DE102018125436A1

DE102018125436A1 - Verfahren zur materialabtragenden Laserbearbeitung eines Werkstücks

Info

Publication number: DE102018125436A1
Application number: DE102018125436.9A
Authority: DE
Inventors: Maximilian Warhanek; Claus Dold; Bruno Frei
Original assignee: Ewag AG
Current assignee: Walter Maschinenbau GmbH
Priority date: 2018-10-15
Filing date: 2018-10-15
Publication date: 2020-04-16
Also published as: US20210402520A1; CN112955273A; WO2020078782A1; CN112955273B; JP7239687B2; JP2022503913A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum materialabtragenden Bearbeiten eines Werkstücks (16) durch Laserstrahlimpulse (P). Die Laserstrahlimpulse (P) werden auf Auftreffstellen (27) auf die Oberfläche (31) eines abzutragenden Volumens (V) des Werkstücks (16) gerichtet, um Material von dem abzutragenden Volumen (V) zu entfernen. Durch das Entfernen des abzutragenden Volumens (V) entsteht am Werkstück (16) eine neue, herzustellende Konturfläche (29). Ein Auftreffwinkel (α) der Laserstrahlimpulse (P) relativ zu der herzustellenden Konturfläche (29) wird während des Abtragens zumindest des Teils des abzutragenden Volumens (V), der unmittelbar an die herzustellende Konturfläche (29) angrenzt, gemäß einer vorgegebenen Bedingung eingestellt. Gemäß dieser Bedingung ist der Auftreffwinkel gleich groß wie ein Schwellenwinkel (α)oder etwas kleiner. Der Schwellenwinkel (α)entspricht dem Auftreffwinkel, an dem eine effektive Laserenergiedichte (E) an der Auftreffstelle (27) der Laserstrahlimpulse (P) an der herzustellenden Konturfläche (29) gleich groß ist wie eine Schwellenfluenz (F). Ein Materialabtrag findet an einer Auftreffstelle (27) nur dann statt, wenn die effektive Laserenergiedichte (E) größer ist als die Schwellenfluenz (F). Dadurch kann erreicht werden, dass nur solche Volumenelemente des abzutragenden Volumens (V) entfernt werden, die sich an die gewünschte herzustellende Konturfläche (29) anschließen. Durch das Steuern oder Regeln des Auftreffwinkels (α) kann somit sehr genau die gewünschte Konturfläche (29) an dem Werkstück (16) erzeugt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur materialabtragenden Laserbearbeitung eines Werkstücks. Durch den Materialabtrag soll an dem Werkstück eine neue Konturfläche hergestellt werden.
Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus DE 10 2010 011 508 A1 bekannt. Durch die Bearbeitung des Werkstücks wird ein Rotationswerkzeug hergestellt. Die Laserstrahlimpulse des Lasers werden mit Hilfe einer Ablenkeinrichtung bzw. eines Laserscanners entlang einer Pulsbahn auf Auftreffstellen auf dem Werkstück gerichtet. Überlagert dazu findet eine Relativbewegung zwischen dem Laserkopf und dem Werkstück statt. Das Material kann durch diese überlagerte Bewegung schichtweise abgetragen und eine Konturfläche freigelegt werden.
WO 2016/005133 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer Konturfläche an einem stabförmigen Werkstück. Mit diesem Verfahren sollen insbesondere rotierende Werkzeuge hergestellt werden. Dazu können in das stabförmige Werkstück beispielsweise Nuten eingebracht werden, indem mittels eines Lasers Material abgetragen und die Nut erzeugt wird. Die Laserstrahlimpulse werden dabei tangential zu den Nutflächen ausgerichtet und treffen daher auf eine im Wesentlichen radial zur Längsachse des stabförmigen Werkstücks ausgerichteten Oberflächenabschnitt auf, um dort Material abzutragen.
Das tangentiale Ausrichten der Laserstrahlimpulse gegenüber der herzustellenden Konturfläche hat sich bewährt. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verfahren weiterzubilden, um eine hohe Genauigkeit der hergestellten Konturfläche mit hoher Effizienz zu erhalten.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren verwendet eine Laserbearbeitungsmaschine, um Material an einem Werkstück abzutragen und dadurch eine Konturfläche am Werkstück herzustellen. Das Werkstück kann eine beliebige Geometrie aufweisen. Die herzustellende Konturfläche kann sich vollständig oder teilweise in eine Ebene erstrecken. Die herzustellende Konturfläche kann auch vollständig oder abschnittsweise konkav oder konvex gekrümmt sein.
Die Laserbearbeitungsmaschine ist dazu eingerichtet, Laserstrahlimpulse zu erzeugen. Die von einem Laser erzeugten Laserstrahlimpulse werden über einen Laserkopf auf das Werkstück gerichtet. Der Laserkopf kann beispielsweise eine Ablenkeinrichtung bzw. einen Scanner aufweisen, um die Laserstrahlimpulse auf Auftreffstellen auf der Oberfläche des Werkstücks zu richten. Eine Maschinenachsanordnung der Laserbearbeitungsmaschine ist dazu eingerichtet, das Werkstück und den Laserkopf in wenigstens einem translatorischen und/oder rotatorischen Freiheitsgrad relativ zueinander zu positionieren und/oder zu bewegen und/oder auszurichten.
Bei dem Verfahren werden mittels des Laserkopfes die erzeugten Laserstrahlimpulse auf die Oberfläche eines abzutragenden Volumens am Werkstück gerichtet. Dabei wird Material von dem abzutragenden Volumen entfernt und nach und nach eine herzustellende Konturfläche unmittelbar benachbart zum abzutragenden Volumen hergestellt. Wenn das abzutragende Volumen vollständig entfernt wurde, ist dadurch die Konturfläche hergestellt. Die Konturfläche wird sozusagen durch Entfernen des abzutragenden Volumens freigelegt.
Während des Abtragens des Materials zumindest in dem Teil des abzutragenden Volumens, der unmittelbar an die herzustellende Konturfläche angrenzt, wird ein Auftreffwinkel der Laserstrahlimpulse gemäß einer vorgegebenen Bedingung eingestellt. Nach dieser Bedingung ist der Auftreffwinkel maximal so groß wie ein Schwellenwinkel und zumindest so groß wie ein vorgegebener Mindestwinkel. Der Mindestwinkel ist größer als 0 Grad. Der Betrag der Differenz zwischen dem Schwellenwinkel und dem Mindestwinkel ist insbesondere kleiner als der Betrag des Mindestwinkels. Vorzugsweise wird der Auftreffwinkel derart gesteuert oder geregelt, dass er gleich groß ist wie der Schwellenwinkel
Der Auftreffwinkel wird zwischen einer Mittelachse des Laserstrahlimpulses, die einer optischen Achse des Laserkopfes entsprechen kann, und der herzustellenden Konturfläche gemessen.. Der Auftreffwinkel ist der Komplementärwinkel zum Einfallswinkel der Laserstrahlimpulse, welcher durch die Oberflächennormale am Auftreffpunkt des Laserstrahlimpulses auf der herzustellenden Konturfläche und die Mittelachse der Laserstrahlimpulse gebildet wird. Ist die herzustellende Konturfläche an der Grenzstelle unmittelbar angrenzend an die Oberfläche des abzutragenden Volumens gekrümmt, wird der Auftreffwinkel zwischen einer an die Grenzstelle der herzustellenden Konturfläche angelegten Tangente und der Hauptachse des Laserstrahlimpulses bestimmt. Die an die Konturfläche angelegte Tangente erstreckt sich dabei in einer Radialebene bezüglich der Hauptachse des Laserstrahlimpulses, welche rechtwinkelig zur herzustellenden Konturfläche an der Grenzstelle steht.
Der Schwellenwinkel ist dabei als der Betrag des Auftreffwinkels definiert, an dem eine effektive Laserenergiedichte des Laserstrahlimpulses an der Auftreffstelle auf die herzustellende Konturfläche unmittelbar benachbart zu dem angrenzenden Teil des abzutragenden Volumens einer Schwellenfluenz entspricht. Die effektive Laserenergiedichte entspricht dem Anteil der Laserenergiedichte, welcher in das zu bearbeitende Material eingekoppelt werden kann. Die Schwellenfluenz bildet einen Schwellenwert für die effektive Laserenergiedichte. Ist die effektive Laserenergiedichte größer als die Schwellenfluenz, so wird Material an der Auftreffstelle an der herzustellenden Konturfläche abgetragen. Ist die effektive Laserenergiedichte kleiner als die Schwellenfluenz, findet an der Auftreffstelle an der Konturfläche kein Materialabtrag statt.
Die effektive Laserenergiedichte ist definiert als die von der bestrahlten Fläche absorbierte Pulsenergie des abgestrahlten Laserstrahlimpulses geteilt durch die vom Laserstrahlimpuls bestrahlte Fläche an der Auftreffstelle der Konturfläche. Die effektive Laserenergiedichte an der Auftreffstelle ist bei dem Schwellenwinkel gleich groß wie die Schwellenfluenz.
Durch die Führung der Laserstrahlimpulse derart, dass der Auftreffwinkel maximal so groß oder gleich groß ist wie der Schwellenwinkel, findet dann, wenn ein Laserstrahlimpuls an dem benachbart zu dem abzutragenden Volumen angrenzenden Teil der herzustellenden Konturfläche auftrifft, kein Materialabtrag statt. Die gewünschte Geometrie der herzustellenden Konturfläche an der Grenzstelle, die unmittelbar an die aktuelle Oberfläche bzw. oberste Schicht des abzutragenden Volumens angrenzt, kann daher als Parameter für die Ermittlung des aktuellen Auftreffwinkels verwendet werden. Trifft der Laserstrahlimpuls benachbart zu der Oberfläche des abzutragenden Volumens auf die herzustellende oder bereits hergestellte Konturfläche auf, findet dort kein unerwünschter Materialabtrag statt. Durch den gewählten Auftreffwinkel ist die effektive Laserenergiedichte nicht ausreichend, um die herzustellende oder hergestellte Konturfläche abzutragen und dadurch eine Abweichung von der gewünschten Sollgeometrie zu bewirken. Jedoch werden von der gewünschten Sollgeometrie der Konturfläche wegragende Volumenelemente des abzutragenden Volumens entfernt, da der Laserstrahlimpuls einen größeren Auftreffwinkel und mithin eine ausreichend große effektive Laserenergiedichte aufweist, wenn er auf solche Volumenelemente auftrifft.
Wenn der Auftreffwinkel nahe unterhalb oder gleich dem Schwellenwinkel geführt wird, entsteht ein sozusagen selbstjustierendes Verfahren, bei dem die Laserstrahlimpulse die vorgegebene, gewünschte Sollgeometrie der herzustellenden Konturfläche erzeugen. Da der Auftreffwinkel den Schwellwinkel nie überschreitet, wird auf keinen Fall mehr als das vorgesehene Volumen abgetragen, was zu einem irreparablen Fehler in der gewünschten Sollgeometrie der herzustellenden Konturfläche führen würde.
Erstreckt sich die herzustellende Konturfläche in einer Ebene, ist der Schwellenwinkel bzw. der Auftreffwinkel beim Materialabtrag benachbart zur herzustellenden Konturfläche immer gleich groß. Ist die herzustellende Konturfläche gekrümmt, wird an die Grenzstelle, an der die herzustellende Konturfläche in die Oberfläche des abzutragenden Volumens übergeht, wie vorstehend beschrieben, eine Tangente angelegt und der Auftreffwinkel an diesem aktuellen Bearbeitungspunkt an der Grenzstelle der herzustellenden Konturfläche ermittelt und eingestellt. Der Auftreffwinkel gegenüber anderen Stellen an der Konturfläche, die von der aktuellen Oberfläche des abzutragenden Volumens mit Abstand angeordnet sind, kann daher auch größer sein als der Schwellenwinkel. Von Bedeutung für das Verfahren ist der Auftreffwinkel an der aktuellen Grenzstelle der herzustellenden Konturfläche, an die die Schicht angrenzt, an der aktuell Material vom abzutragenden Volumen entfernt wird.
Vorzugsweise kann das Einstellen des Auftreffwinkels durch Positionieren und/oder Ausrichten des Werkstücks und des Laserkopfes relativ zueinander erfolgen. Dazu kann die Maschinenachsanordnung verwendet werden.
Es ist außerdem bevorzugt, wenn eine Laserenergiedichte der Laserstrahlimpulse innerhalb eines Fokusbereichs während der Laserbearbeitung des Werkstücks stets größer ist als die Schwellenfluenz. Die Laserenergiedichte ist dabei definiert als Pulsenergie der Laserstrahlimpulse geteilt durch eine Querschnittsfläche rechtwinklig zur Mittelachse der Laserstrahlimpulse innerhalb des Fokusbereichs. Ein Verändern der Pulsenergie der Laserstrahlimpulse während des Bearbeitens des Werkstücks ist nicht erforderlich. Durch die Einstellung des Auftreffwinkels wird Material am abzutragenden Volumen abgetragen und gleichzeitig bleibt das Material erhalten, das der herzustellenden Kontur entspricht.
Der Fokusbereich des Laserstrahlimpulses ist durch den Bereich definiert, in dem sich die Querschnittsfläche des Laserstrahls gegenüber der geringsten Querschnittsfläche im Fokus verdoppelt.
Vorzugsweise werden die Laserstrahlimpulse auf Auftreffstellen gerichtet, die innerhalb einer durch eine Steuereinrichtung vorgegebene Pulsfläche angeordnet sind. Die Pulsfläche kann eine beliebige Kontur aufweisen und beispielsweise zumindest abschnittsweise polygonal und/oder gekrümmt sein. Die Größe und die Kontur der Pulsfläche kann an die Bearbeitungsaufgabe angepasst werden. Innerhalb der Pulsfläche werden aufeinanderfolgende Laserstrahlimpulse auf jeweils eine definierte Auftreffstelle gerichtet. Über die Maschinenachsen kann eine Relativbewegung zwischen dem Laserkopf und dem Werkstück erzeugt werden, so dass sich sozusagen die Pulsfläche entlang der Oberfläche des abzutragenden Volumens bewegt. Die Geschwindigkeit, mit der sich die Laserstrahlimpulse innerhalb der Pulsfläche von Auftreffstelle zu Auftreffstelle bewegen, ist mindestens um den Faktor 10 oder 20 größer als die Verstellgeschwindigkeit, die durch die Maschinenachsanordnung bei der Laserbearbeitung eingestellt wird. Die Pulsfläche kann daher als ein virtuelles Werkzeug betrachtet werden, das eine der Pulsfläche entsprechende Kontur aufweist und über die Maschinenachsen entlang der Oberfläche bewegt wird. Die Pulsfläche ist vorzugsweise zweidimensional, so dass Auftreffstellen in zwei Raumrichtungen innerhalb der Pulsfläche verteilt angeordnet sind.
Die Größe und die Form einer solchen Pulsfläche und/oder die Position der Auftreffstellen innerhalb der Pulsfläche können abhängig von einem oder mehreren Parametern des Werkstücks und/oder der herzustellenden Konturfläche definiert werden. Beispielsweise können als Parameter das Material des Werkstücks, die Geometrie des Werkstücks bzw. der herzustellenden Konturfläche, eine geforderte, vorgegebene Rauheit der herzustellenden Konturfläche, usw. verwendet werden.
Bei einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist es vorteilhaft, wenn die Außenkontur und/oder die Sequenz bzw. Position der Auftreffstellen innerhalb der Pulsfläche abhängig von der aktuellen Relativposition und/oder Relativausrichtung des Werkstücks gegenüber dem Laserkopf verändert wird. Dadurch kann die Pulsfläche und der innerhalb der Pulsfläche bewirkte Materialabtrag an die Geometrie der herzustellenden Konturfläche bzw. des Werkstücks angepasst werden. Diese Veränderung bzw. Anpassung kann schrittweise oder kontinuierlich erfolgen. Diese Veränderung bzw. Anpassung kann synchron oder asynchron zur Bewegung der Maschinenachsen gesteuert werden.
Die Impulsdauer der Laserstrahlimpulse kann im Nanosekundenbereich, im Picosekundenbereich oder im Femtosekundenbereich liegen.
Das Verfahren wird vorzugsweise zur Herstellung eines Werkzeugs aus dem Werkstück eingesetzt. Insbesondere kann die herzustellende Konturfläche an eine Schneidkante angrenzen und beispielsweise eine Spanfläche oder Freifläche bilden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele des Verfahrens anhand der beigefügten Zeichnungen im Einzelnen erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Laserbearbeitungsmaschine, die zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist,
2 eine schematische perspektivische Darstellung eines Werkstücks bei der Herstellung einer Konturfläche,
3-5 jeweils schematische, lediglich beispielhafte Darstellungen unterschiedlicher Ausführungsbeispiele von Pulsflächen,
6 und 7 jeweils eine schematische Seitenansicht eines Werkstücks in unterschiedlichen Stadien bei der Herstellung einer Konturfläche durch Abtragen eines abzutragenden Volumens vom Werkstück,
8 eine vergrößerte Prinzipdarstellung zur Erläuterung der Einstellung des Auftreffwinkels der Laserstrahlimpulse relativ zur herzustellenden Konturfläche,
9 eine weitere Prinzipskizze zur Erläuterung der Einstellung des Auftreffwinkels relativ zur Konturfläche an einer Grenzstelle und bei einem gekrümmten Verlauf der herzustellenden Konturfläche, und
10 eine schematische perspektivische Teildarstellung des Werkstücks im Bereich einer Grenzstelle zwischen einer herzustellenden Konturfläche und einer Oberfläche eines abzutragenden Volumens zur Veranschaulichung der effektiven Laserenergiedichte und der Laserenergiedichte.

1 zeigt eine perspektivische Prinzipdarstellung einer Laserbearbeitungsmaschine 15, die dazu eingerichtet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren zur materialabtragenden Laserbearbeitung eines Werkstücks 16 durchzuführen. Das Werkstück 16 kann eine beliebige äußere Gestalt aufweisen und ist bei den Ausführungsbeispielen gemäß der 1 und 2 zylindrisch und vorzugsweise kreiszylindrisch. Es können auch beliebige andere plattenförmige, quaderförmige oder sonstige Formen und Konturen von Werkstücken 16 bearbeitet werden.
Die Laserbearbeitungsmaschine 15 hat einen gepulsten Laser 17, der einen gepulsten Laserstrahl und mithin Laserstrahlimpulse P erzeugt. Der gepulste Laserstrahl wird vom Laser 17 zu einem Laserkopf 18 übermittelt. Der Laserkopf 18 ist dazu eingerichtet, die Laserstrahlimpulse P bezüglich seiner optischen Achse A in eine vorgegebene Richtung abzugeben und in einem Fokusbereich F_B zu fokussieren. Während der Bearbeitung des Werkstücks 16 befindet sich eine aktuell bearbeitete Schicht eines abzutragenden Volumens V des Werkstücks 16, also die Materialabtragstelle oder die Materialabtragschicht, innerhalb des Fokusbereichs B.
Der Laserkopf 18 kann Fokussiermittel wie optische Linsen oder dergleichen aufweisen. Dadurch erhält der Laserstrahlimpuls P einen Divergenzwinkel und wird im Fokusbereich F_B fokussiert. Der Divergenzwinkel im Fernfeld ist sozusagen der Öffnungswinkel des Laserstrahlimpulses vom Fokussiermittel des Laserkopfes 18 bis zum Brennpunkt oder Fokus innerhalb des Fokusbereichs F_B .
Der Laserkopf 18 hat außerdem eine Ablenkeinrichtung, die auch als Laserscanner bezeichnet werden kann. Die Ablenkeinrichtung kann einen oder mehrere bewegbare Ablenkspiegel aufweisen und dazu eingerichtet sein, die Abstrahlrichtung, also eine Ausrichtung einer Mittelachse M eines Laserstrahlimpulses P gegenüber der optischen Achse A einzustellen.
Eine Steuereinrichtung 19 der Laserbearbeitungsmaschine 15 ist dazu eingerichtet, den Laser 17 (Pulsenergie, Impulsdauer der Laserstrahlimpulse P) und den Laserkopf 18 und insbesondere die Ablenkeinrichtung des Laserkopfes 18 zu steuern oder zu regeln.
Zum Halten des Werkstücks 16 weist die Laserbearbeitungsmaschine 15 eine an die Form des Werkstücks 16 angepasste Spanneinrichtung 22 auf. Die Spanneinrichtung 22 ist bei dem in 1 veranschaulichten Ausführungsbeispiel dazu eingerichtet, ein stabförmiges Werkstück 16 an einem Ende einzuspannen. Abhängig von der Form des Werkstücks können jeweils geeignete Spanneinrichtungen verwendet werden.
Die Laserbearbeitungsmaschine 15 hat außerdem eine Maschinenachsanordnung 23. Die Maschinenachsanordnung 23 ist dazu eingerichtet, die Spanneinrichtung 22 und mithin das Werkstück 16 relativ zum Laserkopf 18 zu bewegen, zu positionieren und auszurichten. Die Maschinenachsanordnung 23 wird durch die Steuereinrichtung 19 angesteuert.
Die Maschinenachsanordnung 23 weist wenigstens eine und beispielsgemäß mehrere Maschinenachsen 24 auf, wobei jede Maschinenachse 24 dazu eingerichtet ist, eine Relativbewegung zwischen der Spanneinrichtung 22 und dem Laserkopf 18 in einem translatorischen oder rotatorischen Freiheitsgrad zu bewegen. Dabei kann eine Maschinenachse 24 zur Bewegung des Laserkopfes 18 oder zur Bewegung der Spanneinrichtung 22 relativ zu einer Maschinenbasis bzw. einem Maschinengestell eingerichtet sein. Die Anordnung der Maschinenachsen 24 sowie die Anzahl der Maschinenachsen zur Bewegung in einem translatorischen bzw. rotatorischen Freiheitsgrad kann variieren. Insgesamt können beispielsweise sechs Maschinenachsen 24 für die translatorischen Freiheitsgrade X, Y, Z sowie die rotatorischen Freiheitsgrade DX, DY, DZ vorhanden sein. Die Maschinenachsanordnung 23 mit den Maschinenachsen 24 ist in 1 lediglich stark schematisiert veranschaulicht.
Der Laserkopf 18 bzw. dessen Ablenkeinrichtung wird über die Steuereinrichtung 19 derart angesteuert, dass die abgegebenen Laserstrahlimpulse P in einer vorgegebenen Sequenz auf Auftreffstellen 27 innerhalb einer Pulsfläche 28 gerichtet werden. Wird durch die Maschinenachsanordnung 23 keine Relativbewegung zwischen dem Laserkopf 18 und der Spanneinrichtung 22 erzeugt, würden die Laserstrahlimpulse P sequentiell auf die Auftreffstellen 27 innerhalb der Pulsfläche 28 auf der Werkstückoberfläche gerichtet werden. Die Form und die Kontur der Pulsfläche 28 wird an die Bearbeitungsaufgabe angepasst und kann beispielsweise von einer Geometrie einer herzustellenden Konturfläche 29 und/oder einer Geometrie des Werkstücks 16 vorgegeben und eingestellt werden. In den 3-5 sind vereinfacht unterschiedliche Größen und Formen für Pulsflächen 28 veranschaulicht. Innerhalb der Pulsfläche 28 sind jeweils stark schematisiert einige entlang einer Pulsbahn B innerhalb der Pulsfläche 28 angeordneten Auftreffstellen 27 dargestellt. Die Auftreffstellen 27 können beispielsweise auf einer mäandrierenden Pulsbahn B (3) oder auf einer spiralförmig verlaufenden Pulsbahn B (4 und 5) angeordnet sein. Die Kontur und Größe der Pulsfläche 28 ergibt sich durch die kleinstmögliche Umfangskontur um die äußeren Auftreffstellen, die an die Umfangskontur der Pulsfläche 28 angrenzen.
Die Umfangskontur bzw. die äußere Form der Pulsfläche 28 kann beispielsweise der Querschnittsform einer herzustellenden Nut entsprechen, die durch die herzustellende Konturfläche 29 begrenzt wird (2). Die Pulsfläche 28 kann alternativ auch kleiner sein als die Oberfläche des abzutragenden Volumens V und über die Maschinenachsanordnung 23 entlang der Oberfläche des abzutragenden Volumens V bewegt werden, um das Material nach und nach schichtweise abzutragen.
Die herzustellende Konturfläche 29 kann - wie in 2 veranschaulicht - eine Spannut begrenzen. Die herzustellende Konturfläche 29 kann auch irgendeine andere beliebige Fläche sein, die an dem Werkstück 16 erzeugt wird. Bei den hier beschriebenen Ausführungsbeispielen stellt die herzustellende Konturfläche 29 vorzugsweise eine an eine Schneidkante 30 angrenzende Fläche dar, die eine Spanfläche oder Freifläche sein kann.
Zur Herstellung der Konturfläche 29 wird die Laserbearbeitungsmaschine 10 mittels der Steuereinrichtung 19 auf die nachfolgend erläuterte Weise betrieben.
Mittels des Lasers 17 und dem Laserkopf 18 werden Laserstrahlimpulse P auf eine Oberfläche 31 des abzutragenden Volumens V gerichtet, um die Konturfläche 29 durch Entfernen des abzutragenden Volumens V zu bilden. Dabei werden die Laserstrahlimpulse P auf die Auftreffstellen 27 innerhalb der Pulsfläche 28 gerichtet und die Pulsfläche 28 gegebenenfalls über die Maschinenachsanordnung 23 entlang der Oberfläche 31 des abzutragenden Volumens V bewegt. Die Größe der Pulsfläche 28 kann auch der jeweiligen Größe der Oberfläche 31 des abzutragenden Volumens V entsprechen und in Form und Dimension angepasst werden, wenn sich beim schichtweisen Abtragen die Größe bzw. Form der Oberfläche 31 verändert. Schematisch ist dieses Abtragen des abzutragenden Volumens V zur Erzeugung der Konturfläche 29 in den 6 und 7 veranschaulicht.
Eine Stelle an dem Werkstück 16, an der die herzustellende Konturfläche 29 an die Oberfläche 31 des abzutragenden Volumens V anschließt, wird als Grenzstelle 32 bezeichnet. Benachbart zu dieser Grenzstelle 32 der herzustellenden Konturfläche 29 befindet sich die aktuelle Materialabtragschicht an der Oberfläche 31 des abzutragenden Volumens V. Wesentlich ist das Einstellen eines Auftreffwinkels α der Laserstrahlimpulse P relativ zu der herzustellenden Konturfläche 29 an der Grenzstelle 32. An dieser Grenzstelle 32 wird der Auftreffwinkel α durch den Winkel zwischen der Mittelachse M der Laserstrahlimpulse P und der herzustellenden Konturfläche 29 gesteuert oder geregelt. Allgemein ist dies für eine konvex gekrümmte Konturfläche 29 in 9 veranschaulicht. An die Grenzstelle 32 wird eine Tangente T an die herzustellende Konturfläche 29 angelegt. Die Tangente T und die Mittelachse M der Laserstrahlimpulse P befinden sich in einer gemeinsamen Radialebene zur Mittelachse M, wobei diese Radialebene rechtwinklig zur herzustellenden Konturfläche 29 an der Grenzstelle 32 ausgerichtet ist. Gegenüber der Oberfläche 31 des abzutragenden Volumens V hat die Mittelachse M einen Winkel β, der größer ist als der eingestellte Auftreffwinkel α. Der Auftreffwinkel α wird abhängig von der gewünschten Sollgeometrie der herzustellenden Konturfläche 29 an der betrachteten Grenzstelle 32 unter folgender Bedingung eingestellt:
Der Auftreffwinkel α ist maximal so groß wie ein Schwellenwinkel α_s und zumindest so groß wie ein Mindestwinkel α_min . Der Mindestwinkel α_min ist deutlich größer als 0 Grad und vorzugsweise ist der Betrag der Differenz α_s-α_min zwischen dem Schwellenwinkel α_s und dem Mindestwinkel α_min sehr klein. Insbesondere beträgt der Mindestwinkel α_min zumindest 95% des Schwellenwinkel α_s . Beispielsgemäß ist der Mindestwinkel α_min genauso groß wie der Schwellenwinkel α_s , so dass der Auftreffwinkel α gleich dem Schwellenwinkel α_s vorgegeben und eingestellt (gesteuert oder geregelt) wird.
Der Schwellenwinkel α_s ist der Betrag des Auftreffwinkels α, bei dem eine effektive Leserenergiedichte E_eff an einer Auftreffstelle 27 des Laserstrahlimpulses P an der herzustellenden Konturfläche 29 des Werkstücks 16 gleich groß ist wie eine Schwellenfluenz F_s . Die effektive Laserenergiedichte E_eff wird berechnet durch die von der Werkstückoberfläche absorbierte Pulsenergie des Laserstrahlimpulses P geteilt durch eine bestrahlte Fläche der Auftreffstelle 27. Ist die effektive Laserenergiedichte E_eff größer als eine Schwellenfluenz F_s , wird Material an der Auftreffstelle 27 abgetragen. Ist die effektive Laserenergiedichte E_eff kleiner als die Schwellenfluenz F_s , findet an der Auftreffstelle 27 kein Materialabtrag statt.
Mit anderen Worten wird dadurch, dass der Auftreffwinkel α bezogen auf die herzustellende Konturfläche 29 maximal so groß ist wie der Schwellenwinkel α_s oder vorzugsweise gleich groß ist wie der Schwellenwinkel α_s , verhindert, dass ein Materialabtrag an der gewünschten Sollgeometrie der herzustellenden Konturfläche 29 erfolgt. Der Materialabtrag findet nur an solchen Volumenelementen des abzutragenden Volumens V statt, an denen die effektive Laserenergiedichte E_eff größer ist als die Schwellenfluenz F_s . Dies ist an allen schräg oder quer von der Sollgeometrie der herzustellenden Konturfläche 29 wegragenden Volumenelementen des abzutragenden Volumens V deswegen der Fall, weil der Einfallswinkel α nahe oder gleich dem Schwellenwinkel α_s eingestellt wird. Die Steuereinrichtung 19 steuert die Abgabe der Laserstrahlimpulse P bzw. die Ausrichtung der Mittelachse M derart, dass sozusagen automatisch ein Materialabtrag des abzutragenden Volumens V entlang der herzustellenden gewünschten Geometrie der Konturfläche 29 erfolgt.
Anhand der 8 und 10 ist dieses Prinzip nochmals schematisch dargestellt. Im Fokusbereich F_B ist eine Energielaserdichte E_L gegeben als die Pulsenergie des Laserstrahlimpulses geteilt durch eine Querschnittsfläche X des Laserstrahlimpulses P im Fokusbereich F_B . Ist die Mittelachse M rechtwinklig zur Oberfläche 31 des abzutragenden Volumens V ausgerichtet, ist die Größe der Querschnittsfläche X des Laserstrahlimpulses P im Fokusbereich F_B in etwa gleich groß wie eine erste bestrahlte Fläche C₁ an der Oberfläche 31 des abzutragenden Volumens V. Die effektive Laserenergiedichte E_eff entspricht dann im Wesentlichen der Laserenergiedichte E_L .
Durch die Vorgabe des Auftreffwinkels α an der Grenzstelle 32 der herzustellenden Konturfläche 29 wird eine zweite bestrahlte Fläche C₂ an der Stelle, an der die Oberfläche 31 des abzutragenden Volumens V in die herzustellende Konturfläche 29 übergeht so groß, dass die effektive Laserenergiedichte E_eff der Schwellenfluenz F_S entspricht oder etwas kleiner ist und somit kein Materialabtrag an der gewünschten Sollgeometrie der herzustellenden Konturfläche 29 erfolgt. Die zweite bestrahlte Fläche C₂ ist größer als die Querschnittsfläche X der Laserstrahlimpulse P im Fokusbereich und die effektive Laserenergiedichte E_eff ist daher kleiner als die Laserenergiedichte E_L .
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum materialabtragenden Bearbeiten eines Werkstücks 16 durch Laserstrahlimpulse P. Die Laserstrahlimpulse P werden auf Auftreffstellen 27 auf die Oberfläche 31 eines abzutragenden Volumens V des Werkstücks 16 gerichtet, um Material von dem abzutragenden Volumen V zu entfernen. Durch das Entfernen des abzutragenden Volumens V entsteht am Werkstück 16 eine neue, herzustellende Konturfläche 29. Ein Auftreffwinkel α der Laserstrahlimpulse P relativ zu der herzustellenden Konturfläche 29 wird während des Abtragens zumindest des Teils des abzutragenden Volumens V, der unmittelbar an die herzustellende Konturfläche 29 angrenzt, gemäß einer vorgegebenen Bedingung eingestellt. Gemäß dieser Bedingung ist der Auftreffwinkel gleich groß wie ein Schwellenwinkel α_S oder etwas kleiner. Der Schwellenwinkel α_S entspricht dem Auftreffwinkel, an dem eine effektive Laserenergiedichte E_eff an der Auftreffstelle 27 der Laserstrahlimpulse P an der herzustellenden Konturfläche 29 gleich groß ist wie eine Schwellenfluenz F_S . Ein Materialabtrag findet an einer Auftreffstelle 27 nur dann statt, wenn die effektive Laserenergiedichte E_eff größer ist als die Schwellenfluenz F_S . Dadurch kann erreicht werden, dass nur solche Volumenelemente des abzutragenden Volumens V entfernt werden, die sich an die gewünschte herzustellende Konturfläche 29 anschließen. Durch das Steuern oder Regeln des Auftreffwinkels α kann somit sehr genau die gewünschte Konturfläche 29 an dem Werkstück 16 erzeugt werden.
Bezugszeichenliste

15: Laserbearbeitungsmaschine
16: Werkstück
17: Laser
18: Laserkopf
19: Steuereinrichtung
22: Spanneinrichtung
23: Maschinenachsanordnung
24: Maschinenachse
27: Auftreffstelle
28: Pulsfläche
29: Konturfläche
30: Schneidkante
31: Oberfläche des abzutragenden Volumens
32: Grenzstelle
α: Auftreffwinkel
α_min: Mindestwinkel
α_S: Schwellenwinkel
β: Winkel
A: optische Achse
B: Pulsbahn
F_B: Fokusbereich
C₁: erste bestrahlte Fläche
C₂: zweite bestrahlte Fläche
DX: rotatorischer Freiheitsgrad um die X-Achse
DY: rotatorischer Freiheitsgrad um die Y-Achse
DZ: rotatorischer Freiheitsgrad um die Z-Achse
E_L: Laserenergiedichte
E_eff: effektive Laserenergiedichte
F_S: Schwellenfluenz
M: Mittelachse der Laserstrahlimpulse
P: Laserstrahlimpuls
T: Tangente
V: abzutragendes Volumen
X: translatorischer Freiheitsrad entlang der X-Achse
Y: translatorischer Freiheitsrad entlang der Y-Achse
Z: translatorischer Freiheitsrad entlang der Z-Achse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010011508 A1 [0002]
WO 2016/005133 A1 [0003]

Claims

Verfahren zur materialabtragenden Laserbearbeitung eines Werkstücks (16) unter Verwendung einer Laserbearbeitungsmaschine (15) mit einem Laserstrahlimpulse (P) erzeugenden Laser (17), mit einem Laserkopf (18), der die Laserstrahlimpulse (P) des Lasers (17) auf das Werkstück (16) richtet, und mit einer Maschinenachsanordnung (23), die wenigstens eine Maschinenachse (24) aufweist, die dazu eingerichtet ist, das Werkstück (16) und den Laserkopf (18) in wenigstens einem translatorischen und/oder rotatorischen Freiheitsgrad (X, Y, Z, DX, DY, DZ) relativ zueinander zu positionieren und/oder zu bewegen, mit folgenden Schritten: - Abgeben mehrerer Laserstrahlimpulse (P) mittels des Laserkopfes (18) auf eine Oberfläche (31) eines abzutragenden Volumens (V) des Werkstücks (16), wobei Material von dem abzutragenden Volumen (V) des Werkstücks (16) abgetragen und dadurch eine herzustellende Konturfläche (29) am Werkstück (16) hergestellt wird, - Einstellen eines Auftreffwinkels (α) der Laserstrahlimpulse (P) relativ zur herzustellenden Konturfläche (29) an einer Grenzstelle (32), an der die herzustellende Konturfläche (29) unmittelbar an das abzutragende Volumen (V) angrenzt, derart, dass der Auftreffwinkel (α) maximal so groß ist wie ein Schwellenwinkel (α_S) und zumindest so groß ist wie ein Mindestwinkel (α_min), wobei der Mindestwinkel (α_min) größer ist als null Grad und der Schwellenwinkel (α_S) gleich dem Betrag des Auftreffwinkels (α) ist, an dem eine effektive Laserenergiedichte (E_eff) an einer Auftreffstelle (27) des Laserstrahlimpulses (P) an der herzustellenden Konturfläche (29) des Werkstücks (16) einer Schwellenfluenz (F_S) entspricht, wobei eine effektive Laserenergiedichte (E_eff), die größer ist als die Schwellenfluenz (F_S), an der Auftreffstelle (27) einen Materialabtrag bewirkt und eine effektive Laserenergiedichte (E_eff), die kleiner ist als die Schwellenfluenz (F_S), an der Auftreffstelle (27) keinen Materialabtrag bewirkt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Auftreffwinkel (α) der Winkel zwischen einer Tangenten (T) an der Grenzstelle (32) der herzustellenden Konturfläche (29) und einer Mittelachse (M) der Laserstrahlimpulse (P) und/oder einer optischen Achse (A) des Laserkopfes (18) ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Auftreffwinkel (α) der Laserstrahlimpulse (P) relativ zur herzustellenden Konturfläche (29) an der Grenzstelle (32) derart eingestellt wird, dass er gleich groß ist wie der Schwellenwinkel (α_S).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Einstellen des Auftreffwinkels (α) durch das Positionieren und/oder Ausrichten des Werkstücks (16) und des Laserkopfes (18) relativ zueinander erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine effektive Laserenergiedichte (E_eff) der Laserstrahlimpulse (P) definiert ist als die vom Werkstück absorbierte Pulsenergie der Laserstrahlimpulse (P) geteilt durch eine Querschnittsfläche der Laserstrahlimpulse (P), wobei die effektive Laserenergiedichte (E_eff) während der Laserbearbeitung des Werkstücks (16) stets größer ist als die Schwellenfluenz (F_S).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlimpulse (P) auf Auftreffstellen (27) gerichtet werden, die innerhalb einer Pulsfläche (28) angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe und Form der Pulsfläche (28) und/oder die Position der Auftreffstellen (27) innerhalb der Pulsfläche (28) abhängig von einem oder mehreren Parametern des Werkstücks (16) und/oder der herzustellenden Konturfläche (29) definiert werden.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlimpulse (P) vom Laserkopf (28) in einer vorgegebenen Sequenz auf die Auftreffstellen (27) innerhalb der Pulsfläche (28) abgegeben werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenkontur der Pulsfläche (28) abhängig von der aktuellen Relativposition und/oder Relativausrichtung des Werkstücks (16) gegenüber dem Laserkopf (18) verändert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulsdauer der Laserstrahlimpulse (P) im Nanosekunden-, Picosekunden- oder Femtosekundenbereich liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es bei der Herstellung eines Werkzeuges aus dem Werkstück (16) eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die herzustellende Konturfläche (29) eine an eine Schneidkante (30) angrenzende Spanfläche oder Freifläche ist.