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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schneiden von metallischen, insbesondere plattenförmigen, Werkstücken mittels eines Laserstrahls, wobei einer primären Vorschubbewegung des Laserstrahls gegenüber der Werkstückoberfläche eine zyklisch wiederkehrende Sekundärbewegung überlagert ist, wobei die Sekundärbewegung ein zweidimensionales Bewegungsmuster des Laserstrahls auf der Werkstückoberfläche erzeugt.
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Stand der Technik
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Derartige Verfahren werden auch als „Scannerschneiden“ bezeichnet.
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Die Technologie des Laser-Schmelzschneidens mit Hilfe eines in eine Pendelbewegung versetzten Laserstrahls nutzt den Grundsatz, wonach die in der Schmelzfilmoberfläche (Prozesszone) absorbierte Heizleistung des Laserstrahls nicht beliebig schnell, sondern lediglich mit einer für den bearbeiteten Werkstoff typischen Wärmeleitungsgeschwindigkeit aus der Prozesszone abfließen kann. Auf Basis dieses Effekts kann beim Scannerschneiden im zeitlichen Mittel die mittlere Intensitäts- und damit auch Wärmeverteilung im Schnittspalt sowie auf der Blechoberfläche beeinflusst werden.
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Beispielsweise aus
JP2020162561A ,
JP2011025272A oder
JP201417875A ist es bekannt, die Scanamplitude zu verändern. Aus
WO19176431 A1 ist es bekannt, die Form einer Pendelbewegung des Laserstrahls während des Schneidens zu ändern.
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Im Stand der Technik wird die Amplitude der Pendelbewegung in Abhängigkeit beispielsweise von der Schneidgeschwindigkeit angepasst und bleibt dann eine Weile in der veränderten Form. Dies dient z.B. dazu, Ecken gut schneiden zu können. Auch in der
WO19176431 A1 wird die Form der Pendelbewegung dauerhaft beim Schneiden einer Ecke verändert.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, die Gestaltung des Schnittspalts beim Laserschneiden, insbesondere an der Schnittfront, zu verbessern.
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Die Erfindung
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Laserschneidverfahren gemäß Anspruch 1. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Varianten an.
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Die Aufgabe wird somit erfindungsgemäß gelöst durch ein Laserschneidverfahren der eingangs genannten Art, wobei das Bewegungsmuster wenigstens zwei, insbesondere gleichförmige, Mustersegmente umfasst, die nacheinander innerhalb eines Bewegungszyklus der Sekundärbewegung abgefahren werden und die wiederum mehrere, nacheinander auszuführende Bewegungsabschnitte umfassen können, wobei sich die zwei Mustersegmente in ihrer jeweiligen Ausdehnung längs und/oder quer zur primären Vorschubbewegung voneinander unterscheiden und/oder wobei innerhalb eines Bewegungszyklus der Sekundärbewegung und/oder zwischen den Bewegungsabschnitten wenigstens ein Schneidparameter geändert wird. Die Mustersegmente eines jeweiligen Bewegungszyklus der Sekundärbewegung unterscheiden sich mit anderen Worten in ihrer Größe und/oder einem Prozessparameter des Schneidvorgangs. Unterschiedlich große Mustersegmente können in dem Sinne gleichförmig sein, dass sie dieselben Proportionen aufweisen. Die Mustersegmente innerhalb eines Bewegungszyklus können jedoch auch unterschiedlich geformt sein (und mithin nicht durch eine geometrische Skalierung ineinander überführbar sein).
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Insbesondere beim Laserschneiden mit Festkörperlasern, deren Laserstrahl ein sog. tophat-förmiges (plateauartiges) Intensitätsprofil (nahezu einheitliche Energiedichte über den gesamten Strahlquerschnitt) aufweist, wurde erkannt, dass am Übergang von der Werkstückoberfläche, auf welche der Laserstrahl auftrifft, zur Schnittfront des Schnittspalts eine scharfe Kante entsteht. Diese Kante kann den Austrieb der Schmelze aus dem Schnittspalt behindern. Insbesondere können Schmelzeanhaftungen an der Schnittfront entstehen, welche für den Fortschritt des weiteren Schneidvorgangs nachteilig sind.
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Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass die Ausbildung einer solchen Kante vermieden oder zumindest reduziert werden kann, wenn aufeinanderfolgende Mustersegmente des zyklisch wiederholten Bewegungsmusters sich voneinander unterscheiden. Insbesondere kann derart ein abgerundeter Übergang von der Werkstückoberfläche, auf welche der Laserstrahl auftrifft, zur Schnittfront erreicht werden. Dies begünstigt die Durchströmung des Schnittspalts. Folglich kann die Vorschubgeschwindigkeit erhöht werden. Zugleich kann eine bessere Schnittkantenqualität, insbesondere mit verringerter Gratbildung, erreicht werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es insbesondere, die Verrundung am oberen Ende der Schnittfront gezielt einzustellen.
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Die primäre Vorschubbewegung resultiert typischerweise aus einer Relativbewegung zwischen dem Werkstück und einem Bearbeitungskopf, während die Sekundärbewegung mittels einer Scanneroptik innerhalb des Bearbeitungskopfes erzeugt werden kann. Die primäre Vorschubbewegung verläuft entlang des zu erstellenden bzw. erstellten Schnittspalts.
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Das Bewegungsmuster der Sekundärbewegung erstreckt sich längs und quer zur primären Vorschubbewegung. Es weist mit anderen Worten eine Komponente entlang der Schnittrichtung und eine Komponente quer zur Schnittrichtung auf.
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Die Ausdehnungen aufeinanderfolgender Mustersegmente eines jeweiligen Bewegungszyklus der Sekundärbewegung können um wenigstens 2 %, bevorzugt wenigstens 5 %, voneinander abweichen. Dies gilt für die Ausdehnung der Mustersegmente längs und/oder quer zur Richtung der primären Vorschubbewegung.
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Das Bewegungsmuster der Sekundärbewegung resultiert aus einer isolierten Betrachtung der Sekundärbewegung, d. h. einer Betrachtung der Bewegung des Laserstrahls in einem mit der primären Vorschubbewegung des Bearbeitungskopfs mitbewegten Koordinatensystem. Es versteht sich, dass sich die Form einer resultierenden Gesamt-Bewegung des Laserstrahls über dem Werkstück, welche die Unterlagerung der primären Vorschubbewegung berücksichtigt, gegenüber dem Bewegungsmuster der (isoliert betrachteten) Sekundärbewegung verändert.
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Die Sekundärbewegung wird zyklisch (periodisch) wiederholt. Die Sekundärbewegung umfasst mehrere Mustersegmente, die zusammengesetzt einen Bewegungszyklus der Sekundärbewegung ergeben. Erfindungsgemäß unterscheiden sich wenigstens zwei der Mustersegmente eines jeweiligen Bewegungszyklus in ihrer Größe und/oder den angewandten Schneidparametern. Diese Bewegungszyklen mit jeweils mehreren unterschiedlichen Mustersegmenten werden im Rahmen der Sekundärbewegung wiederholt abgefahren.
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Eine Ausrichtung des Bewegungsmusters der Sekundärbewegung ist grundsätzlich relativ zur Richtung der primären Vorschubbewegung festgelegt. Die Zyklen der Sekundärbewegung werden mit anderen Worten relativ zur jeweils aktuellen Vorschubrichtung durchfahren. Die Sekundärbewegung wird zyklisch (periodisch) wiederholt. Die Sekundärbewegung kann vorzugsweise mehrere Bewegungsabschnitte umfassen, die zusammengesetzt einen Bewegungszyklus der Sekundärbewegung ergeben.
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Eine Ausrichtung des Bewegungsmusters der Sekundärbewegung ist grundsätzlich relativ zur Richtung der primären Vorschubbewegung festgelegt. Die Zyklen der Sekundärbewegung werden mit anderen Worten relativ zur jeweils aktuellen Vorschubrichtung durchfahren.
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Das Verfahren kann ein Schmelzschneidprozess sein. Ein Schneidgasstrahl kann gemeinsam mit dem Laserstrahl auf das Werkstück gerichtet werden. Vorzugsweise wird als Schneidgas Stickstoff oder ein Stickstoff-Sauerstoff-Gemisch, insbesondere Druckluft, eingesetzt. Der Laserstrahl und der Schneidgasstrahl können aus einer Schneiddüse austreten. Das Verfahren kann auch ein Brennschneidprozess sein, bei dem Sauerstoff als Schneidgas verwendet wird. Die primäre Vorschubbewegung entspricht dann einer Bewegung der Schneiddüse relativ zum Werkstück. Die Sekundärbewegung kann eine Bewegung des Laserstrahls innerhalb der Schneiddüse sein. Der Laserstrahl kann von einem Festkörperlaser emittiert werden.
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Vorzugsweise ist für jedes Mustersegment die Ausdehnung quer zur primären Vorschubbewegung in einem in Richtung der primären Vorschubbewegung vorderen Bereich des Bewegungsmusters größer als im hinteren Bereich des Bewegungsmusters. Der vordere Bereich des Bewegungsmusters kann die vordere Hälfte, vorzugsweise das vordere Drittel des Bewegungsmusters sein. Ein im vorderen Bereich breiteres Bewegungsmuster ermöglicht eine weitere Erhöhung der Vorschubgeschwindigkeiten bzw. eine weitere Verbesserung der Kantenqualität am Schnittspalt, insbesondere bezüglich Rauigkeit und Gratbildung. Der Querbewegungsanteil der Sekundärbewegung zum Einstellen der Schnittspaltbreite wird somit lediglich in dem (in Vorschubrichtung) vorderen Bereich ausgeführt. Hierdurch geht keine Prozesswärme durch eine Wiederholung der Querbewegung im hinteren Bereich des Bewegungsmusters verloren. Insbesondere wird dadurch auch vermieden, dass am Ende der Wechselwirkungszone die Oberflächen der beiden Schnittkanten nochmals unkontrolliert aufgeschmolzen werden, was zu einer deutlichen Zunahme der Gratbildung führen könnte.
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Bei einer bevorzugten Variante ist vorgesehen, dass ein erstes der Mustersegmente, welches innerhalb des jeweiligen Bewegungszyklus der Sekundärbewegung als erstes abgefahren wird, eine größere Ausdehnung längs und/oder quer zur primären Vorschubbewegung aufweist als die nachfolgenden Mustersegmente des jeweiligen Bewegungszyklus. Dadurch kann der Übergang zwischen der Werkstückoberfläche und dem Schnittspalt bzw. der Schnittfront mit einem großen Radius verrundet werden. Dies kann einem Ablösen des Schneidgasstrahls von der Schnittfront wirkungsvoll entgegenwirken.
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Besonders bevorzugt werden für das erste Mustersegment und die nachfolgenden Mustersegmente eines jeweiligen Bewegungszyklus unterschiedliche Schneidparameter angewandt. Die Schneidparameter können zwischen aufeinanderfolgenden Mustersegmenten stufenweise geändert werden. Insbesondere kann für das als erstes abgefahrene Mustersegment eine Geschwindigkeit der Sekundärbewegung größer sein als für die nachfolgenden Mustersegmente. Die Geschwindigkeit der Sekundärbewegung ist die Bahngeschwindigkeit, mit der der Laserstrahl aufgrund der Sekundärbewegung (d. h. unter Abzug der überlagerten primären Vorschubbewegung) entlang des Bewegungsmusters über die Werkstückoberfläche bewegt wird. Alternativ oder zusätzlich kann für das als erstes abgefahrene Mustersegment eine Fokuslage des Laserstrahls weiter von der Werkstückoberfläche entfernt sein als für die nachfolgenden Mustersegmente. Die Fokuslage bezeichnet die Position des geringsten Strahlquerschnitts und wird relativ zur Werkstückoberfläche, auf welche der Laserstrahl auftrifft, angegeben. Weiter alternativ oder zusätzlich kann für das als erstes abgefahrene Mustersegment eine Laserleistung des Laserstrahls kleiner sein als für die nachfolgenden Mustersegmente. Derart kann entlang des äußeren Teils des Bewegungsmusters eine geringere Schmelzfilmdicke zu erzeugt werden als entlang der benachbarten, weiter innen liegenden Mustersegmente.
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Die Mustersegmente eines Bewegungszyklus können an ihrem jeweiligen (in Richtung der primären Vorschubbewegung) hinteren Ende miteinander in Verbindung stehen. Dies ermöglicht einen kontinuierlichen Betrieb des Laserstrahls. Der Laserstrahl muss zwischen den einzelnen Mustersegmenten nicht abgesetzt werden. Eine Verbindung am hinteren Ende bewirkt, dass unterschiedlich große Mustersegmente sich in Schnittrichtung unterschiedlich weit nach vorne ausdehnen.
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Bei einer besonders bevorzugten Verfahrensvariante ist vorgesehen, dass das Bewegungsmuster drei Mustersegmente umfasst, wobei die Ausdehnung der Mustersegmente sowohl längs als auch quer zur primären Vorschubbewegung vom ersten Mustersegment hin zum dritten Mustersegment abnimmt. Die Mustersegmente können am hinteren Ende jeweils ihren gemeinsamen Referenz- bzw. Startpunkt haben. Das zweite und das dritte Mustersegment ziehen sich gegenüber dem ersten Mustersegment immer weiter in den Schnittspalt zurück. So wird eine Rundung am Übergang zwischen Werkstückoberfläche und Schnittfront geschaffen. Drei ineinander liegende Mustersegmente haben sich als besonders wirkungsvoll erwiesen.
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Im ersten bzw. äußeren Mustersegment trifft der Laserstrahl am vorderen Ende des Bewegungsmusters auf die kalte Werkstückoberfläche und erzeugt hierdurch ein (im Vergleich mit den weiteren Umläufen innerhalb eines Bewegungszyklus) geringes Schmelzfilmvolumen. Bei dem anschließend ausgeführten zweiten Mustersegment trifft der Laserstrahl am vorderen Ende des Bewegungsmusters auf die bereits vorgeheizte Werkstückoberfläche und kann daher ein größeres Schmelzfilmvolumen erzeugen und dieses auf eine höhere Temperatur erhitzen. Das abschließend ausgeführte dritte Segment dient dazu, die erzeugte Schmelze entlang eines möglichst großen Teils der nun entstehenden Schnittfrontoberfläche weiter zu erhitzen und ggfs. auch zu verdampfen, um durch die daraus resultierende Erniedrigung der Viskosität und Oberflächenspannung der Schmelze einen möglichst effizienten Schmelzaustrieb zu ermöglichen.
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Jedes der Mustersegmente des Bewegungsmusters kann an seinem in Richtung der primären Vorschubbewegung vorderen Ende abgerundet sein und zu seinem hinteren Ende hin spitz, insbesondere V-förmig, zulaufen. Insbesondere können die Mustersegmente vorne jeweils einen kreis- oder halbkreisförmigen Bewegungsabschnitt aufweisen. Die Mustersegmente entsprechen insofern in ihrer Form einer Eistüte mit eingesetzter Eiskugel. Auf diese Weise kann die Heizleistung in den verschiedenen von der Sekundärbewegung erfassten Bereichen des Werkstücks gezielt variiert werden. Insbesondere ermöglicht diese Gestaltung der Sekundärbewegung eine Konzentration des Wärmeeintrags im vorderen Bereich des Bewegungsmusters. Das schmale hintere Ende des Bewegungsmusters vermeidet, dass die Schnittkanten aufschmelzen, worunter deren Qualität leiden kann.
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Die Schneidparameter können innerhalb eines jeden Mustersegments (mit anderen Worten jeweils über das gesamte Mustersegment hinweg) im Wesentlichen konstant sein. Alternativ können die Schneidparameter wenigstens innerhalb eines ausgewählten Abschnittes eines jeden Mustersegments im Wesentlichen konstant sein. Im Wesentlichen konstant bedeutet hierbei insbesondere, dass die jeweiligen Schneidparameter um maximal +/-10 %, bevorzugt maximal+/-5 %, schwanken. Dadurch kann eine gleichmäßige Aufwärmung des Werkstücks über die gesamte von dem Mustersegment erfasste Fläche bzw. über den jeweiligen Abschnitt des Mustersegments erreicht werden.
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Insbesondere kann eine Geschwindigkeit der Sekundärbewegung innerhalb jedes Mustersegments oder wenigstens eines ausgewählten Abschnittes eines jeden Mustersegments im Wesentlichen konstant sein. Die Geschwindigkeit der Sekundärbewegung ist die Bahngeschwindigkeit, mit der der Laserstrahl aufgrund der Sekundärbewegung (d. h. unter Abzug der überlagerten primären Vorschubbewegung) entlang des Bewegungsmusters über die Werkstückoberfläche bewegt wird.
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Alternativ oder zusätzlich kann eine Laserleistung des Laserstrahls innerhalb jedes Mustersegments oder wenigstens eines ausgewählten Abschnittes eines jeden Mustersegments im Wesentlichen konstant sein.
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Weiter alternativ oder zusätzlich kann eine Fokuslage des Laserstrahls relativ zur Werkstückoberfläche innerhalb jedes Mustersegments oder wenigstens eines ausgewählten Abschnittes eines jeden Mustersegments im Wesentlichen konstant sein. Die Fokuslage bezeichnet die Position des geringsten Strahlquerschnitts und wird relativ zur Werkstückoberfläche, welche der Laserstrahl auftrifft, angegeben.
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Eine Ausdehnung des Bewegungsmusters eines jeweiligen Zyklus der Sekundärbewegung in Richtung der primären Vorschubbewegung kann beispielsweise wenigstens 0,1 mm, bevorzugt wenigstens 0,5 mm, und/oder höchstens 3 mm, bevorzugt höchstens 2 mm, betragen. Eine Ausdehnung des Bewegungsmusters eines jeweiligen Zyklus der Sekundärbewegung in Querrichtung kann in den gleichen oder in ähnlichen Dimensionen liegen wie die Ausdehnung in Längsrichtung. Vorzugsweise kann die Ausdehnung des Bewegungsmusters in Längsrichtung größer sein, insbesondere um wenigstens 50 % größer sein, als seine Ausdehnung in Querrichtung.
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Eine Ausdehnung eines der Mustersegmente eines jeden Bewegungszyklus der Sekundärbewegung in Längs- und/oder Querrichtung kann beispielsweise wenigstens 20 % der Ausdehnung des Bewegungszyklus in Längs- und/oder Querrichtung betragen.
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Die Geschwindigkeit der Sekundärbewegung, d.h. die Bahngeschwindigkeit des Laserstrahls alleine aufgrund der Sekundärbewegung, kann wenigstens 0,5 m/s, bevorzugt wenigstens 1 m/s, und/oder höchstens 2 m/s, bevorzugt höchstens 1 m/s, betragen.
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Eine Vorschubgeschwindigkeit der primären Vorschubbewegung kann beispielsweise im Bereich von 0,1 m/min bis 80 m/min liegen.
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Eine Laserleistung des Laserstrahls kann wenigstens 0,5 kW, bevorzugt wenigstens 1 kW, und/oder höchstens 16 kW, bevorzugt höchstens 12 kW, betragen.
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Ein Strahldurchmesser des Laserstrahls am Auftreffpunkt auf die Oberfläche des Werkstücks kann wenigstens 0,05 mm, bevorzugt wenigstens 0,1 mm, und/oder höchstens 2 mm, bevorzugt höchstens 1 mm, betragen.
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Der Fokuspunkt des Laserstrahls kann bis zu 10 mm, bevorzugt bis zu 5 mm oberhalb, oder bis zu 10 mm, bevorzugt bis zu 5 mm unterhalb der Oberfläche des Werkstücks liegen, auf welche der Laserstrahl auftrifft.
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Ebenfalls in den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt eine Laserschneidanlage, die zur Durchführung eines oben beschriebenen, erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist. Die Laserschneidanlage ermöglicht somit die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, sodass dessen Vorteile realisiert werden.
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Die Laserschneidanlage weist insbesondere einen relativ zu einer Werkstückauflage bewegbaren Laserbearbeitungskopf mit einer Schneiddüse auf. Die Laserschneidanlage, ist dazu eingerichtet, die Schneiddüse mit einer primären Vorschubbewegung entlang einer Schneidkontur relativ zur Werkstückauflage zu bewegen. Die Laserschneidanlage ist ferner dazu eingerichtet, den Laserstrahl innerhalb der Schneiddüse mit einer Sekundärbewegung abzulenken, sodass ein zweidimensionales Bewegungsmuster in einer Projektionsebene erzeugt wird, die parallel zur Werkstückauflage ausgerichtet ist. Eine Steuereinrichtung kann programmiert sein, den Bearbeitungskopf und eine Laserstrahlquelle entsprechend anzusteuern.
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Vorzugsweise weist die Laserschneidanlage eine Scannereinrichtung auf, um den Laserstrahl innerhalb der Schneiddüse zu bewegen bzw. abzulenken. Die Scannereinrichtung vereinfacht das Erzeugen der Sekundärbewegung. Die Scannereinrichtung kann in dem Laserbearbeitungskopf angeordnet sein. Die Steuereinrichtung ist vorzugsweise dazu programmiert, die Scannereinrichtung so anzusteuern, dass der Laserstrahl die Sekundärbewegung ausführt.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, den Ansprüchen 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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Ausführungsbeispiele
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Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung.
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Es zeigen:
- 1 ein Werkstück, in welches durch ein erfindungsgemäßes Laserschneidverfahren mittels eines mit einer primären Vorschubbewegung und einer überlagerten Sekundärbewegung über das Werkstück geführten Laserstrahls ein Schnittspalt eingebracht wird, in einer schematischen Schnittansicht;
- 2 einzelne Bewegungsabschnitte eines Mustersegments, welches Teil eines Bewegungszyklus einer Sekundärbewegung für die Erfindung ist, in einer schematischen Darstellung;
- 3 ein mit den Bewegungsabschnitten von 2 erhaltenes Mustersegment eines Bewegungszyklus der Sekundärbewegung für die Erfindung an der Schnittfront eines Schnittspalts, in einer schematischen Aufsicht;
- 4 unterschiedlich große Mustersegmente eines Bewegungsmusters für die Erfindung, in einer schematischen Darstellung;
- 5 das durch die nacheinander ausgeführten Mustersegmente von 4 erhaltene Bewegungsmuster eines Bewegungszyklus für die Erfindung an der Schnittfront eines Schnittspalts, in einer schematischen Darstellung.
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1 zeigt ein Werkstück 10 während des Laserschneidens. Ein Laserstrahl 12 und ein Schneidgasstrahl 14 werden auf eine Werkstückoberfläche 16 gerichtet. Der Laserstrahl 12 und der Schneidgasstrahl 14 treten gemeinsam aus einer Schneiddüse 18 aus. Der Schneidgasstrahl 14 kann Stickstoff als Schneidgas aufweisen. Die Schneiddüse 18 wird in einer primären Vorschubbewegung 20 über das Werkstück 10 geführt. Dadurch wird ein Schnittspalt 22 erzeugt. Eine Schnittfront 24 am in Vorschubrichtung vorderen Ende des Schnittspalts 22 verläuft gegenüber der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls 12 geneigt.
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Der primären Vorschubbewegung 20 ist eine zyklische Sekundärbewegung 26 des Laserstrahls 12 überlagert. Der Laserstrahl 12 kann im Rahmen der Sekundärbewegung 26 innerhalb der Schneiddüse 18 in zwei Richtungen hin- und hergehend bewegt werden. Die Sekundärbewegung 26 bewirkt eine zweidimensionale Bewegung des Laserstrahls 12 auf der Werkstückoberfläche 16. Die Sekundärbewegung 26 weist mit anderen Worten Anteile in Richtung der primären Vorschubbewegung 20 sowie quer zu dieser auf. Durch die Sekundärbewegung 26 kann die Ausbildung eines abgerundeten Übergangs 27 von der Schnittfront 24 zur Werkstückoberfläche 16 erreicht werden.
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2 zeigt einzelne, nacheinander auszuführende Bewegungsabschnitte A, B, C, D eines in 3 dargestellten Mustersegments 28 der Sekundärbewegung 26 (vergleiche 1). Die Bewegungsabschnitte A und D sind hier geradlinig und bilden einen schmalen, nach hinten spitz zulaufenden v-förmigen Bereich 30 des Mustersegments 28. Die Bewegungsabschnitte C, und D sind hier kreisförmig bzw. halbkreisförmig und bilden einen breiten, vorderen Bereich 32 des Mustersegments 28. Insgesamt kann das Mustersegment als Form einer Eistüte mit eingesetzter Eiskugel beschrieben werden.
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Innerhalb eines Bewegungszyklus der Sekundärbewegung 26 wird das Mustersegment 28 mehrfach, beispielsweise dreimal, abgefahren. Dabei können für das jeweilige Mustersegment 28 unterschiedliche Schneidparameter angewandt werden. Beispielsweise kann eine Geschwindigkeit der Bewegung des Laserstrahls 24 entlang des Mustersegments 28 mit jeder Wiederholung innerhalb eines einzelnen Bewegungszyklus abnehmen. Alternativ oder zusätzlich kann eine Fokuslage des Laserstrahls 24 mit jeder Wiederholung innerhalb eines einzelnen Bewegungszyklus an die Werkstückoberfläche 16 angenähert werden. Weiter alternativ oder zusätzlich kann eine Laserleistung des Laserstrahls 24 mit jeder Wiederholung innerhalb eines einzelnen Bewegungszyklus zunehmen. Während sich der Laserstrahl 24 entlang eines jeweiligen Mustersegments 28 bewegt, können die Schneidparameter konstant bleiben.
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Für nachfolgende Bewegungszyklen der Sekundärbewegung 26 wird die stufenweise Veränderung der Schneidparameter wiederholt. Die Schneidparameter verändern sich somit innerhalb eines Bewegungszyklus in einer Richtung, springen für den nächsten Bewegungszyklus jedoch in entgegengesetzter Richtung zunächst wieder auf ihren Ausgangswert.
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Die Bewegungsabschnitte B und C werden im Bereich des in Richtung der primären Vorschubbewegung 20 vorderen bzw. an der Werkstückoberfläche 16 gelegenen Endes der Schnittfront 24 ausgeführt, vergleiche 3 und 1. Der Wärmeeintrag des Laserstrahls 24 wird somit am vorderen Ende der Schnittfront 24 bzw. an der zur Schneiddüse 18 weisenden Werkstückoberfläche 16 konzentriert. Die Bewegungsabschnitte A und D verlaufen über die Schnittfront 24 hinaus in den Schnittspalt 22 hinein. Durch die geringere Breite im hinteren Bereich 30 des durch Wiederholung des Mustersegments 28 erhaltenen Bewegungsmusters 34 wird ein Aufschmelzen von Schnittkanten 36 des Schnittspalts 22 vermieden.
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Hier ist eine quer zur primären Vorschubbewegung 20 gemessene Ausdehnung 38 in dem in Vorschubrichtung vorderen Bereich 32 größer als im hinteren Bereich 30 des Mustersegments 28 bzw. Bewegungsmusters 34. Vorliegend umfasst der vordere Bereich 32 knapp ein Drittel einer Gesamtlänge des Mustersegments 28 bzw. Bewegungsmusters 34; der hintere Bereich 30 umfasst entsprechend gut zwei Drittel der Gesamtlänge.
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4 zeigt drei Mustersegmente 28-1, 28-2, 28-3, welche nacheinander durchgeführt werden, sodass ein in 5 dargestelltes Bewegungsmuster 34 der Sekundärbewegung 26 (vergleiche 1) erhalten wird. Es sei angemerkt, dass bei der Darstellung der Überlagerung der Mustersegmente 28-1, 28-2 und 28-3 zum Bewegungsmuster 34 in 5 die Geschwindigkeit der primären Vorschubbewegung 20 als gegenüber der Geschwindigkeit der Sekundärbewegung 26 klein angenommen wurde. In der Praxis kann dies der Fall sein, muss aber nicht.
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Die Mustersegmente 28-1, 28-2, 28-3 sind zueinander gleichförmig. Sie weisen mit anderen Worten gleiche geometrische Formen auf. Jedoch unterscheiden sich die Mustersegmente 28-1, 28-2, 28-3 in ihren Ausdehnungen 38 quer zur primären Vorschubbewegung 20 sowie ihren Ausdehnungen 40 in Richtung der primären Vorschubbewegung 20. Die Mustersegmente 28-1, 28-2, 28-3, umfassen jeweils die Bewegungsabschnitte A, C und D aus 2.
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Das innerhalb eines jeweiligen Bewegungszyklus zunächst abgefahrene Mustersegment 28-1 weist (sowohl in Längs- als auch Querrichtung) die größten Ausdehnungen 38, 40 auf. Das innerhalb eines jeweiligen Bewegungszyklus zuletzt abgefahrene Mustersegment 28-3 weist (sowohl in Längs- als auch Querrichtung) die kleinsten Ausdehnungen 38, 40 auf.
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Die Ausdehnungen 38, 40 des mittleren Mustersegments 28-2 liegen entsprechend zwischen diesen Werten. Beispielsweise kann das Mustersegment 28-1 um 5 % größer (hier länger und breiter) sein als das Mustersegment 28-2; das Mustersegment 28-3 kann um 5 % kleiner (hier kürzer und schmaler) sein als das Mustersegment 28.
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Die Mustersegmente 28-1, 28-2, 28-3 werden innerhalb des Bewegungsmusters 34 so aneinandergereiht, dass sie an ihrem hinteren Ende 42 jeweils ineinander übergehen. Der Laserstrahl 24 kann somit beim Abfahren des gesamten Bewegungsmusters 34 ununterbrochen betrieben werden. Ferner wird dadurch erreicht, dass das Mustersegment 28-1 weiter nach vorne ausgereift als die nachfolgenden Mustersegmente 28-2, 28-3.
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Durch die in Vorschubrichtung unterschiedlich weit nach vorne ragenden Mustersegmente 28-1, 28-2, 28-3 kann die in 1 gezeigte Abrundung des Übergangs 27 von der Werkstückoberfläche 16 zu der Schnittfront 24 erreicht werden. Durch die unterschiedlichen Breiten der Mustersegmente 28-1, 28-2, 28-3 kann auch eine Abrundung am Übergang 44 von der Werkstückoberfläche 16 zu den Schnittkanten 36 erreicht werden. Zusammen mit der zunehmenden Erwärmung der Schmelze durch die innen liegenden Mustersegmente 28-2, 28-3 kann dies den Austrieb der Schmelze weiter verbessern.
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Während der einzelnen Mustersegmente 28-1, 28-2, 28-3 können Schneidparameter (beispielsweise Laserleistung, Fokuslage, Geschwindigkeit der Sekundärbewegung) jeweils konstant sein. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Schneidparameter nur während eines Bewegungsabschnitts A, C, D des jeweiligen Mustersegments konstant sind. Insbesondere können für die Bewegungsabschnitte A und D dieselben Schneidparameter angewandt werden, die sich von jenen für den Bewegungsabschnitt C unterscheiden. Im Bewegungsabschnitt C) kann die Laserleistung größer, die Fokuslage näher an der Werkstückoberfläche 16 und/oder die Geschwindigkeit der Sekundärbewegung kleiner sein als in den Bewegungsabschnitten A und D.
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Zusammenfassend betrifft die Erfindung ein Laserschneidverfahren, bei welchem einer primären Vorschubbewegung in Schnittrichtung eine zweidimensionale, periodisch wiederholte Sekundärbewegung überlagert ist. Jeder Bewegungszyklus der Sekundärbewegung umfasst mehrere Mustersegmente. Die Mustersegmente innerhalb eines jeweiligen Bewegungszyklus unterscheiden sich in ihrer Größe und/oder in den angewandten Schneidparametern.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Werkstück
- 12
- Laserstrahl
- 14
- Schneidgasstrahl
- 16
- Werkstückoberfläche
- 18
- Schneiddüse
- 20
- primäre Vorschubbewegung
- 22
- Schnittspalt
- 24
- Schnittfront
- 26
- Sekundärbewegung
- 27
- Übergang
- 28; 28-1, 28-2, 28-3
- Mustersegment
- 30
- hinterer Bereich
- 32
- vorderer Bereich
- 34
- Bewegungsmuster
- 36
- Schnittkanten
- 38
- Ausdehnung in Querrichtung
- 40
- Ausdehnung in Längsrichtung
- 42
- hinteres Ende
- 44
- Übergang
- A, B, C, D
- Bewegungsabschnitte
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2020162561 A [0004]
- JP 2011025272 A [0004]
- JP 201417875 A [0004]
- WO 19176431 A1 [0004, 0005]
