DE102019114477A1

DE102019114477A1 - Automatische Materialerkennung mit Laser

Info

Publication number: DE102019114477A1
Application number: DE102019114477.9A
Authority: DE
Inventors: Anna Hörner
Original assignee: Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Current assignee: Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Priority date: 2019-05-29
Filing date: 2019-05-29
Publication date: 2020-12-03
Also published as: WO2020239328A1; JP7379542B2; US20220080523A1; JP2022534573A; CN113874156A

Abstract

Verfahren zur Ermittlung einer Materialeigenschaft eines mittels einer Laserbearbeitungsmaschine zu bearbeitenden, insbesondere plattenförmigen, Werkstücks, wobei mit einem mittels der Laserbearbeitungsmaschine erzeugten Laserstrahls in das Werkstück eingestochen wird, und wobei an einem Durchstichzeitpunkt eine Messgröße erfasst wird, die mit der Materialeigenschaft des Werkstücks korreliert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung einer Materialeigenschaft eines mittels einer Laserbearbeitungsmaschine zu bearbeitenden, insbesondere plattenförmigen, Werkstücks und/oder einer Maschineneigenschaft der Laserbearbeitungsmaschine.
Werkstücke unterschiedlichster Materialien können heutzutage mittels Laserbearbeitungsmaschinen bearbeitet werden. Für die optimale Bearbeitung der Materialien, aus denen die Werkstücke bestehen, müssen dabei unterschiedliche Parameter für den Bearbeitungsprozess eingestellt werden. Die einzustellenden Parameter sind dabei unter anderem abhängig von der Materialzusammensetzung des zu bearbeitenden Materials und dessen Materialqualität, beispielsweise einem Kohlenstoffanteil in einem Stahlwerkstück oder einer Materialzusammensetzung an der Materialoberfläche, sowie der Materialdicke. Weicht die Qualität des Materials von einer Soll-Qualität ab oder verwechselt ein Arbeiter das Material des Werkstücks und die dazugehörigen Einstellungen, so kann dies vergleichsweise große Auswirkungen auf die Bearbeitungsqualität haben, so dass beispielsweise Folgeschäden und/oder Folgekosten entstehen können.
Aus der DE 10 2010 028 270 A1 sowie der DE 39 18 618 A1 ist eine Spektralanalyse des Plasmas beim Einstechen eines Laserstrahls in ein Werkstück vorbekannt, um so das Material des Werkstücks zu ermitteln. Eine derartige Analyse ist allerdings vergleichsweise aufwendig und teuer und bedarf einer vergleichsweise teuren Zusatzausrüstung an einer Laserbearbeitungsmaschine.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, den genannten Nachteilen des Standes der Technik abzuhelfen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorgeschlagen wird demnach zunächst ein Verfahren zur Ermittlung einer Materialeigenschaft eines mittels einer Laserbearbeitungsmaschine zu bearbeitenden, insbesondere plattenförmigen, Werkstücks und/oder einer Maschineneigenschaft der Laserbearbeitungsmaschine, wobei mit einem mittels der Laserbearbeitungsmaschine erzeugten Laserstrahl in das Werkstück eingestochen wird, wobei an einem Durchstichzeitpunkt des Laserstrahls durch das Werkstück eine Messgröße erfasst wird, und wobei über eine Korrelation zwischen der Messgröße und der Materialeigenschaft bzw. der Maschineneigenschaft die Materialeigenschaft bzw. die Maschineneigenschaft ermitteln wird. Das Werkstück kann beispielsweise ein Blech sein und insbesondere ein Gutteil und/oder Schlechtteil.
Erfindungsgemäß wird mittels des Laserstrahls an einem Messpunkt in das Werkstück eingestochen und zwar solange, bis ein Durchbruch im Werkstück erzeugt wird. Wenn der Laserstrahl das Werkstück durchbricht, ist der Durchstichzeitpunkt erreicht. An diesem Durchstichzeitpunkt wird eine Messgröße erfasst, die mit einer Materialeigenschaft des Werkstücks und/oder einer Maschineneigenschaft der Laserbearbeitungsmaschine korreliert. Daraus kann folglich auf die Materialeigenschaft des Werkstücks und/oder die Maschineneigenschaft der Laserbearbeitungsmaschine geschlossen werden. Die Materialeigenschaft des Werkstücks kann demnach über die Messgröße charakterisiert werden, ohne eine vergleichsweise aufwendige und teure spektroskopische Untersuchung durchführen zu müssen.
Bei der Materialeigenschaft kann es sich insbesondere um eine Materialzusammensetzung, eine Materialdicke, eine Schneidkantenqualität und/oder eine Materialqualität (Oberflächeneigenschaft (z.B. oxidierte oder verschmutzte Oberfläche) oder Chargenqualität) handeln. Bei der Maschineneigenschaft kann es sich beispielsweise um einen Düsenzustand (z.B. verschmutzte Düse) oder einen Optikzustand (z.B. erwärmte oder verschmutzte Optik) der Laserbearbeitungsmaschine handeln.
Der Erfindung liegt dabei folgende Erkenntnis zugrunde: Wird ein Laserstrahl bestimmter Energie auf ein Werkstück gerichtet, so wird ein bestimmter Energieeintrag in das Werkstück geleitet. Bei hinreichender Laserintensität schmilzt bzw. sublimiert das Material. Wie schnell das Material schmilzt bzw. sublimiert ist unter anderem abhängig vom jeweiligen Energieeintrag in einem bestimmten Volumen sowie der Dicke des Werkstücks. Ist das Material komplett geschmolzen bzw. sublimiert, durchstößt der Lichtstrahl das Material. Folglich kann eine Messgröße am Durchstoßzeitpunkt Aufschluss auf eine Materialeigenschaft des Werkstücks und/oder eine Maschineneigenschaft der Laserbearbeitungsmaschine geben.
Die Korrelation zwischen Messgröße und Materialeigenschaft bzw. Maschineneigenschaft kann über ein Korrelationsmodell, beispielsweise über ein mathematisches/analytisches Modell, einen Algorithmus bzw. ein Metamodell und/oder eine künstliche Intelligenz erfolgen.
Das Werkstück kann dabei plattenförmig oder dreidimensional (bspw. Tiefziehbauteil) sein, vorausgesetzt, dass die Einstechmessungen an Werkstückabschnitten mit (innerhalb der Fertigungstoleranzen) bekannter Werkstückdicke durchgeführt werden.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Messgröße die Einstechdauer der Lasereinstrahlung auf das Werkstück ist. Die Einstechdauer ist dabei die Zeitdauer des Beginns der Lasereinstrahlung auf das Werkstück bis zum Durchstoß der Laserstrahlung durch das Werkstück am Durchstichzeitpunkt. Folglich kann die Zeitdauer gemessen werden, während der der Laserstrahl auf das Werkstück einstrahlt. Die Einstechdauer korreliert dabei insbesondere mit verschiedenen Werkstück- und Maschinenparametern. Beispielsweise kann die Einstechdauer mit der Dicke des Werkstücks am Messpunkt, mit der Materialzusammensetzung am Messpunkt und/oder mit der Werkstücktemperatur korrelieren. Ferner kann die Einstechdauer beispielsweise mit der Fokuslage der Laserbearbeitungsmaschine korrelieren.
Sind beispielsweise Werkstückdicke (manuell oder über einen Sensor ermittelt), Fokuslage und Werkstücktemperatur vorbekannt, so kann anhand der Einstechdauer, beispielsweise über ein mathematischen/analytisches Modell, einen Algorithmus/ein Metamodell und/oder ein künstliche Intelligenz, auf die Materialzusammensetzung des Werkstücks geschlossen werden.
Ein Korrelationsmodell kann folglich aus wenigstens einem, insbesondere einer Anzahl, bekannten/bekannter Parameter (bspw. Werkstückdicke) des Bearbeitungssystems nach Messung und Berücksichtigung der Einstechdauer auf einen unbekannten Parameter (bspw. Materialzusammensetzung) schließen.
Die Einstechdauer bei gleichbleibenden Maschinenparametern und Materialdicken hängt bei verschiedenen Materialzusammensetzungen insbesondere von der Schmelztemperatur, der materialabhängigen Wärmekapazität, der Wärmeleitfähigkeit und der Dichte ab, so dass daraus insgesamt auf eine Materialzusammensetzung geschlossen werden kann. Hierzu können Messreihen durchgeführt werden, um spezifische Einstechdauern bei Werkstücken mit bekannten Eigenschaften unter bekannten Maschinenparametern zu ermitteln und daraus ein Korrelationsmodell zu entwickeln.
Insgesamt kann die Zeitdauer des Beginns einer Messung bis zum Durchstoß des Lasers durch das Werkstück am Durchstichzeitpunkt mit der Materialzusammensetzung des Werkstücks korreliert werden, sodass aus der Einstechdauer über ein Korrelationsmodell auf die Materialzusammensetzung geschlossen werden kann. Es bedarf folglich keiner teuren Sensorik, beispielsweise Spektroskopiesensorik, um die Materialzusammensetzung zu bestimmen. Vielmehr ist es ausreichend, die Einstechdauer zu ermitteln und über ein Korrelationsmodell auf die Materialzusammensetzung zu schließen.
Umgekehrt wäre auch denkbar, dass beispielsweise aus einer bekannten Materialzusammensetzung des Werkstücks über ein Korrelationsmodell auf die Werkstückdicke am Messpunkt geschlossen wird.
In einem einfachen Fall wäre auch denkbar, bei bekannten Modellparametern und bekannter erwarteter Materialzusammensetzung bei einer Abweichung von einer gemessenen Einstechdauer von der erwarteten Einstechdauer auf einen Materialfehler bzw. ein falsches Werkstück des vermessenen Werkstücks zu schließen. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass eine Laserintensität des eingestrahlten Laserstrahls über die Dauer der Lasereinstrahlung auf das Werkstück erhöht wird. Die Leistung des Lasers und die damit einhergehende Intensität des ausgestrahlten Laserstrahls kann dabei linear erhöht (hochgerampt) werden. Folglich kann die Intensität der Laserstrahlung um einen Betrag x mW/s erhöht werden. Ab einer Grenzintensität erhitzt sich dabei das Werkstück, sodass das Material des Werkstücks entweder schmilzt oder sublimiert (bspw. im Fall von Ultrakurzpulslasern). Dadurch kann durch die Einstechdauer über ein Korrelationsmodell beispielsweise auf die Materialzusammensetzung geschlossen werden. Denkbar ist unter Umständen auch, dass der Anstieg der Leistung und damit der Laserintensität nicht linear zur Zeit ist, was dann im Korrelationsmodell zu berücksichtigen ist. Dabei wäre dann beispielsweise denkbar, die Laserleistung zunächst rasch zu erhöhen und diese ab einer bestimmten Grenzleistung langsamer zu steigern.
Denkbar ist auch, dass die Messgröße die Laserintensität und/oder eine die Laserintensität charakterisierende Messgröße am Durchstichzeitpunkt ist. Die Leistung des Lasers bzw. die Laserintensität am Durchstoßzeitpunkt korrelieren direkt mit dem Energieeintrag und damit der Energie zum Schmelzen bzw. Sublimieren des Materials. Dies bedeutet, dass der Energiebetrag des Lasers am Durchstoßzeitpunkt ebenfalls mit einer Material- oder Maschineneigenschaft korrelieren kann. Dadurch kann ebenfalls aufgrund der Intensität des Laserlichts bzw. der Leistung des Lasers beim Durchstoßzeitpunkt beispielsweise auf die Materialzusammensetzung des Werkstücks geschlossen werden. Dabei kann insbesondere wiederum die Leistung des Lasers und die damit einhergehende Intensität des Laserlichts über die Einstechdauer, beispielsweise linear, erhöht werden, wobei beim Durchstoß die Intensität des Laserlichts bzw. die Leistung des Lasers gemessen wird und über ein Korrelationsmodell der Materialeigenschaft des Werkstücks und/oder einer Maschineneigenschaft der Laserbearbeitungsmaschine zugeordnet wird. Die Erhöhung der Leistung/Intensität über die Zeit kann wiederum linear sein (Erhöhung um X mW/s). Auch hier bedarf es folglich keiner teuren Spektroskopiemethoden, um das Material des Werkstücks zu bestimmen. Vielmehr ist es ausreichend, die Laserintensität bzw. die Laserleistung am Durchstoßzeitpunkt zu messen.
Denkbar wäre auch, dass die Messgröße die Temperatur am Durchstichzeitpunkt und/oder der Energieeintrag des Laserstrahls am Durchstichzeitpunkt ist. Gemäß dieser Ausführungsform kann folglich ein Sensor zur Messung der Temperatur am Durchstichzeitpunkt vorgesehen werden. Bei einem derartigen Sensor kann folglich die Temperatur am Durchstoßzeitpunkt direkt erkannt werden. Auch hier kann durch ein Korrelationsmodell beispielsweise auf die Materialzusammensetzung des Werkstücks und/oder eine Maschineneigenschaft der Laserbearbeitungsmaschine geschlossen werden. Denkbar wäre andererseits auch, einen Sensor vorzusehen, um den Energieeintrag des Laserstrahls am Durchstichzeitpunkt zu messen. Denkbar wäre demnach eine Sensierung des Energieeintrags am Durchstoßzeitpunkt und eine Korrelierung zur Ermittlung der Materialzusammensetzung des Werkstücks und/oder einer Maschineneigenschaft der Laserbearbeitungsmaschine.
Besonders bevorzugt ist weiter, wenn mehrere Einstiche durchgeführt werden, wobei eine Standardabweichung und/oder eine Varianz der erhaltenen Messgröße ermittelt wird. Denkbar wäre auch die Ermittlung eines zur Standardabweichung bzw. zur Varianz äquivalenten Maßes. Dabei wird davon ausgegangen, dass die Dicke des Werkstücks im vermessenen Bereich konstant bzw. im Rahmen der Fertigungstoleranzen konstant ist. Über mehrere Einstiche an unterschiedlichen Messpunkten des Werkstücks kann so eine Standardabweichung und/oder eine Varianz der erhaltenen Messgröße ermittelt werden. Ist die Messgröße als Einstechdauer ausgebildet, so kann folglich eine Varianz/Standardabweichung der Einstechdauer ermittelt werden. Gleichermaßen kann bei einer Bestimmung der Laserstrahlintensität/Laserleistung am Durchstichzeitpunkt eine entsprechende Varianz bzw. Standardabweichung der Laserstrahlintensität/Laserleistung ermittelt werden. Schließlich kann, wenn die Messgröße als Temperatur oder als Energieeintrag beim Durchstich ausgebildet ist, eine entsprechende Varianz/Standardabweichung der Temperatur/des Energieeintrags beim Durchstichzeitpunkt ermittelt werden.
Zur Ermittlung der Materialart ist dabei auch denkbar, in einem ersten Schritt zunächst die Leistung des Lasers über die Zeit vergleichsweise rasch hochzuregulieren und die Messgröße beim Durchstoßzeitpunkt zu speichern. Für weitere Messungen kann dann die Varianz/Standardabweichung der ersten Messung eingegrenzt werden, um so über die Kombination einer ersten schnellen Messung mit langsameren darauffolgenden Messungen die Varianz/Standardabweichung des Materials zu bestimmen.
Denkbar ist, dass über die Varianz/Standardabweichung über ein Korrelationsmodell auf eine Schneidkantenqualität geschlossen wird. Dabei kann eine geringe Varianz/Standardabweichung insbesondere mit einer guten Schneidkantenqualität korrelieren.
Vorteilhaft ist auch, wenn die Differenz der ermittelten Messgrößen zweier Messungen ermittelt wird, und darauf basierend eine Aktion ausgelöst wird, wenn die Differenz einen Grenzwert überschreitet. Dabei wird davon ausgegangen, dass die Dicke des Werkstücks konstant ist. Ferner wird davon ausgegangen, dass das Werkstück keine globalen Materialzusammensetzungsunterschiede aufweist, sondern allenfalls lokale Unterschiede, so dass die Abweichung der Messgrößen zueinander vergleichsweise klein ausfallen sollten. Folglich kann zunächst eine Differenz der ermittelten Messgrößen (beispielsweise Einstechdauer, Laserintensität/Laserleistung am Durchstichzeitpunkt, Energieeintrag/Temperatur am Durchstichzeitpunkt) ermittelt werden. Wenn diese Differenz einen Grenzwert überschreitet, beispielsweise eine zu große prozentuale Abweichung vorhanden ist, so dann darauf basierend eine Aktion ausgelöst werden. Diese kann beispielsweise darin liegen, eine Bedienperson auf ein Problem mittels einer Meldung aufmerksam zu machen. Denkbar wäre allerdings auch, dass die Aktion darin liegt, das Werkstück auszusortieren. Denkbar wäre schließlich, dass eine Überschreitung des Grenzwerts nicht dem Material des Werkstücks geschuldet ist, sondern beispielsweise Parametern der Laserbearbeitungsmaschine, sodass eine Überschreitung des Grenzwerts auch auf ein Problem bei der Laserbearbeitungsmaschine hindeuten kann. In diesem Fall könnte die Aktion eine Wartungsarbeit sein, die bspw. durch die Laserbearbeitungsmaschine oder eine Bedienperson zur Behebung des Problems durchgeführt wird. Die Wartungsarbeit kann z.B. ein Austausch von Schneidgasen, verschmutzter Düse oder Optik, Kühlwasser oder anderem Verbrauchsmaterial sein. Zusätzlich oder alternativ können auch eine Überprüfung, Reinigung und/oder sonstige Arbeiten an Vorrichtungsteilen der Laserbearbeitungsmaschine, wie bspw. den Antrieben, Sensoren, erfolgen.
Vorzugsweise wird der Durchstichzeitpunkt durch Erfassung von emittiertem bzw. reflektiertem Licht des Werkstücks ermittelt. Einrichtungen zur Erfassung des Durchstichzeitpunkts sind regelmäßig in Laserbearbeitungsmaschinen bereits verbaut. Eine mögliche Methode ist beispielsweise in der DE 10 2010 028 179 A1 offenbart, deren Offenbarungsgehalt vollständig mit in die vorliegende Patentanmeldung einbezogen wird. Dabei wird das erzeugte Prozesslicht, beim Einstechen in das Werkstück überwacht. Das Prozesslicht ist das Leuchten des heißen Werkstücks, wenn dieses während des Einstechens von der Laserstrahlung geschmolzen wird. Die Messintensität des Prozesslichts bricht dabei dann zusammen, wenn das Werkstück durchstoßen wird. Nach dem Durchtritt tritt nämlich der Laserstrahl zumindest überwiegend durch den entstehenden Durchbruch hindurch. Denkbar wäre allerdings auch, eine Rückreflexionssensorik zur Messung von reflektierter Laserstrahlung vorzusehen. Auch hierbei bricht die erfasste Signalintensität der reflektierten Laserstrahlung dann zusammen, wenn der Durchstichzeitpunkt erreicht ist und die Laserstrahlung überwiegend durch den Durchbruch hindurchtritt. Das Überwachen des Prozesslichts wird regelmäßig bei CO2-Lasern eingesetzt. Bei Festkörperlasern (beispielsweise Faser, Scheibe, Stab, Diode), welche im nahen Infrarot emittieren, kann demgegenüber regelmäßig auch eine Rückreflexionssensorik eingesetzt werden. Eine derartige Erfassung des Erreichens des Durchstichzeitpunkts ist vergleichsweise einfach, kostengünstig und zuverlässig möglich.
Eine besonders bevorzugte Weiterbildung der Erfindung ergibt sich durch ein Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks, das Verfahren umfassend die folgenden Schritte:

a. Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ermittlung der Materialeigenschaft, des insbesondere plattenförmigen, Werkstücks; und
b. Aufrufen und Einstellen von wenigstens einem Bearbeitungsparameter der Laserbearbeitungsmaschine basierend auf der ermittelten Materialeigenschaft, um das Werkstück mittels Laserstrahlung zu bearbeiten.

Zunächst kann folglich eine Materialeigenschaft des zu bearbeitenden Werkstücks durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Ermittlung der Materialeigenschaft des Werkstücks ermittelt werden. Sobald die Materialeigenschaft ermittelt ist, können die dazu passenden optimalen Schneidparameter zum Laserschneiden des Materials, beispielsweise aus einer Datenbank, eingespeist und angepasst werden. Daraufhin kann die Bearbeitung mit den optimalen Schneidparametern für das Werkstück durchgeführt werden. Voraussetzung hierfür ist selbstverständlich, dass ein Datensatz der optimalen Parameter für das ermittelte Material in der Datenbank hinterlegt ist. Denkbar wäre auch, bei der vorhandenen Vielzahl an Materialien einen intelligenten Algorithmus (KI) und/oder eine Datenanalyse zu verwenden, um so vergleichsweise schnell eine Materialdatenbank zu erhalten, in der die optimalen Schneidparameter für das jeweilige Material hinterlegt sein können.
Eine weitere besonders bevorzugte Weiterbildung der Erfindung ergibt sich durch ein Verfahren zur Kontrolle eines, insbesondere plattenförmigen, Werkstücks, das Verfahren umfassend die folgenden Schritte:

a. Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ermittlung des Materials des, insbesondere plattenförmigen, Werkstücks; und
b. Vergleichen der erfassten Messgröße mit einem Referenzwert.

Durch die Kontrolle können insbesondere falsche/fehlerhafte Werkstücke erkannt werden und/oder Verunreinigungen in einem Material des Werkstücks festgestellt werden. Beispielsweise führt eine geringere Qualität einer Legierung, beispielsweise ein erhöhter/erniedrigter Kohlenstoffgehalt, zu einer Veränderung in der erfassten Messgröße. Der Referenzwert kann folglich insbesondere einen Sollwert der Messgröße darstellen, wenn das Material eine Soll-Zusammensetzung aufweist. Je nach Ausgestaltung der Messgröße, kann eine Abweichung in der Materialzusammensetzung zu einer Änderung in der Einstechdauer, der Laserintensität/Laserleistung beim Durchstichzeitpunkt, oder der Temperatur beim Durchstichzeitpunkt bzw. des Energieeintrags beim Durchstichzeitpunkt führen.
Beispielsweise kann die Einstechdauer für ein Material mit der Sollzusammensetzung bekannt sein. Soll nun lediglich festgestellt werden, ob eine hinreichend geringe Abweichung von der Sollzusammensetzung vorhanden ist, so kann beispielsweise eine Einstechmessung durchgeführt werden. Dabei kann eine Rampe der Leistung des Lasers y mW betragen. Diese Leistung kann x mW unterhalb der bereits ermittelten Laserleistung zum Durchstoßen des Materials des Werkstücks liegen. Danach kann die Laserleistung um einen Betrag z mW/s bis zum Durchstoßzeitpunkt erhöht werden.
Denkbar wäre allerdings auch, die Laserleistung zunächst vergleichsweise rasch zu erhöhen und dann vergleichsweise langsam um einen Betrag x mW im Bereich der erwarteten Laserleistung beim erwarteten Durchstichzeitpunkt.
Besonders bevorzugt ist dabei, wenn das Verfahren den weiteren Schritt umfasst:

c. Auslösen einer Aktion wenn die Differenz zwischen der erfassten Messgröße und dem Referenzwert einen Grenzwert überschreitet.

Die Aktion kann dabei beispielsweise darin liegen, das Werkstück auszusortieren, wenn die erfasste Abweichung der Messgröße von der Soll-Messgröße einen Grenzwert übersteigt. Ein Übersteigen des Grenzwerts kann bedeuten, dass die Qualität des Materials nicht hinreichend ist, beispielsweise aufgrund zu großer Verunreinigungen oder dass ein falsches Werkstück ausgewählt wurde.
Denkbar wäre allerdings auch, die Schneidparameter beim Laserschneiden an das erfasste Material anzupassen. Die Schneidparameter können folglich von den Schneidparametern bei einer Soll-Zusammensetzung des Materials abweichen. Eine derartige Anpassung der Schneidparameter kann beispielsweise auch über einen Algorithmus durchgeführt werden. Hierzu kann auch eine künstliche Intelligenz Verwendung finden.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auch gelöst durch eine Steuerungseinrichtung, ausgebildet und eingerichtet zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Schließlich wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe auch gelöst durch eine Laserbearbeitungsmaschine, umfassend eine erfindungsgemäße Steuerungseinrichtung.
Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der folgenden Beschreibung zu entnehmen, anhand derer die in den Figuren dargestellte Ausführungsform der Erfindung näher beschrieben und erläutert ist.
Es zeigen:

1 schematische Darstellung einer Laserbearbeitungsmaschine gemäß einer Ausführungsform;
2 Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform unter Verwendung der Laserbearbeitungsmaschine gemäß 1; und
3 schematische Darstellung einer Laserleistung gegen eine Einstechdauer bei einem Verfahren gemäß 2.

1 zeigt eine Laserbearbeitungsmaschine 1, die zum Schneiden von, insbesondere plattenförmigen, Werkstücken 2, beispielsweise von Blechen und insbesondere von Gutteilen und/oder Schlechtteilen, mittels Laserstrahlung 3 dient. Dazu umfasst die Laserbearbeitungsmaschine 1 eine Laserquelle (Festkörperlaser) 4, beispielsweise vom YAG-Typ, die die Laserstrahlung 3 mit einer zur Lasermaterialbearbeitung geeigneten Laserwellenlänge, beispielsweise im Bereich von ca. 1 um, insbesondere beispielsweise von ca. 1,06 µm oder von ca. 1,03 µm, erzeugt, sowie eine beispielsweise durch Laserdioden ausgeführte Pumpquelle 5 zum Pumpen der Laserquelle 4 mit einer zu ihrer Anregung geeigneten Pumpstrahlung 6, wie beispielsweise 808 nm.
Die Laserstrahlung 3 wird über eine Einkoppeloptik 7 in eine optische Transportfaser 8 eingekoppelt und darin zu einem verfahrbaren Laserbearbeitungskopf 9 der Laserbearbeitungsmaschine 1 geführt. Innerhalb des Laserbearbeitungskopfs 9 wird die Laserstrahlung 3 aus der Transportfaser 8 ausgekoppelt und über eine Kollimationsoptik 10 und eine Fokussieroptik 11 auf das Werkstück 2 fokussiert. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind diese Optiken 7, 10, 11 lediglich beispielhaft als Linsen dargestellt. Der Strahlengang der Laserstrahlung 3 von der Laserquelle 4 zum zu bearbeitenden, insbesondere plattenförmigen, Werkstück 2 ist insgesamt mit 12 bezeichnet. Die linear hintereinander angeordneten Kollimations- und Fokussieroptiken 10, 11 ermöglichen eine in Richtung der optischen Achse lineare Bauform der Bearbeitungseinheit 9.
Der Laserbearbeitungsvorgang und insbesondere der Einstechvorgang der Laserstrahlung 3 in das Werkstück 2 werden mittels des sichtbaren Prozesslichts 13 überwacht, das während der Laserbearbeitung am Werkstück 2 erzeugt wird. Das Prozesslicht 13 sowie auch die am Werkstück 2 oder an anderen optischen Flächen reflektierten Laser- und Pumpstrahlungen laufen entlang des Strahlengangs 12 zurück in Richtung Laserquelle 4.
Zwischen der Transportfaser 8 und der Laserquelle 4 ist ein optisches Auskoppelungselement in Form eines teildurchlässigen Spiegels 14 angeordnet, der die am Werkstück 2 reflektierten Laser- und Pumpstrahlungen sowie das vom Werkstück 2 kommende Prozesslicht 13 teilweise auskoppelt und auf einen wellenlängensensitiven Detektor (beispielsweise eine Photodiode) 15 lenkt. Der teildurchlässige Spiegel 14 ist unter 45° im Strahlengang 12 angeordnet und für die von der Laserquelle 4 kommende Laserstrahlung 3 im Wesentlichen transparent. Im Strahlengang des Prozesslichts 13 zwischen dem teildurchlässigen Spiegel 14 und dem Detektor 15 sind ein Laserstrahlungsfilter 16 und ein Pumpstrahlungsfilter 17 angeordnet, die jeweils das Prozesslicht 13, nicht aber die Laserstrahlung 3 bzw. die Pumpstrahlung 6 durchlassen. Auf diese Weise wird verhindert, dass die durch den teildurchlässigen Spiegel 14 ebenfalls ausgekoppelten Laser- und Pumpstrahlungen das auszuwertende Prozesslichtsignal überstrahlen können. Der Pumpstrahlungsfilter 17 kann prinzipiell auch an jeder anderen Stelle im Strahlengang des Prozesslichts 13 angeordnet sein.
Solange der Einstechvorgang in das Werkstück 2 nicht abgeschlossen ist, wird am Werkstück 2 das Prozesslicht 13 in vergleichsweise hohem Anteil erzeugt. Der Anteil an Prozesslicht 13 fällt augenblicklich mit der Ausbildung eines Durchbruchs in Form eines Einstechlochs, also eines Laserstrahlaustritts an der Werkstückunterseite, ab.
Die Laserbearbeitungsmaschine 1 wird sodann zur Durchführung des in 2 gezeigten Verfahrens 22 verwendet:

Um herauszufinden, aus welchem Material das Werkstück 2 besteht, wird in einem ersten Schritt 24 dessen Dicke d (vgl. 1) ermittelt. Diese Ermittlung kann manuell oder automatisch über einen Sensor erfolgen. Denkbar wäre auch, dass die Dicke d bereits vorbekannt und in einer Steuerungseinrichtung 18 der Laserbearbeitungsmaschine hinterlegt ist.

Sodann wird in einem nächsten Schritt 26 mit der Laserbearbeitungsmaschine 1 ein Laserstrahl 3 erzeugt und auf das Werkstück 2 an einem Messort 19 eingestochen. Dabei wird die Fokuslage und Fokusgröße konstant gehalten. Auch die Parameter des Schneidgases werden konstant gehalten. Jedoch wird die Leistung des Lasers und damit auch die Intensität des Lasers über die Einstrahlzeit, insbesondere linear, erhöht. Folglich wird ein gewisser Energieeintrag in das Werkstück 2 eingeleitet. Sobald die Laserintensität ausreichend hoch ist, schmilzt das Material (vgl. 3: Einstechdauer t_e,SMP und Laserleistung P_SMP am Schmelzpunkt). Wie schnell das Material schmilzt, ist dabei abhängig vom jeweiligen Energieeintrag in einem bestimmten Volumen. Ist das Material komplett geschmolzen, so durchstößt der Laserstrahl das Material. Solange der Einstechvorgang in das Werkstück 2 nicht abgeschlossen ist, wird am Werkstück 2 das Prozesslicht 13 in vergleichsweise hohem Anteil erzeugt. Der Anteil des Prozesslichts 13 fällt augenblicklich mit der Ausbildung eines Einstechlochs, also eines Laseraustritts an der Werkstückunterseite 20, ab. Dabei wird in Schritt 26 die Einstechdauer t_e,D für den Einstechvorgang gemessen (vgl. 3). Die Einstechdauer t_e,D ist dabei die Zeitdauer, während der die Laserstrahlung 3 auf das Werkstück 3 wirkt bis die Laserstrahlung 3 das Werkstück 2 durchsticht, was anhand der Auswertung des Prozesslichts mittels des Detektors 15 der Laserbearbeitungsmaschine 1 ermittelt wird. Dabei ist denkbar, dass bei einem Einstechvorgang die Intensität des Lasers um einen Betrag x mW/s erhöht wird und die Zeit bis zum Durchstoß, also die Einstechdauer t_e,D, gemessen wird. Dabei beginnt die Messung, sobald die Laserstrahlung 3 auf das Werkstück 2 einstrahlt.
In Schritt 28 kann sodann aus der ermittelten Einstechdauer über ein Modell wenigstens eine Nutzerinformation ermittelt werden. Dieses Modell kann bekannte (Bearbeitungs-)parameter berücksichtigen und daraus einen unbekannten Parameter ermitteln. Bekannte Parameter können insbesondere die Dicke d des durchstochenen Werkstückabschnitts, ermittelt in Schritt 24, die Werkstücktemperatur und/oder die Fokuslage sein. Ferner wird jedenfalls die in Schritt 26 gemessene Einstechdauer berücksichtigt. Über ein mathematisches/analytisches Modell, einen Algorithmus/ein Metamodell oder eine künstliche Intelligenz kann sodann ein unbekannter Parameter ermittelt werden. Dieser unbekannte Parameter kann insbesondere die Materialzusammensetzung des durchstochenen Werkstückabschnitts sein.
Ein Korrelationsmodell kann insbesondere durch Durchführen einer Anzahl von Versuchen mit Werkstücken bekannter Materialzusammensetzungen und -dicken und bekannten Bearbeitungsparametern erstellt werden, wobei in den Versuchen jeweils die benötigte Einstechdauer t_e,D ermittelt wird.
Am Beispiel von Metallen wird die Möglichkeit der Ermittlung einer Materialzusammensetzung unter Berücksichtigung insbesondere der Einstechdauer und der Materialdickebesonders deutlich: Reine Metalle weisen Unterschiede in den physikalischen Eigenschaften, beispielsweise Unterschiede in den Schmelztemperaturen von ca. 2800°C, auf. Magnesium schmilzt bei 648,8°C, während Cer bei 3468°C schmilzt. Metalllegierungen weisen wiederum spezifische Schmelzpunkte aus. Veränderte Zusammensetzungen, beispielsweise ein veränderter Kohlenstoffgehalt oder Verunreinigungen, ändern den Schmelzpunkt. Die Differenz der Temperaturen der reinen Metalle (wie oben erwähnt bis zu ca. 2800°C) ist derart groß, dass selbst geringfügig veränderte Legierungszusammensetzungen unterschiedliche Schmelzpunkte aufweisen. Die Schmelztemperatur definiert dabei klar ein bestimmtes Material. Wenn das Material mit Laserstrahlung 3 am Schmelzpunkt erhitzt wird, führt dies zu einem Durchstoß des Lasers durch das Material. Dies bedeutet, dass bekannte Bearbeitungsparameter (insbesondere die ermittelte Einstechdauer und Materialdicke) Rückschlüsse auf die Materialzusammensetzung des Werkstücks 2 zulassen.
Wird auf diese Weise die Materialzusammensetzung eines Werkstücks 2 automatisch ermittelt, so können Bearbeitungsparameter mittels der Steuerungseinrichtung 18 in Schritt 30 aufgerufen werden, um das Werkstück 2 mittels der Laserschneidmaschine 1 mit auf das Material des Werkstücks 2 angepassten optimalen Schneidparametern zu bearbeiten.
Umgekehrt wäre auch denkbar, beispielsweise bei bekannter Materialzusammensetzung anhand der gemessenen Einstechdauer über das Korrelationsmodell auf eine Werkstückdicke d zu schließen.
Denkbar wärein einem einfachen Fall auch, dass zunächst wenigstens ein Werkstück mit bekannter Materialzusammesetzung und bekannter Dicke durchstochen wird und die Einstechdauer t_e,D bis zum Durchstoß ermittelt wird. Dabei können mehrere Messungen durchgeführt werden, um einen Mittelwert inklusive einer Standardabweichung/Varianz zu ermitteln. Dieser bekannte Materialwert kann sodann in einem Datensatz gespeichert werden. Bei nachfolgenden Messungen kann folglich auch direkt über die Einstechdauer t_e,D eine Abweichung der Materialzusammensetzung des Werkstücks 2 von einer Soll-Materialzusammensetzung ermittelt werden und damit ein Materialfehler erkannt werden.
In diesem Zusammenhang kann beispielsweise auch die Qualität eines Werkstücks 2 ermittelt werden bzw. das Vorhandensein von Verunreinigungen im Werkstück 2 ermittelt werden. Eine andere Materialzusammensetzung des Werkstücks 2 als erwartet führt nämlich zu einer Änderung in der Einstechdauer t_e,D. Auch dabei können wiederum mehrere Messungen am Werkstück 2 vorgenommen werden, um einen Mittelwert mit einer Standardabweichung/Varianz zuverlässig zu ermitteln. Wird eine Abweichung in der Materialzusammensetzung ermittelt, so kann das Werkstück 2 entweder aussortiert werden oder eine Anpassung der Schneidparameter an die veränderte Materialzusammensetzung durchgeführt werden.
Insgesamt kann mittels der Erfindung über ein Korrelationsmodell aus einer gemessenen Einstechdauer (bei bekannten Parametern, wie beispielsweise bekannter Werkstückdicke) auf einen unbekannten Parameter, insbesondere eine Materialzusammensetzung des vermessenen Werkstücks 2 geschlossen werden.
Somit kann insbesondere eine Materialzusammensetzung eines Werkstücks 2 einfach und kostengünstig automatisch mittels der Laserbearbeitungsmaschine 1 ermittelt werden. Dadurch können die Parameter zum Laserschneiden spezifisch auf das ermittelte Material des Werkstücks angepasst werden. Weiterhin kann eine Materialverwechslung oder eine Abweichung in der Materialqualität von einem Sollwert ermittelt werden, so dass insgesamt die Bearbeitungsqualität sowie die Wahrscheinlichkeit von Folgeschäden und Folgekosten reduziert werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010028270 A1 [0003]
DE 3918618 A1 [0003]
DE 102010028179 A1 [0023]

Claims

Verfahren zur Ermittlung einer Materialeigenschaft eines mittels einer Laserbearbeitungsmaschine (1) zu bearbeitenden, insbesondere plattenförmigen, Werkstücks (2) und/oder einer Maschineneigenschaft der Laserbearbeitungsmaschine (1), wobei mit einem mittels der Laserbearbeitungsmaschine (1) erzeugten Laserstrahl (3) in das Werkstück (2) eingestochen wird, wobei an einem Durchstichzeitpunkt eine Messgröße erfasst wird, und wobei über eine Korrelation zwischen der Messgröße und der Materialeigenschaft bzw. der Maschineneigenschaft die Materialeigenschaft bzw. die Maschineneigenschaft ermitteln wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Messgröße die Einstechdauer (t_e) der Lasereinstrahlung auf das Werkstück (2) ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Laserintensität des eingestrahlten Laserstrahls (3) über die Dauer der Lasereinstrahlung erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Laserintensität über die Zeit linear erhöht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Messgröße die Laserintensität und/oder eine die Laserintensität charakterisierende Messgröße am Durchstichzeitpunkt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Messgröße die Temperatur am Durchstichzeitpunkt und/oder der Energieeintrag des Laserstrahls (3) am Durchstichzeitpunkt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mehrere Einstiche durchgeführt werden, und wobei eine Standardabweichung und/oder eine Varianz der erhaltenen Messgröße ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens zwei Einstiche durchgeführt werden, und wobei die Differenz der ermittelten Messgrößen zweier Messungen ermittelt wird, und darauf basierend eine Aktion ausgelöst wird, wenn die Differenz einen Grenzwert überschreitet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Durchstichzeitpunkt durch Erfassung von emittiertem bzw. reflektiertem Licht des Werkstücks (2) ermittelt wird.
Verfahren zum Bearbeiten eines, insbesondere plattenförmigen, Werkstücks (2), das Verfahren umfassend die folgenden Schritte: a. Durchführen des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Ermittlung einer Materialeigenschaft des Werkstücks (2); und b. Aufrufen und Einstellen von wenigstens einem Bearbeitungsparameter der Laserbearbeitungsmaschine basierend auf der ermittelten Materialeigenschaft, um das Werkstück (2) mittels Laserstrahlung (3) zu bearbeiten.
Verfahren zur Kontrolle eines, insbesondere plattenförmigen, Werkstücks, das Verfahren umfassend die folgenden Schritte: a. Durchführen des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Ermittlung einer Materialeigenschaft des Werkstücks (2); und b. Vergleichen der erfassten Messgröße mit einem Referenzwert.
Verfahren nach Anspruch 11, umfassend den weiteren Schritt: c. Auslösen einer Aktion, insbesondere einer Maschinenwartung, wenn die Differenz zwischen der erfassten Messgröße und dem Referenzwert einen Grenzwert überschreitet.
Steuerungseinrichtung (18), ausgebildet und eingerichtet zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Laserbearbeitungsmaschine (1), umfassend eine Steuerungseinrichtung (18) nach Anspruch 13.