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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserschneiden eines Werkstücks mit einer Dicke von weniger als 6 mm. Die Erfindung betrifft ferner eine Laserschneidanlage zum Laserschneiden eines, insbesondere dreidimensional geformten, blechförmigen Werkstücks entlang einer dreidimensionalen Schnittlinie.
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Mit zunehmend kleineren Fokusdurchmessern kann beim Laserschneiden bei identischer Laserleistung der Vorschub (die Schneidgeschwindigkeit) gesteigert werden. Begrenzt wird dies allerdings dadurch, dass bei zu kleinem Fokus die Schnittqualität inakzeptabel wird. Insbesondere tritt eine Gratbildung auf. Verursacht wird diese Gratbildung dadurch, dass mit kleiner werdendem Schnittspalt immer weniger Schneidgas in den Schnittspalt eindringt und so der Austrieb der Schmelze nicht gewährleistet ist.
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Aus diesem Grund bestand in den letzten Jahren vor allem das Bestreben, beim Schneiden zunehmend dickerer Werkstücke mit Festkörperlasern die Strahleigenschaften zu beeinflussen und insbesondere den Fokusdurchmesser zu vergrößern, um breitere Schnittspalte zu erzeugen und den Austrieb der Schmelze zu verbessern.
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So wurde beispielsweise in
WO2011124671A1 ,
WO2013000942A1 ,
WO2014060091A1 ,
US20180188544A1 oder
WO2018104575A1 beschrieben, die Strahlqualität und damit die Fokussierbarkeit eines Festkörperlaserstrahls durch Einkopplung des Strahls in unterschiedliche Kerne einer Mehrfachkernfaser zu beeinflussen, um unterschiedliche, insbesondere unterschiedlich dicke, Werkstücke schneiden zu können.
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Außerdem wurde beispielsweise in
DE60206184T2 oder
JP2000005892A vorgeschlagen, beim Laserschneiden den Laserstrahl mit Hilfe transmissiver oder reflektiver optischer Elemente in mehrere Teilstrahlen zu unterteilen, die in mehreren Fokuspunkten in Strahlausbreitungsrichtung versetzt im Werkstück fokussiert werden. Ziel ist es ebenfalls, möglichst dicke Werkstücke schneiden zu können.
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Aufgabe der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Laserschneidverfahren für dünne Werkstücke mit einer Dicke von weniger als 6 mm anzugeben, bei dem hohe Schneidgeschwindigkeiten und eine gute Schnittqualität vereint werden. Es ist ferner eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Laserschneidanlage zum rationellen Laserschneiden von Werkstücken mit einer Dicke von weniger als 6 mm mit guter Schnittqualität anzugeben, die sich insbesondere für das Schneiden dreidimensional geformter Bleche eignet.
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Beschreibung der Erfindung
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Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Laserschneidanlage gemäß Anspruch 15. In den Unteransprüchen und der Beschreibung sind vorteilhafte Varianten bzw. Ausführungsformen angegeben.
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Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zum Laserschneiden eines Werkstücks mit einer Dicke von weniger als 6 mm vorgesehen. Werkstücke mit einer solchen Dicke werden oft auf 3D-Laserschneidanlagen geschnitten und beispielsweise im Karosseriebau eingesetzt. Vorzugsweise wird das Werkstück entlang einer dreidimensional verlaufenden Schnittlinie geschnitten. Das Laserschneiden erfolgt vorzugsweise durch Laserschmelzschneiden. Beim Laserschmelzschneiden wird zur Ausbildung eines Schnittspalts der Werkstoff des Werkstücks aufgeschmolzen und in flüssiger Form aus dem Schnittspalt ausgeblasen. Das Werkstück kann ein Blech sein, insbesondere ein dreidimensional geformtes Blech. Das Werkstück besteht vorzugsweise aus einem metallischen und/oder elektrisch leitfähigen Werkstoff. Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise mit einer unten beschriebenen, erfindungsgemäßen Laserschneidanlage durchgeführt.
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Bei dem erfindungsgemäßen Laserschneidverfahren werden ein erster Laserstrahl, ein zweiter Laserstrahl und ein Gasstrahl auf eine Eintrittsoberfläche des Werkstücks gerichtet. Die beiden Laserstrahlen und der Gasstrahl bewirken ein Schmelzen und Entfernen von Material von dem Werkstück, sodass ein Schnittspalt ausgebildet wird. Die Eintrittsoberfläche ist diejenige Oberfläche des Werkstücks, auf welche die Strahlen auftreffen. Nach Ausbildung des Schnittspalts treten Anteile der Strahlen typischerweise an der gegenüberliegenden Austrittsoberfläche aus dem Werkstück aus. Typischerweise sind der erste und der zweite Laserstrahl jeweils durch einen einzigen Laserstrahl gebildet. Alternativ können jedoch der erste und/oder insbesondere der zweite Laserstrahl jeweils aus mehreren Teilstrahlen bestehen. Die beiden Laserstrahlen können mit einer gemeinsamen Laserlichtquelle erzeugt und durch einen Strahlteiler voneinander getrennt werden. Alternativ kann jeder der beiden Laserstrahlen mit einer separaten Laserlichtquelle erzeugt werden. Das in dem Gasstrahl auf die Eintrittsoberfläche gerichtete bzw. in den Schnittspalt eingeblasene Schneidgas kann beispielsweise Stickstoff oder Druckluft sein. In Sonderfällen kann das Schneidgas auch Argon sein.
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Die Laserstrahlen überlappen einander am Werkstück zumindest teilweise. Mit anderen Worten erfassen die beiden Laserstrahlen an der Oberfläche oder im Volumen des Werkstücks bzw. im Schnittspalt zur selben Zeit jeweils einen gemeinsamen Bereich. Vorzugsweise verläuft der erste Laserstrahl im Bereich des Werkstücks vollständig innerhalb des zweiten Laserstrahls. Insbesondere können die beiden Laserstrahlen zu einem Gesamtlaserstrahl überlagert werden.
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Der erste Laserstrahl weist einen kleineren Fokusdurchmesser auf als der zweite Laserstrahl. Das Strahlparameterprodukt des ersten Laserstrahls beträgt erfindungsgemäß höchstens 5 mm*mrad. Bevorzugt beträgt das Strahlparameterprodukt des ersten Laserstrahls höchstens 3 mm*mrad und besonders bevorzugt höchstens 2 mm*mrad. Die hohe Strahlqualität des ersten Laserstrahls ermöglicht besonders große Schneidgeschwindigkeiten. Mit anderen Worten kann bei einem kleinen Strahlparameterprodukt, d.h. hoher Strahlqualität, des ersten Laserstrahls die Produktivität des erfindungsgemäßen Verfahrens gesteigert werden. Das Strahlparameterprodukt ist definiert als das Produkt des halben Öffnungswinkels des Laserstrahls im Fernfeld und des Radius des Laserstrahls an seiner dünnsten Stelle, d. h. des halben Fokusdurchmessers.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass ein Leistungsanteil des zweiten Laserstrahls an der Gesamtlaserleistung weniger als 20 % beträgt. Die Gesamtlaserleistung ist die Summe der Laserleistungen des ersten und des zweiten Laserstrahls. Mit anderen Worten beträgt der Leistungsanteil des ersten Laserstrahls an der Gesamtlaserleistung wenigstens 80 %. Der Leistungsanteil des zweiten Laserstrahls an der Gesamtlaserleistung ist größer null. Typischerweise beträgt der Leistungsanteil des zweiten Laserstrahls an der Gesamtlaserleistung wenigstens 2 %, vorzugsweise wenigstens 3 %. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass bei dünnen Werkstücken mit einer Dicke von unter 6 mm eine hohe Strahlqualität und ein kleiner Fokusdurchmesser des eigentlichen Schneidstrahls (des ersten Laserstrahls) es ermöglichen, die Schneidgeschwindigkeit (und damit die Produktivität) zu erhöhen und gleichzeitig eine gute Qualität der Schnittflanken am Schnittspalt zu erhalten, wenn ein gewisser Teil der Gesamtlaserleistung mit einem größeren Durchmesser (d. h. über den zweiten Laserstrahl) auf das Werkstück fokussiert wird. Die Gesamtlaserleistung kann wenigstens 1 kW, vorzugsweise wenigstens 2 kW betragen.
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Durch den den ersten Laserstrahl (den eigentlichen Schneidstrahl) umgebenden zweiten Laserstrahl geringerer Leistung wird die Einkoppeleffizienz des Schneidgases aus dem Gasstrahl in den Schnittspalt verbessert. Die Verfahrensparameter sind erfindungsgemäß so gewählt, dass der Schnittspalt geometrisch derart geformt wird, dass strömungstechnisch günstige Bedingungen für das Schneidgas entstehen. Erfindungsgemäß wird hierzu der Schnittspalt mit einer gebrochenen Schnittkante an der Eintrittsoberfläche des Werkstücks ausgebildet. Unter einer gebrochenen Schnittkante wird insbesondere eine Schnittkante mit einer Abtragung, d. h. eine abgerundete oder gefaste Schnittkante, verstanden. Das gemeinsame Intensitätsprofil der sich überlappenden Laserstrahlen ist so gestaltet, dass der Schnittspalt an der Eintrittsoberfläche trichterförmig ausgebildet wird. Der Trichter bildet einen Einlaufradius oder eine Einlaufschräge an den Schnittflanken des Schnittspalts. Der Trichter ermöglicht es, dass das Schneidgas mit geringem Widerstand in den Schnittspalt einströmen kann. Es tritt an der gebrochenen Schnittkante ein deutlich geringerer Druckverlust durch Stöße sowie Turbulenzen auf als an einer eckigen, rechtwinkligen (scharfkantigen) Kante.
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Vorzugsweise ist die Schnittkante abgerundet ausgebildet. Ein Radius der Schnittkante kann wenigstens 20 µm, bevorzugt wenigstens 25 µm, und/oder höchstens 100 µm, bevorzugt höchstens 60 µm, besonders bevorzugt höchstens 35 µm betragen. Ganz besonders bevorzugt beträgt der Radius 30 µm. Bei diesen Werten für den Radius ergeben sich besonders vorteilhafte Bedingungen für das Einströmen des Schneidgases.
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Die Verfahrensparameter werden so gewählt, dass einerseits eine möglichst hohe Schneidgeschwindigkeit (Produktivität) und andererseits eine gute Schnittqualität erreicht werden. Einerseits soll die Leistung eigentlichen Schneidstrahls (des ersten Laserstrahls) mit geringerem Strahldurchmesser und hoher Strahlqualität groß genug sein, um eine hohe Schneidgeschwindigkeit zu erreichen. Andererseits muss die Leistung des Teilstrahls mit größerem Strahldurchmesser (des zweiten Laserstrahls) ausreichend hoch sein, sodass sich die Abtragung an der Schnittkante des Schnittspalts bildet. Der Leistungsanteil des äußeren, zweiten Laserstrahls wird hierzu vorteilhafterweise in Abhängigkeit von der Dicke des Werkstücks gewählt.
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Die Dicke des Werkstücks kann weniger als 5 mm und vorzugsweise mehr als 3 mm betragen. Insbesondere kann die Dicke 4 mm betragen. Der Leistungsanteil des zweiten Laserstrahls an der Gesamtlaserleistung beträgt dann vorzugsweise weniger als 15 %.
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Die Dicke des Werkstücks kann weniger als 3 mm und vorzugsweise mehr als 1 mm betragen. Insbesondere kann die Dicke 2 mm betragen. Der Leistungsanteil des zweiten Laserstrahls an der Gesamtlaserleistung beträgt dann vorzugsweise weniger als 7 %, insbesondere 5 %.
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Mit den vorgenannten Werten wird ein guter Kompromiss zwischen dem Erweitern des Schnittspalteinlaufs (durch die Abtragung der Schnittkante an der Eintrittsoberfläche) und einer möglichst hohen Produktivität, d. h. Schneidgeschwindigkeit, erreicht.
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Der Fokuspunkt des ersten Laserstrahls kann in Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlen vor dem Fokuspunkt des zweiten Laserstrahls liegen. Der Fokuspunkt des ersten Laserstrahls kann innerhalb des Werkstücks, vorzugsweise in der der Eintrittsoberfläche näheren Werkstückhälfte, oder außerhalb des Werkstücks liegen. Der Fokuspunkt des zweiten Laserstrahls liegt dann tiefer im Werkstück bzw. näher an der Eintrittsoberfläche. Vorzugsweise liegt der Fokuspunkt des (leistungsstarken) ersten Laserstrahls im Bereich der Werkstückoberfläche. Insbesondere kann ein Abstand des Fokuspunkts des ersten Laserstrahls von der Eintrittsoberfläche weniger als 30 %, vorzugsweise weniger als 15 %, der Dicke des Werkstücks betragen. Ein Abstand zwischen den Fokuspunkten der beiden Laserstrahlen beträgt vorzugsweise höchstens 2 mm, insbesondere höchstens 1 mm und typischerweise zwischen 0,5 und 0,7 mm.
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Ein Abstand des Fokuspunkts des zweiten Laserstrahls von der Eintrittsoberfläche des Werkstücks kann höchstens das Doppelte der Rayleigh-Länge des zweiten Laserstrahls betragen. Die Rayleigh-Länge ist definiert als der Quotient aus dem Produkt des Brechungsindex des Ausbreitungsmediums, der Kreiszahl Pi und dem Quadrat des Radius des Laserstrahls im Fokuspunkt als Dividend und der Vakuumwellenlänge des Laserlichts als Divisor.
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Der Fokusdurchmesser des zweiten Laserstrahls kann wenigstens das Doppelte, vorzugsweise wenigstens das Dreifache, und/oder höchstens das Fünffache, vorzugsweise höchstens das Vierfache, des Fokusdurchmessers des ersten Laserstrahls betragen. Insbesondere kann der Fokusdurchmesser des ersten Laserstrahls wenigstens 50 µm, vorzugsweise wenigstens 80 µm, und/oder höchstens 300 µm, vorzugsweise höchstens 150 µm, betragen. Diese Wertebereiche haben sich für unterschiedliche Werkstückdicken bis 6 mm bewährt.
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Die Ausbreitungsachsen der beiden Laserstrahlen können gegeneinander geneigt oder vorzugsweise parallel zueinander sein. Vorteilhafterweise fallen die Ausbreitungsachsen zusammen.
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Die Divergenzen des ersten und zweiten Laserstrahls im Fernfeld können gleich groß sein oder sich um maximal ΔΘ = 100 mrad unterscheiden. Dadurch wird eine einfache Auslegung des optischen Systems zur Führung und Fokussierung der Laserstrahlen ermöglicht, die zur Prozesssicherheit des Verfahrens beiträgt.
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Die beiden Laserstrahlen können exzentrisch zueinander überlagert werden. Vorteilhafterweise werden die beiden Laserstrahlen jedoch konzentrisch zueinander überlagert. Auf diese Weise kann in alle Richtungen geschnitten werden, ohne dass die Orientierung der beiden Laserstrahlen auf die Schnittrichtung angepasst werden muss, beispielsweise durch ein Drehen einer Optik in einem Schneidkopf.
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Es kann vorgesehen sein, dass die beiden Laserstrahlen aus einer Mehrkernfaser mit einem ersten Faserkern für den ersten Laserstrahl und einem zweiten Faserkern für den zweiten Laserstrahl austreten. Die Mehrkernfaser kann parallel zueinander verlaufende Fasern aufweisen. Vorzugsweise umgibt der zweite Faserkern den ersten Faserkern. Mit anderen Worten ist der erste Faserkern radial innerhalb des zweiten Faserkerns angeordnet. Der zweite Faserkern ist mithin als eine Ringfaser ausgebildet. Insbesondere können der erste und der zweite Faserkern konzentrisch zueinander sein.
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Der erste Faserkern, aus dem der erste Laserstrahl austritt, kann einen Durchmesser von höchstens 100 µm, vorzugsweise höchstens 50 µm, aufweisen. Der zweite Faserkern, aus dem der zweite Laserstrahl austritt, kann einen Durchmesser von höchstens 300 µm, vorzugsweise höchstens 200 µm, aufweisen.
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Der Gasstrahl des Schneidgases kann aus einer konischen Düse mit rundem oder ovalem Öffnungsdurchmesser, einer Nebenstromdüse oder einer Laval-Düse austreten. Ein Gasdruck, insbesondere ein dynamischer Gasdruck, des Gasstroms nach dem Austritt aus der Düse kann wenigstens 16 bar, vorzugsweise wenigstens 18 bar, und/oder höchstens 24 bar, vorzugsweise höchstens 22 bar, betragen. Mit einem solchen Gasdruck kann das Material des Werkstücks zuverlässig aus dem Schnittspalt ausgeblasen werden, insbesondere ohne dass an der Austrittsoberfläche ein Grat entsteht.
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In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt ferner eine Laserschneidanlage zum Laserschneiden eines, insbesondere dreidimensional geformten, blechförmigen Werkstücks entlang einer, insbesondere dreidimensionalen, Schnittlinie. Die Laserschneidanlage ist vorzugsweise eine Laserschmelzschneidanlage zum Laserschmelzschneiden. Die Laserschneidanlage ist vorteilhafterweise zum Durchführen des oben beschriebenen, erfindungsgemäßen Laserschneidverfahrens eingerichtet. Insbesondere können oben beschriebene gegenständliche Merkmale bei der erfindungsgemäßen Laserschneidanlage vorgesehen sein. Die Laserschneidanlage kann dazu eingerichtet sein, den ersten Laserstrahl, den zweiten Laserstrahl und/oder den Gasstrahl mit oben beschriebenen Parametern zu erzeugen und in der oben beschriebenen Weise auf das Werkstück zu richten.
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Die Laserschneidanlage weist eine Laserlichtquelleneinrichtung zum Überlagern eines ersten Laserstrahls und eines zweiten Laserstrahls in einer Schneidzone auf. Der erste Laserstrahl weist einen kleineren Strahldurchmesser und einen kleineren Fokusdurchmesser als der zweite Laserstrahl auf. Das Strahlparameterprodukt des ersten Laserstrahls beträgt höchstens 5 mm*mrad, vorzugsweise höchstens 3 mm*mrad. Ein Leistungsanteil des zweiten Laserstrahls an der Gesamtlaserleistung beträgt weniger als 20 %. Die Laserlichtquelleneinrichtung kann eine Optik zum Fokussieren der beiden Laserstrahlen in der Schneidzone aufweisen.
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Die Laserschneidanlage weist ferner eine Düse zum Richten eines Gasstrahls auf die Schneidzone auf. Der Gasstrahl stellt Schneidgas, beispielsweise Stickstoff, Druckluft oder Argon, zum Ausblasen von Material des Werkstücks aus dem beim Laserschneiden entstehenden Schnittspalt bereit. Die beiden Laserstrahlen treten typischerweise durch die Düse aus.
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Die Laserschneidanlage weist weiterhin eine Bewegungseinrichtung zum Bewegen der Schneidzone relativ zu dem Werkstück entlang der dreidimensionalen Schnittlinie auf. Die Laserschneidanlage kann eine feststehend an der Laserschneidanlage, insbesondere an einem Maschinenbett der Laserschneidanlage, angeordnete Werkstückaufnahme aufweisen. Eine Optik der Laserlichtquelleneinrichtung oder die gesamte Laserlichtquelleneinrichtung und die Düse können translatorisch und/oder rotatorisch verschiebbar bzw. drehbar sein, insbesondere relativ zu dem Maschinenbett. Alternativ kann die Werkstückaufnahme bewegbar an einem Maschinenbett der Laserschneidanlage angeordnet sein. Die Optik bzw. die Laserlichtquelleneinrichtung und die Düse können dann feststehend an der Laserschneidanlage angeordnet sein. Es ist auch denkbar, einige Freiheitsgrade der Relativbewegung durch eine Bewegbarkeit der Werkstückaufnahme, beispielsweise in einer oder mehreren translatorischen Richtungen, und andere Freiheitsgrade durch eine Bewegbarkeit der Optik bzw. der Laserlichtquelleneinrichtung und der Düse, insbesondere durch Drehbarkeit um eine oder mehrere Achsen, einzurichten.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Erfindungsgemäß können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen, zweckmäßigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
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Figurenliste
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Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
- 1a eine erfindungsgemäße Laserschneidanlage während der Durchführung eines erfindungsgemäßen Laserschneidverfahrens mit Überlagerung eines ersten und eines zweiten Laserstrahls, die aus einer gemeinsamen Mehrkernfaser austreten und einander in einer Schneidzone am Werkstück überlappen, in einer schematischen Seitenansicht;
- 1b eine schematische Querschnittsansicht durch die Mehrkernfaser der Laserschneidanlage von 1a, wobei zu erkennen ist, dass ein erster Faserkern für den ersten Laserstrahl konzentrisch innerhalb eines zweiten Faserkerns für den zweiten Laserstrahl angeordnet ist;
- 2 ein schematisches Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Laserstrahlverfahrens;
- 3a eine schematische Darstellung des Strahlverlaufs des ersten und des zweiten Laserstrahls bei einem erfindungsgemäßen Laserschneidverfahren;
- 3b eine schematische Darstellung des Strahlverlaufs des ersten und des zweiten Laserstrahls beim Austritt aus einer Mehrkernfaser mit zwei konzentrischen Faserkernen bei einem erfindungsgemäßen Laserschneidverfahren;
- 4a ein Werkstück während des Einbringens eines Schnittspalts im Rahmen eines erfindungsgemäßen Laserschneidverfahrens, wobei die beiden Laserstrahlen und ein aus einer Düse austretender Gasstrahl auf eine Eintrittsoberfläche des Werkstücks gerichtet sind, in einer schematischen Perspektivansicht;
- 4b eine schematische Querschnittsansicht durch das Werkstück von 4a im Bereich des Schnittspalts, der abgerundete Schnittkanten an der Eintrittsoberfläche aufweist;
- 4c eine alternative Ausbildung von Schnittkanten an einem Schnittspalt mit Fasen zwischen Schnittflanken und der Eintrittsoberfläche bei einer Variante des erfindungsgemäßen Laserschneidverfahrens, in einer schematischen Querschnittsansicht;
- 5 einen schematischen Querschnitt durch ein Werkstück mit einem Schnittspalt, der durch ein Laserschneidverfahren nach dem Stand der Technik erzeugt wurde;
- 6a, 6b weitere erfindungsgemäße Laserschneidanlagen während der Durchführung eines erfindungsgemäßen Laserschneidverfahrens mit Überlagerung eines ersten und eines zweiten Laserstrahls, die in separaten Laserlichtquellen erzeugt werden und die in unterschiedlichen Tiefen in einem Werkstück fokussiert werden, in schematischen Ansichten;
- 7a ein Diagramm von bei einem erfindungsgemäßen Laserschneidverfahren experimentell ermittelten Schneidgeschwindigkeiten, bei denen noch eine gute Schnittkantenqualität erhalten wird, in Abhängigkeit von der Fokuslage des ersten Laserstrahls relativ zu der Eintrittsoberfläche bei einem Leistungsanteil des zweiten Laserstrahls an der Gesamtlaserleistung von 10 %;
- 7b ein Diagramm wie in 7a, jedoch bei einem Leistungsanteil des zweiten Laserstrahls an der Gesamtlaserleistung von 5 %.
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1a zeigt schematisch eine Laserschneidanlage 10 während der Durchführung eines Laserschneidverfahrens, hier eines Laserschmelzschneidverfahrens. Bei dem Laserschneidverfahren wird ein Schnittspalt 12 (vergleiche 4a, auf welche nachfolgend ergänzend Bezug genommen wird) in ein Werkstück 14 eingebracht. Das Werkstück 14 ist blechförmig ausgebildet und weist eine Dicke 16 von weniger als 6 mm auf. Die Dicke 16 beträgt hier beispielhaft 2 mm. Das Werkstück 14 kann zumindest bereichsweise in nicht näher dargestellter Weise dreidimensional gekrümmt sein.
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Um den Schnittspalt 12 in dem Werkstück 14 zu erzeugen, werden ein erster Laserstrahl 18, ein zweiter Laserstrahl 20 und ein Gasstrahl 22 auf eine Eintrittsoberfläche 24 des Werkstücks 14 gerichtet. Die beiden Laserstrahlen 18, 20 und typischerweise auch der Gasstrahl 22 überlappen einander dabei in einer Schneidzone 26. Beim Laserschmelzschneiden wird das Material des Werkstücks 14 in der Schneidzone 26 verflüssigt und unter Ausbildung des Schnittspalts 12 von dem Gasstrahl 22 ausgetrieben.
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Das grundsätzliche Vorgehen bei dem Laserschneidverfahren ist in dem Ablaufdiagramm von 2 dargestellt. In einem Schritt 102 wird der erste Laserstrahl 18 erzeugt und auf die Eintrittsoberfläche 24 des Werkstücks 14 gerichtet. In einem Schritt 104 wird der zweite Laserstrahl 20 erzeugt und auf die Eintrittsoberfläche 24 des Werkstücks 14 gerichtet. In einem Schnitt 106 wird der Gasstrahl 22 erzeugt und auf die Eintrittsoberfläche für 20 des Werkstücks 14 gerichtet. Der Gasstrahl 22 sowie die beiden Laserstrahlen 18, 20 können dabei aus einer Düse 27 austreten. Die beiden Laserstrahlen 18, 20 und der Gasstrahl 22 überlappen einander in der Schneidzone 26. Durch die beiden Laserstrahlen 18, 20 und den Gasstrahl 22 wird in einem Schritt 108 der Schnittspalt 12 in dem Werkstück 14 erzeugt..Die Schritte 102, 104, 106 und der sich aus diesen Schritten ergebende Schritt 108 werden grundsätzlich gleichzeitig durchgeführt. Der Abstand 70 der Düse 27 zur Eintrittsoberfläche 24 des Werkstücks 14 kann beispielsweise 2 mm betragen, der Abstand kann aber auch größer oder kleiner sein. Ein dynamischer Gasdruck des aus der Düse 27 austretenden Schneidgases kann beispielsweise 20 bar betragen.
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Die beiden Laserstrahlen 18, 20 werden von einer Laserlichtquelleneinrichtung 28 erzeugt, vergleiche 1a. Die Laserlichtquelleneinrichtung 28 weist hier eine (einzige) Laserlichtquelle 30, beispielsweise einen Festkörperlaser, auf. Die Laserlichtquelle 30 sendet einen (einzigen) Ausgangslaserstrahl 32 aus. In einem Strahlteiler 34 wird der Ausgangslaserstrahl 32 in den ersten Laserstrahl 18 und den zweiten Laserstrahl 20 aufgeteilt. Die beiden Laserstrahlen 18, 20 werden mit einer Mehrkernfaser 36 zu einer Optik 38 eines nicht näher dargestellten Schneidkopfs der Laserschneidanlage 10 geführt.
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Die Mehrkernfaser 36 weist einen ersten Faserkern 40 für den ersten Laserstrahl 18 und einen zweiten Faserkern 42 für den zweiten Laserstrahl 20 auf, vergleiche auch 1b. Der zweite Faserkern 42 ist hier als eine Ringfaser ausgebildet, welche den ersten Faserkern 40 umlaufend umgibt. Der erste und der zweite Faserkern 40, 42 können konzentrisch zueinander angeordnet sein. Ein Durchmesser 44 des ersten Faserkerns 40 kann 40 µm betragen. Ein Durchmesser 46 des zweiten Faserkerns 42 kann 150 µm betragen. Zwischen den Faserkernen 40, 42 kann ein (nicht gezeigtes) Zwischencladding angeordnet sein, das einen geringeren Brechungsindex aufweist als die Faserkerne 40, 42.
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In den 3a und 3b ist der Verlauf der beiden Laserstrahlen 18, 20 schematisch dargestellt. 3a zeigt den Strahlverlauf im Bereich des Werkstücks 14. Die Ordinate z entspricht dabei der Ausbreitungsrichtung der beiden Laserstrahlen 18, 20. Die Fokuspunkte der beiden Laserstrahlen 18, 20 liegen hier beispielhaft bei z = 0. Grundsätzlich können die Fokuspunkte der beiden Laserstrahlen 18, 20 in der Ausbreitungsrichtung gegeneinander versetzt sein. Die Abszisse x entspricht dem Radius der Laserstrahlen 18, 20 an der jeweiligen Position entlang ihrer Ausbreitungsachse 48. Vorliegend verlaufen die beiden Laserstrahlen 18, 20 konzentrisch zueinander.
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Ein Strahldurchmesser 50 des ersten Laserstrahls 18 ist im Bereich des zu schneidenden Werkstücks 14 kleiner als ein Strahldurchmesser 52 des zweiten Laserstrahls 20. Insbesondere ist ein Fokusdurchmesser 54 des ersten Laserstrahls 18 kleiner als ein Fokusdurchmesser 56 des zweiten Laserstrahl 20. Der Fokusdurchmesser 56 des zweiten Laserstrahls 20 kann 3,5-mal so groß sein wie der Fokusdurchmesser 54 des ersten Laserstrahls 18. Das Strahlparameterprodukt des ersten Laserstrahls 18 beträgt weniger als 5 mm*mrad, hier beispielsweise 2 mm*mrad.
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3b zeigt den Verlauf und die Divergenz Θ1, Θ2 der beiden Laserstrahlen 18, 20 ausgehend vom Ende der Mehrkernfaser 36. Die Divergenz Θ1 des ersten Laserstrahls 18 und die Divergenz Θ2 des zweiten Laserstrahls 20 nähern sich asymptotisch an und sind im Fernfeld gleich groß, ebenso wie die Strahldurchmesser 50, 52 der beiden Laserstrahlen 18, 20.
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Ein Leistungsanteil des zweiten Laserstrahls 20 an der Gesamtlaserleistung (der Summe der Laserleistungen der beiden Laserstrahlen 18, 20) beträgt weniger als 20 %. Bei einer Dicke 16 des Werkstücks 14 von 2 mm kann der Leistungsanteil des zweiten Laserstrahls 20 beispielsweise 5 % betragen.
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Mit der zuvor beschriebenen Ausgestaltung des Laserschneidverfahrens wird erreicht, dass Schnittkanten 58 des Schnittspalts 12 an der Eintrittsoberfläche 24 gebrochen ausgebildet werden, vergleiche 4a. Mit anderen Worten wird beim erfindungsgemäßen Laserschneidverfahren erreicht, dass Schnittflanken 60 des Schnittspalts 12 und die Eintrittsoberfläche 24 nicht scharfkantig aneinander grenzen, sondern dass im Bereich der Schnittkanten 58 eine Abtragung ausgebildet wird. Dies verbessert die Einströmverhältnisse für das Schneidgas des Gasstrahls 22 in den Schnittspalt 12. Dadurch kann insbesondere eine Gratbildung an einer der Eintrittsoberfläche 24 gegenüberliegenden Austrittsoberfläche 62 des Werkstücks 14 vermieden werden.
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Demgegenüber werden bei Laserschneidverfahren nach dem Stand der Technik Schnittkanten 58' eines Schnittspalts 12' an einer Eintrittsoberfläche 24' eines Werkstücks 14' scharfkantig ausgebildet, vergleiche 5. Dadurch gelangt weniger Schneidgas in den Schnittspalt 12' und die Schnittqualität bzw. die mögliche Schneidgeschwindigkeit bleiben gegenüber dem erfindungsgemäßen Laserschneidverfahren geringer.
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In 4b ist dargestellt, dass die Schnittkanten 58 bei dem erfindungsgemäßen Laserschneidverfahren abgerundet ausgebildet werden können. Für besonders vorteilhafte Einströmverhältnisse für das Schneidgas des Gasstrahls 22 kann ein Radius 64 der Schnittkanten 58 30 µm betragen.
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4c zeigt, dass die Abtragung an den Schnittkanten 58 auch als eine Fase ausgebildet sein kann. Eine Höhe bzw. Breite der Fasen kann wenigstens 20 µm, bevorzugt wenigstens 25 µm, und/oder höchstens 100 µm, bevorzugt höchstens 60 µm, ganz besonders bevorzugt höchstens 35 µm, betragen. Die Höhe und Breite der Fasen kann beispielsweise 30 µm betragen.
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Um den Schnittspalt 12 entlang einer, insbesondere dreidimensionalen, Schnittlinie voranzutreiben, wird die Schnittzone 26 gegenüber dem Werkstück 14 bewegt. Die Laserschneidanlage 10 kann hierzu eine Bewegungseinrichtung 66 aufweisen, vergleiche 1a. Die Bewegungseinrichtung 66 kann eine gegenüber einem feststehenden Maschinenbett verschiebbare Werkstückaufnahme 68 aufweisen. Das Werkstück 14 ist dabei an der Werkstückaufnahme 68 gehalten.
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Die 6a und 6b zeigen beispielhaft und schematisch weitere Varianten der Laserschneidanlage 10 während der Durchführung eines Laserschneidverfahrens. Eine Laserlichtquelleneinrichtung 28 der Laserschneidanlage 10 weist vorliegend zwei separate Laserlichtquellen 30a und 30b zur Erzeugung des ersten Laserstrahls 18 und des zweiten Laserstrahls 20 auf. Die Laserlichtquellen 30a, 30b können beispielsweise CO2-Laser, Festkörperlaser oder Diodenlaser sein. Die Laserlichtquelleneinrichtung 28 weist ferner eine Optik 38 zum Überlagern der beiden Laserstrahlen 18, 20 zu einem Gesamtlaserstrahl auf, die beispielsweise einen Lochspiegel 38a (6a) oder einen wellenlängenselektiven Strahlteilerspiegel 38a' (6b) und eine Fokussierlinse 38b umfasst. Die Laserstrahlen 18, 20 können konzentrisch zueinander überlagert werden, sodass sie entlang einer gemeinsamen Ausbreitungsachse 48 zu dem Werkstück 14 hin propagieren.
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Ein Fokuspunkt 72 des ersten Laserstrahls 18 kann entlang der Ausbreitungsachse 48 gegenüber einem Fokuspunkt 74 des zweiten Laserstrahls 20 versetzt sein. Hier liegt der Fokuspunkt 72 des ersten Laserstrahls 18 in Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlen 18, 20 vor dem Fokuspunkt 74 des zweiten Laserstrahls 20. Ein Abstand 76 der Fokuspunkte 72, 74 entlang der Ausbreitungsachse 48 kann beispielsweise 0,7 mm betragen.
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Der zweite Fokuspunkt 74 und vorzugsweise auch der erste Fokuspunkt 72 können innerhalb des Werkstücks 14, d. h. in Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlen 18, 20 jenseits der Eintrittsoberfläche 24, liegen. Ein Abstand 78 des ersten Fokuspunkts 72 von der Eintrittsoberfläche 24 kann beispielsweise ein Viertel der Dicke 16 des Werkstücks 14 betragen. Ein Abstand 80 des zweiten Fokuspunkts 74 von der Eintrittsoberfläche 24 kann weniger als das Doppelte der Rayleigh-Länge des zweiten Laserstrahls 20 betragen, beispielsweise das 1,5-fache.
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Die weiteren Parameter der Laserschneidanlage 10 von 6 bzw. des in diesem Zusammenhang beschriebenen Laserschneidverfahrens können wie bei dem zuvor beschriebenen Laserschneidverfahren bzw. der Laserschneidanlage 10 von 1a gewählt sein. Entsprechend kann auch die hier beschriebene Anordnung der Fokuspunkte 72, 74 der beiden Laserstrahlen 18, 20 relativ zueinander und relativ zum Werkstück 14 bei dem zuvor beschriebenen Laserschneidverfahren bzw. der Laserschneidanlage 10 von 1a vorgesehen sein.
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Eine Bewegungseinheit 66 der Laserschneidanlage 10 von 6 kann dazu ausgebildet sein, die Optik 38 oder Teile der Optik 38 gegenüber dem Werkstück 14 zu verkippen. Zusätzlich können die Optik 38 und das Werkstück 14 relativ zueinander translatorisch verfahren werden. Dadurch kann eine Schneidzone 26 entlang einer, insbesondere dreidimensional verlaufenden, Schnittlinie zur Ausbildung eines Schnittspalts bewegt werden. Durch das Verkippen kann ein zumindest näherungsweise rechtwinkliges Auftreffen der Laserstrahlen 18, 20 und des Gasstrahls 22 auf das Werkstück 14 eingerichtet werden, insbesondere wenn das Werkstück 14 eine dreidimensional geformte Eintrittsoberfläche 24 aufweist. Auch bei der Laserschneidanlage 10 von 1a können die Optik 38 bzw. Teile der Optik 38 gegenüber dem Werkstück 14 kippbar sein.
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Die 7a und 7b zeigen Diagramme von bei erfindungsgemäßen Laserschneidverfahren experimentell ermittelten Schneidgeschwindigkeiten, bei denen noch eine gute Qualität des Schnittspalts 12, insbesondere der Schnittflanken 60 und der Schnittkanten 58, erhalten wird, in Abhängigkeit von der Fokuslage (hier bezeichnet als „ES“) des ersten Laserstrahls relativ zur Austrittsöffnung der Düse 27 (vergleiche 4a). Bei dem Diagramm von 7a beträgt der Leistungsanteil des zweiten Laserstrahls 20 an der Gesamtlaserleistung 10 %; bei dem Diagramm von 7b beträgt der Leistungsanteil des zweiten Laserstrahls 20 an der Gesamtlaserleistung von 5 %.
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Die Figuren der 7a und 7b zeigen Diagramme für das Schneiden von Werkstücken mit einer Werkstückdicke 16 von 2 mm mit einer Gesamt-Laserleistung von 3 kW. Die eingezeichneten Punkte zeigen jeweils die größtmögliche Schneidgeschwindigkeit, bei der noch eine gute Schnittqualität erhalten wurde. Mit anderen Worten wurde für Parameterpaare innerhalb der eingezeichneten Linien eine gute Schnittqualität erhalten. Es ist ersichtlich, dass bei einem Leistungsanteil des zweiten Laserstrahls 20 von 5 % deutlich höhere Schneidgeschwindigkeiten erreicht werden können als bei einem Leistungsanteil von 10 %. Gleichwohl darf der Leistungsanteil des zweiten Laserstrahls 20 nicht verschwinden, sondern muss sicherstellen, dass über die Ausbildung der gebrochenen Schnittkanten 58 das Einströmen des Schneidgases in den Schnittspalt 12 verbessern wird, und so insbesondere zu bewirken, dass an der Austrittsoberfläche 62 des Werkstücks 14 keine Grate entstehen
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Versuche haben ferner gezeigt, dass Werkstücke mit einer Dicke 16 von weniger als 6 mm mit einem kleinen Fokusdurchmesser 54 von 100 µm des ersten Laserstrahls 18 mehr als 30 % schneller geschnitten werden können als bei einem Fokusdurchmesser 54 von 150 µm, nämlich mit bis zu 24 m/min.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Laserschneidanlage
- 12
- Schnittspalt
- 14
- Werkstück
- 16
- Dicke 16 des Werkstücks
- 18
- erster Laserstrahl
- 20
- zweiter Laserstrahl
- 22
- Gasstrahl
- 24
- Eintrittsoberfläche
- 26
- Schneidzone
- 27
- Düse
- 28
- Laserlichtquelleneinrichtung
- 30
- Laserlichtquelle
- 32
- Ausgangslaserstrahl
- 34
- Strahlteiler
- 36
- Mehrkernfaser
- 38
- Optik
- 38a
- Lochspiegel
- 38a'
- Strahlteilerspiegel
- 38b
- Fokussierlinse
- 40
- erster Faserkern
- 42
- zweiter Faserkern
- 44
- Durchmesser des ersten Faserkerns 40
- 46
- Durchmesser des zweiten Faserkerns 42
- 48
- Ausbreitungsachse
- 50
- Strahldurchmesser des ersten Laserstrahls 18
- 52
- Strahldurchmesser des zweiten Laserstrahls 20
- 54
- Fokusdurchmesser des ersten Laserstrahls 18
- 56
- Fokusdurchmesser des zweiten Laserstrahl 20
- 58
- Schnittkanten
- 60
- Schnittflanken
- 62
- Austrittsoberfläche
- 64
- Radius der Schnittkanten 58
- 66
- Bewegungseinrichtung
- 68
- Werkstückaufnahme
- 70
- Abstand zwischen der Düse 27 und der Eintrittsoberfläche 24
- 72
- Fokuspunkt des ersten Laserstrahls 18
- 74
- Fokuspunkt des zweiten Laserstrahls 20
- 76
- Abstand der Fokuspunkte 72, 74
- 78
- Abstand des ersten Fokuspunkts 72 von der Eintrittsoberfläche 24
- 80
- Abstand des zweiten Fokuspunkts 74 von der Eintrittsoberfläche 24
- Θ1, Θ2
- Divergenz
- Schritt 102:
- Richten des ersten Laserstrahls 18 auf die Eintrittsoberfläche 24
- Schritt 104:
- Richten des zweiten Laserstrahls 20 auf die Eintrittsoberfläche 24
- Schritt 106:
- Richten des Gasstrahls 22 auf die Eintrittsoberfläche 24
- Schritt 108:
- Erzeugen des Schnittspalts 12 in dem Werkstück 14
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2011124671 A1 [0004]
- WO 2013000942 A1 [0004]
- WO 2014060091 A1 [0004]
- US 20180188544 A1 [0004]
- WO 2018104575 A1 [0004]
- DE 60206184 T2 [0005]
- JP 2000005892 A [0005]
