowohl strömungstechnisch als auch optisch vorteilhafter Übergang zwischen dem Rotor bzw. einer Rotorummantelung und der Schutzabdeckung erzielen.This makes it possible to achieve both a fluidically and optically advantageous transition between the rotor or a rotor casing and the protective cover.
Es kann vorgesehen sein, dass die Schutzabdeckung bündig oder unter Ausbildung eines Spaltes oder einer Stufe in den Rotor oder in die Ummantelung des Rotors übergeht.It can be provided that the protective cover merges flush or with the formation of a gap or a step in the rotor or in the casing of the rotor.
Gemäß einem anderen unabhängigen Aspekt der Erfindung ist vorgesehen, dass bei der Bearbeitungsvorrichtung eine Gaszuführung vorgesehen ist, die dem Arbeitskopf ein Prozessgas zuführt.According to another independent aspect of the invention it is provided that in the processing device, a gas supply is provided, which supplies a process gas to the working head.
Ein dem Arbeitskopf zugeführtes Prozessgas kann in vorteilhafter Weise dazu verwendet werden, die mittels des Laserstrahls erfolgende Bearbeitung der Oberfläche des Werkstücks zu beeinflussen. Insbesondere kann durch Beaufschlagen der Werkstückoberfläche mit dem Prozessgas das bei der Laserbearbeitung freigesetzte Werkstückmaterial von der bearbeiteten Oberfläche weggetrieben, insbesondere aus der mittels des Laserstrahls erzeugten Oberflächenstruktur ausgetrieben, werden.A process gas fed to the working head can be advantageously used to influence the machining of the surface of the workpiece taking place by means of the laser beam. In particular, by exposing the workpiece surface to the process gas, the workpiece material released during laser processing can be expelled from the machined surface, in particular expelled from the surface structure generated by means of the laser beam.
Als Prozessgas kann ein Inertgas wie beispielsweise Stickstoff, Helium oder Argon verwendet werden. Es ist z.B. auch möglich, Druckluft oder Sauerstoff als Prozessgas zu verwenden.As the process gas, an inert gas such as nitrogen, helium or argon can be used. It is e.g. also possible to use compressed air or oxygen as process gas.
Das Prozessgas kann dem Arbeitskopf mit einem Druck zugeführt werden, der über üblichen Sperrluftdrücken von typischerweise etwa 0,5 bar liegt. Insbesondere kann das Prozessgas mit einem Druck im Bereich von 1 bis 15 bar zugeführt werden.The process gas can be supplied to the working head at a pressure which is above the usual barrier air pressures of typically about 0.5 bar. In particular, the process gas can be supplied at a pressure in the range of 1 to 15 bar.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen dieses Aspektes der Erfindung sind auch in den abhängigen Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie der Zeichnung angegeben.Further preferred embodiments of this aspect of the invention are also set forth in the dependent claims, the following description and the drawings.
Vorzugsweise trägt der Arbeitskopf zumindest einen Gasaustritt, über den das Prozessgas im Betrieb aus dem Arbeitskopf austritt.The working head preferably carries at least one gas outlet, via which the process gas exits the working head during operation.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Gasaustritt als Düse ausgebildet ist oder eine Düse umfasst. Die Düse ist insbesondere dazu ausgebildet, einen Prozessgasstrahl zu formen. Dabei kann die Düse ein langgestrecktes Düsenelement umfassen, das aus dem Arbeitskopf herausragt oder von dem Arbeitskopf absteht.It is preferably provided that the gas outlet is formed as a nozzle or comprises a nozzle. The nozzle is in particular designed to form a process gas jet. In this case, the nozzle may comprise an elongated nozzle element which protrudes from the working head or projects from the working head.
Die Düse oder das Düsenelement kann auswechselbar am Arbeitskopf angebracht sein.The nozzle or the nozzle element can be replaceably mounted on the working head.
Vorzugsweise weist der Gasaustritt eine Austrittsöffnung für das Prozessgas auf, deren Durchmesser oder maximaler Durchmesser im Bereich von 0,2 bis 5,0mm liegt, insbesondere im Bereich von 0,5 bis 2,0mm.Preferably, the gas outlet has an outlet opening for the process gas, whose diameter or maximum diameter in the range of 0.2 to 5.0 mm, in particular in the range of 0.5 to 2.0 mm.
Insbesondere in Verbindung mit den vorstehend genannten Druckbereichen kann dem hierbei entstehenden Prozessgasstrahl ausreichend Energie verliehen werden, um das bei der Laserbearbeitung entstehende Material, insbesondere eine durch Verdampfen des Materials entstehende Schmelze, aus der hergestellten Oberflächenstruktur auszutreiben.In particular, in conjunction with the above-mentioned pressure ranges, sufficient energy can be imparted to the process gas jet produced thereby to expel the material resulting from the laser processing, in particular a melt resulting from the evaporation of the material, from the surface structure produced.
Die Austrittsöffnung des Gasaustritts ist vorzugsweise kreisförmig.The outlet opening of the gas outlet is preferably circular.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass auch der Laserstrahl aus dem Gasaustritt austritt. Vorzugsweise fällt eine durch den Gasaustritt vorgegebene zentrale Gasaustrittsachse mit der optischen Achse des austretenden Laserstrahls zusammen. Auf diese Weise wird erreicht, dass der Laserstrahl einerseits und das austretende Gas, insbesondere ein Gasstrahl, auf die jeweilige selbe Stelle der Werkstückoberfläche zielen. Ein Zusammenfallen von optischer Achse und Gasaustrittsachse ist allerdings nicht zwingend. Ein Zusammentreffen des Laserstrahls und eines Gasstrahls kann auch erzielt werden, wenn der Laserstrahl und der Gasstrahl an unterschiedlichen Stellen aus dem Arbeitskopf austreten. Des Weiteren ist es nicht zwingend, dass sich der Laserstrahl und ein Gasstrahl an einer jeweiligen selben Stelle auf der Werkstückoberfläche treffen. Ein vorgegebener Versatz zwischen den Auftreffstellen kann bewusst vorgegeben sein.In a preferred embodiment, it is provided that the laser beam also emerges from the gas outlet. Preferably, a predetermined by the gas outlet central gas outlet axis coincides with the optical axis of the exiting laser beam. In this way it is achieved that the laser beam on the one hand and the escaping gas, in particular a gas jet, aim at the respective same location of the workpiece surface. A coincidence of optical axis and gas exit axis is not mandatory. A coincidence of the laser beam and a gas jet can also be achieved if the laser beam and the gas jet emerge from the working head at different locations. Furthermore, it is not mandatory that the laser beam and a gas jet meet at a respective same location on the workpiece surface. A predetermined offset between the impact points can be deliberately predetermined.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann vorgesehen sein, dass der Arbeitskopf mit einer Schutzabdeckung versehen ist, in der ein Gasaustritt für das Prozessgas oder eine Öffnung für einen Gasaustritt ausgebildet ist. Bevorzugt fällt der Gasaustritt mit einem Austritt für den Laserstrahl zusammen. Bei der Schutzabdeckung kann es sich um eine Abdeckung handeln, wie sie vorstehend in Verbindung mit einem anderen Aspekt der Erfindung beschrieben ist.According to a further embodiment it can be provided that the working head is provided with a protective cover, in which a gas outlet for the process gas or an opening for a gas outlet is formed. The gas outlet preferably coincides with an exit for the laser beam. The protective cover may be a cover as described above in connection with another aspect of the invention.
Die Schutzabdeckung kann einen Innenraum des Arbeitskopfes derart, insbesondere gasdicht, umschließen, dass das Prozessgas zumindest im Wesentlichen nur über den Gasaustritt aus dem Arbeitskopf austreten kann.The protective cover can enclose an interior of the working head in such a way, in particular gas-tight, that the process gas can escape from the working head at least substantially only via the gas outlet.
Der Arbeitskopf kann ein Austrittsfenster für den Laserstrahl aufweisen. Vorzugsweise dient das Austrittsfenster dazu, einen Innenraum des Arbeitskopfes und einen von der Gaszuführung zum Gasaustritt führenden Prozessgasausbreitungsweg voneinander zu trennen. Insbesondere kann durch das Austrittsfenster eine gasdichte Trennung erfolgen. Bevorzugt ist das Austrittsfenster auswechselbar.The working head may have an exit window for the laser beam. Preferably, the exit window serves to separate an inner space of the working head and a process gas propagation path leading from the gas supply to the gas outlet. In particular, a gas-tight separation can take place through the exit window. Preferably, the exit window is replaceable.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass der Arbeitskopf an der Basis drehbar angebracht ist und im Betrieb um eine Drehachse relativ zur Basis rotiert. Hierdurch kann erreicht werden, dass der Laserstrahl die zu bearbeitende Oberfläche des Werkstücks mit einer relativ hohen Geschwindigkeit überstreicht, die beispielsweise im Bereich von 1 bis 500 Meter pro Sekunde liegen kann.According to a further embodiment of the invention it is provided that the working head is rotatably mounted on the base and rotates in operation about an axis of rotation relative to the base. In this way it can be achieved that the laser beam sweeps over the surface of the workpiece to be machined at a relatively high speed, which may be, for example, in the range of 1 to 500 meters per second.
Das Prozessgas oder ein von einer Düse geformter Prozessgasstrahl kann unter einem Winkel von 30 bis 90 Grad zur Drehachse aus dem Arbeitskopf austreten. Insbesondere beträgt der Austrittswinkel 45 Grad bis 75 Grad.The process gas or a process gas jet formed by a nozzle may exit the working head at an angle of 30 to 90 degrees to the axis of rotation. In particular, the exit angle is 45 degrees to 75 degrees.
Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass die Gaszuführung einen in der Basis verlaufenden Gaszuführweg umfasst, wobei zwischen dem Gaszuführweg der Basis und dem Arbeitskopf oder zwischen dem Gaszuführweg der Basis und einem den Arbeitskopf tragenden, an der Basis drehbar gelagerten Rotor eine Drehdurchführung für das Prozess ausgebildet ist.Furthermore, it can be provided that the gas supply comprises a gas feed path extending in the base, wherein a rotary feedthrough for the process is formed between the gas supply path of the base and the working head or between the gas supply path of the base and a working head bearing, rotatably mounted on the base rotor is.
Die Drehdurchführung kann einen in der Basis ausgebildeten, zum Arbeitskopf oder zum Rotor hin offenen Ringkanal umfassen, der mit einem Einlass eines im Arbeitskopf oder im Rotor ausgebildeten Gaszuführwegs kommuniziert.The rotary union may comprise a base channel formed in the base and open toward the working head or rotor, which communicates with an inlet of a gas supply path formed in the working head or in the rotor.
Die Drehdurchführung kann eine Gasabdichtung umfassen, die entweder berührend oder berührungslos ausgebildet ist. Eine berührende Abdichtung kann beispielsweise als O-Ring-, Wellen-, Gleitring-, Kolben- oder Stangendichtung ausgeführt sein. Als berührungslose Abdichtung kann beispielsweise eine Spalt-, Sperrluft- oder Labyrinthdichtung vorgesehen sein.The rotary feedthrough may comprise a gas seal, which is formed either touching or non-contact. A contacting seal may for example be designed as O-ring, shaft, Gleitring-, piston or rod seal. As a non-contact seal, for example, a gap, sealing air or labyrinth seal can be provided.
Gemäß einem weiteren unabhängigen Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken, insbesondere zum Strukturieren von Werkstückoberflächen, mittels Laserstrahlung unter Verwendung einer Vorrichtung mit einer Laserstrahlquelle zur Erzeugung eines Laserstrahls und/oder einer Einrichtung zur Einkoppelung eines Laserstrahls, einer Basis mit einem Ausbreitungsweg für den Laserstrahl, einer im Ausbreitungsweg angeordneten Fokussieroptik für den Laserstrahl, und einem der Fokussieroptik nachgelagerten und von der Basis getragenen Arbeitskopf, aus dem der Laserstrahl austritt, wobei bei dem Verfahren im Betrieb der Vorrichtung die Oberfläche des Werkstücks mit einem Prozessgas beaufschlagt wird, um bei der Laserbearbeitung freigesetztes Werkstückmaterial von der bearbeiteten Oberfläche wegzutreiben, insbesondere aus einer mittels des Laserstrahls erzeugten Oberflächenstruktur auszutreiben.According to a further independent aspect, the invention relates to a method for processing workpieces, in particular for structuring workpiece surfaces, by means of laser radiation using a device with a laser beam source for generating a laser beam and / or a device for coupling a laser beam, a base with a propagation path for the laser beam, a focusing optics for the laser beam arranged in the propagation path, and a working head from which the laser beam emerges downstream of the focusing optics, wherein in the method of operation of the device, a process gas is applied to the surface of the workpiece to drive away the work piece material released from the machined surface of the laser processing, in particular to drive it out of a surface structure produced by means of the laser beam.
Hinsichtlich der Vorteile einer solchen Beaufschlagung der Werkstückoberfläche mit einem Prozessgas wird auch auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen. Insbesondere wird bei diesem Verfahren eine Bearbeitungsvorrichtung verwendet, wie sie hierin gemäß einem der unabhängigen Aspekte der Erfindung beschrieben ist. With regard to the advantages of such loading of the workpiece surface with a process gas, reference is also made to the above statements. In particular, this method uses a processing apparatus as described herein according to one of the independent aspects of the invention.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird die Oberfläche des Werkstücks mit einem Gasstrahl beaufschlagt. Vorzugsweise tritt der Gasstrahl über einen Gasaustritt des Arbeitskopfes aus. Des Weiteren ist es bevorzugt, wenn der Gasstrahl zumindest näherungsweise auf dieselbe Stelle zielt wie der aus dem Arbeitskopf austretende Laserstrahl.In a preferred embodiment of the method, the surface of the workpiece is subjected to a gas jet. Preferably, the gas jet exits via a gas outlet of the working head. Furthermore, it is preferred if the gas jet at least approximately aims at the same location as the laser beam emerging from the working head.
Eine Gasaustrittsöffnung des Gasaustritts wird vorzugsweise in einem Abstand zur Oberfläche des Werkstücks geführt, der im Bereich von 0,3 bis 10mm liegt, insbesondere im Bereich von 0,5 bis 5mm.A gas outlet opening of the gas outlet is preferably guided at a distance to the surface of the workpiece which is in the range of 0.3 to 10 mm, in particular in the range of 0.5 to 5 mm.
Das Beaufschlagen der Oberfläche des Werkstücks mit dem Prozessgas kann auch dann erfolgen, wenn während des Bearbeitungsbetriebs der Arbeitskopf oder die Basis zusammen mit dem Arbeitskopf einerseits und das jeweilige Werkstück andererseits sich relativ zueinander bewegen. Eine derartige Relativbewegung stellt eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Bearbeitungsverfahrens dar.The loading of the surface of the workpiece with the process gas can also take place if, during the machining operation, the working head or the base together with the working head on the one hand and the respective workpiece on the other hand move relative to one another. Such a relative movement constitutes a preferred embodiment of the machining method according to the invention.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Relativbewegung eine Drehbewegung ist. Dabei kann der Arbeitskopf an der Basis drehbar angebracht sein und im Betrieb um eine Drehachse relativ zur Basis und relativ zu dem feststehenden Werkstück rotieren. Alternativ oder zusätzlich kann das Werkstück in Rotation versetzt werden.It is preferably provided that the relative movement is a rotary movement. In this case, the working head may be rotatably mounted on the base and rotate in operation about an axis of rotation relative to the base and relative to the stationary workpiece. Alternatively or additionally, the workpiece can be set in rotation.
Gemäß einem weiteren unabhängigen Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken, insbesondere zum Strukturieren von Werkstückoberflächen, mittels Laserstrahlung unter Verwendung einer Vorrichtung der hierin beschriebenen Art, bei welcher der Arbeitskopf mit einer Schutzabdeckung versehen ist. Bei dem Verfahren wird im Betrieb eine Strömung erzeugt, um bei der Laserbearbeitung freigesetztes Werkstückmaterial abzusaugen.According to a further independent aspect, the invention relates to a method for machining workpieces, in particular for structuring workpiece surfaces, by means of laser radiation using a device of the type described herein, in which the working head is provided with a protective cover. In the method, a flow is generated in operation in order to suck off workpiece material released during the laser processing.
Wie an anderer Stelle bereits erläutert, kann durch diese Kombination einer Schutzabdeckung für den Arbeitskopf mit einer im Bereich des Arbeitskopfes wirksamen Strömung das bei der Laserbearbeitung freigesetzte Werkstückmaterial zuverlässig und wirkungsvoll aus dem Arbeitsbereich entfernt werden. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Schutzabdeckung strömungsgünstig geformt oder stromlinienförmig ausgebildet ist.As already explained elsewhere, this combination of a protective cover for the working head with an effective flow in the region of the working head, the workpiece material released during laser machining can be reliably and effectively removed from the work area. This is the case in particular when the protective cover is streamlined or streamlined.
Strukturen, die mit der Erfindung in Werkstückoberflächen herstellbar sind, können die folgenden Abmessungen aufweisen: Tiefe: 10µm - 5mm, insbesondere 30 - 300µm; Breite: 10µm - 1 mm, insbesondere 30 - 300µm; Länge: mindestens 10µm. Wenn der Laser im Dauerstrich-Modus („CW-Modus“) betrieben wird, ergibt sich zwangsläufig eine durchgehende Struktur von grundsätzlich beliebiger Länge.Structures which can be produced with the invention in workpiece surfaces can have the following dimensions: depth: 10 μm-5 mm, in particular 30-300 μm; Width: 10μm - 1mm, especially 30 - 300μm; Length: at least 10μm. If the laser is operated in continuous wave mode ("CW mode"), there will inevitably be a continuous structure of basically any length.
Mit der Erfindung können an Oberflächen von Werkstücken Flächenbelegungen (= jeweils Anteil der mit einer Struktur belegten Fläche an der gesamten vom Laserstrahl überstrichenen Fläche) erzeugt werden, die im Bereich von 5 bis 100% liegen, insbesondere im Bereich von 50 bis 80%. Ein Wert von 100% ist möglich, da auch überlappende Strukturen erzeugt werden können.With the invention surface areas of workpieces (= each proportion of the surface occupied by a structure on the entire surface swept by the laser beam) can be generated, which are in the range of 5 to 100%, in particular in the range of 50 to 80%. A value of 100% is possible since overlapping structures can also be generated.
Als Werkstückmaterialien kommen grundsätzlich alle Metalle in Frage. Insbesondere können Werkstücke aus Aluminium-, Eisen-, Nickel- und Nichteisenlegierungen bearbeitet werden.In principle, all metals are suitable as workpiece materials. In particular, workpieces made of aluminum, iron, nickel and non-ferrous alloys can be processed.
Als Laserquelle können z.B. Halbleiterdioden-Laser, Festkörper-Laser, Gas-Laser und Ultrakurzpuls-Laser eingesetzt werden. Insbesondere kommen Laser hoher Strahlgüte oder Single-Mode-Laser zum Einsatz. Ein möglicher Laser-Typ ist ein Single-Mode-Faserlaser. Die Wellenlänge der eingesetzten Laserstrahlung ergibt sich für jeden dieser Lasertypen aus dem jeweils konkret verwendeten Laser. So kann z.B. ein Festkörper-Laser ein Faser-Laser oder ein Scheiben-Laser sein. Ein Gaslaser kann z.B. ein CO2-Laser oder ein Excimer-Laser sein.As the laser source, e.g. Semiconductor diode laser, solid-state laser, gas laser and ultrashort pulse laser can be used. In particular, high-quality lasers or single-mode lasers are used. One possible type of laser is a single-mode fiber laser. The wavelength of the laser radiation used results for each of these laser types from the specific laser used. Thus, e.g. a solid-state laser can be a fiber laser or a disk laser. A gas laser may e.g. a CO2 laser or an excimer laser.
Wenn ein gepulster Laserstrahl eingesetzt wird, kann mit einer Pulsfrequenz bis in den MHz-Bereich gearbeitet werden. Insbesondere liegt die maximale Pulsfrequenz bei einigen 100kHz, bevorzugt unterhalb von 100kHz. Die Pulsdauer kannjeweils im Bereich von 1fs bis 10ms liegen, insbesondere im Bereich von 1µs bis 1ms. Der Laser kann aber auch im Dauerstrich-Modus („CW-Modus“) betrieben werden.If a pulsed laser beam is used, it is possible to work with a pulse frequency up to the MHz range. In particular, the maximum pulse frequency is at some 100 kHz, preferably below 100 kHz. The pulse duration can be in the range from 1 fs to 10 ms, in particular in the range from 1 μs to 1 ms. The laser can also be operated in continuous wave mode ("CW mode").
Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
-
1 schematisch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemä-ßen Bearbeitungsvorrichtung, -
2 einen vergrößerten Ausschnitt von1 , -
3 und4 Fotos von während des Betriebs einer erfindungsgemäßen Vorrichtung entstehenden Lichtmustern, und -
5 bis 8 Prinzipdarstellungen von Lichtmustern, die während des Betriebs einer erfindungsgemäßen Bearbeitungsvorrichtung entstehen können.
-
1 1 schematically an embodiment of an inventive Shen processing device, -
2 an enlarged section of1 . -
3 and4 Photos of resulting during operation of a device according to the invention light patterns, and -
5 to8th Schematic diagrams of light patterns that may arise during operation of a processing device according to the invention.
Gemäß
Der Rotor
Der Arbeitskopf
Die Schutzkappe
Der Laserstrahl
Eine Kollimationsoptik
Der hierdurch einen parallelen Strahlungsverlauf aufweisende Laserstrahl
Innerhalb der Basis
Die Fokusebene der Fokussieroptik
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch dazu verwendet werden, anders geformte und insbesondere auch ebene Werkstücke zu bearbeiten.The device according to the invention can also be used to machine differently shaped and in particular also flat workpieces.
Nicht dargestellt ist eine besondere Art der axialen Lagerung des Rotors
Das optische System der Bearbeitungsvorrichtung umfasst außerdem eine in der optischen Achse des Laserstrahls
Die einzelnen optischen Komponenten der Kollimationsoptik
Das letztlich wirksame Objektiv der Kamera
Die Basis
Die Befestigungsabschnitte
Das Innenteil
Ein Zweck dieses Funktionsbauteils
Die Arbeitsbeleuchtung
Des Weiteren dient das Funktionsbauteil als fluidgekühlte Abschirmung für den Rotor
Die Innenwand
Die Abdichtung erfolgt durch axial oberhalb und axial unterhalb des Kanalsystems
Als Kühlfluid dient vorzugsweise eine Flüssigkeit, insbesondere Wasser. Alternativ kann auch ein gasförmiges Kühlfluid verwendet werden. Vorzugsweise zirkuliert das Kühlfluid in einem Kreislauf. Mit dem Kanalsystem
Des Weiteren dient das den Rotor
Der Einsatz von Prozessgasen an Laserbearbeitungsvorrichtungen ist grundsätzlich bekannt. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung besteht eine Besonderheit darin, dass das Prozessgas unter vergleichsweise hohem Druck zugeführt wird, d.h. die Gasdüse
Die Zuführung des von einer Prozessgasquelle
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist im Befestigungsabschnitt
Für den Fall, dass die Gasabdichtungen
Im Rotor
Die Mittelachse der Düse
Der insbesondere den Drehspiegel
Bei dem in die Öffnung
Der Abstand der Austrittsöffnung
Mit einem hinsichtlich Stärke und Form geeignet ausgebildeten und ausreichend präzise platzierten Gasstrahl kann erreicht werden, dass die bei der Bearbeitung des Werkstücks mit dem Laserstrahl
Der Arbeitskopf ist durch die Schutzkappe
Diese relativ belastenden Arbeitsbedingungen im Bereich des Arbeitskopfes
Die Laserbearbeitung kann mit einem gepulsten oder einem kontinuierlich ausgesandten Laserstrahl
Um zu verhindern, dass die bei der Bearbeitung entstehende Schmelze sich zum Teil wieder auf der bearbeiteten Oberfläche absetzt und somit die Güte der Oberflächenstruktur beeinträchtigt, ist es bereits bekannt, mit einer Absaugung zu arbeiten. Dies ist in
Eine Absaugvorrichtung
Die stromlinienförmige Ausgestaltung der Schutzabdeckung
Das Austreiben des bei der Bearbeitung entstehenden Materials mittels des Gasstrahls und die zuverlässige, durch die strömungsgünstige Formung der Schutzkappe
Die hohe Bearbeitungspräzision wird insbesondere auch im Hinblick auf die vergleichsweise hohe Drehzahl des Rotors
Des Weiteren kann die nichtrotierende Fokussieroptik
Mit der in die erfindungsgemäße Bearbeitungsvorrichtung integrierten, die Kamera
Des Weiteren kann die Kamera
Derartige Lichtmuster sind in den
Wie die
Das Lichtmuster
In
Der Zusammenhang zwischen einer wie auch immer gearteten Störung eines einem Sollbetriebszustand entsprechenden Lichtmusters einerseits und einer jeweiligen Ursache für die Störung andererseits kann in der Praxis für die jeweilige Bearbeitungsvorrichtung z.B. empirisch ermittelt werden. Dieser Zusammenhang kann insbesondere abhängig sein von der Art und der Leistung der verwendeten Laserstrahlung, von der Beschaffenheit des zu bearbeitenden Werkstücks
Bei der Störung kann es sich um eine Störung der Symmetrie des Lichtmusters handeln. Grundsätzlich kann aber jede Änderung eines einem Sollbetriebszustand entsprechenden Lichtmusters als eine Störung gewertet werden.The disturbance can be a disturbance of the symmetry of the light pattern. In principle, however, any change in a light pattern corresponding to a desired operating state can be regarded as a fault.
Die
An einer Störung oder Änderung eines einem Sollbetriebszustand entsprechenden Lichtmusters kann eine automatisch arbeitende, die mittels der Kamera
Aus den vorstehenden Ausführungen ergibt sich, dass bei der erfindungsgemäßen Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung mehrere neuartige Konzepten verwirklicht sind, die bereits jeweils für sich genommen von Vorteil sind und insbesondere im Zusammenwirken kurze Bearbeitungszeiten pro Werkstück bei gleichzeitig hoher Bearbeitungsgenauigkeit ermöglichen.From the foregoing, it follows that several novel concepts are realized in the laser beam processing device according to the invention, which are already taken in each case of advantage and in particular allow in cooperation short processing times per workpiece with high processing accuracy.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1111
- Laserstrahlquellelaser beam source
- 1313
- Einkoppeleinrichtunglaunching device
- 1515
- Laserstrahllaser beam
- 1717
- BasisBase
- 1818
- Gehäusecasing
- 1919
- Fokussieroptikfocusing optics
- 2020
- Verstelleinrichtungadjustment
- 2121
- Arbeitskopfworking head
- 2323
- Drehachse, optische AchseRotary axis, optical axis
- 2525
- Umlenkeinrichtung, DrehspiegelDeflection device, rotating mirror
- 27 27
- Rotorrotor
- 2929
- Kollimationsoptikcollimating optics
- 3030
- Verstelleinrichtungadjustment
- 3131
- Werkstückworkpiece
- 3333
- Werkstückoberfläche, InnenflächeWorkpiece surface, inner surface
- 3535
- Arbeitsbeleuchtung, LEDWork lighting, LED
- 3737
- Schutzabdeckungprotective cover
- 3939
- Äußere Ummantelung, KühlabschnittOuter shell, cooling section
- 4141
- Spaltgap
- 4242
- ProzessgasquelleProcess gas source
- 4343
- Gaszuführunggas supply
- 4545
- Gasaustrittgas outlet
- 4747
- Düse, DüsenelementNozzle, nozzle element
- 4848
- Austrittsöffnungoutlet opening
- 4949
- Öffnungopening
- 5151
- Innenrauminner space
- 5353
- Austrittsfenster, SchutzglasExit window, protective glass
- 5454
- Halterungbracket
- 5555
- ProzessgasausbreitungswegProzessgasausbreitungsweg
- 5757
- Gaszuführung der BasisGas supply of the base
- 5959
- DrehdurchführungRotary union
- 6161
- Ringkanalannular channel
- 6262
- Einlassinlet
- 6363
- Gaszuführweg des RotorsGas supply path of the rotor
- 6565
- Gasabdichtunggas seal
- 6666
- ÜberdruckkanalOverpressure channel
- 6767
- Innenteilinner part
- 6969
- Außenteilouter part
- 7171
- Innenwand, KühlabschnittInner wall, cooling section
- 7373
- Kühlstruktur, KanalsystemCooling structure, duct system
- 7777
- Befestigungsabschnitt des InnenteilsAttachment section of the inner part
- 7979
- Befestigungsabschnitt des AußenteilsAttachment section of the outer part
- 8181
- Lagerungstorage
- 8383
- Drehantrieb, StatorRotary drive, stator
- 8585
- Bildaufnahmeeinrichtung, KameraImage capture device, camera
- 8686
- BildverarbeitungseinrichtungImage processing means
- 8787
- Objektivlens
- 8888
- Verstelleinrichtungadjustment
- 8989
- Lichtmusterlight pattern
- 9090
- Fadenkreuzcrosshairs
- 9191
- Filterfilter
- 9292
- Keulemace
- 9393
- Absaugvorrichtungsuction
- 9595
- Umlenkspiegeldeflecting
- 9797
- Saugleitungsuction
- 9999
- Bohrungdrilling
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 102016103578 A1 [0002]DE 102016103578 A1 [0002]
- DE 102007023418 B4 [0004]DE 102007023418 B4 [0004]
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DE102018107662A1 true DE102018107662A1 (en) | 2019-10-02 |
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