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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ausbildung eines ein Werkstückteil mit einem Restwerkstück verbindenden Nanojoints mittels eines Laserstrahls, wobei der Nanojoint eine geringere Höhe als die Werkstückdicke eines insbesondere plattenförmigen Werkstücks aufweist, welches das Werkstückteil und das Restwerkstück umfasst.
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Beim Laserschneiden plattenförmiger Werkstücke ist es wichtig, dass die während des Schneidens entstehende Schlacke ungehindert nach unten aus dem Schnittspalt austreten kann. Um dies zu gewährleisten, besteht die Werkstückauflage in Laserschneidmaschinen für plattenförmige Werkstücke üblicherweise aus mehreren Auflageleisten, welche in einen Rahmen gesteckt sind. Die Auflageleisten weisen eine gezackte Form auf, so dass zum Werkstück nur ein punktförmiger Kontakt besteht. Je nach Größe und Lage eines Werkstückteils auf den Auflageleisten kann es beim Freischneiden des Werkstückteils durch die Einwirkung des Schneidgasdrucks zu einem Verkippen des Teils kommen. Dabei verkeilt sich das Werkstückteil zwischen den Auflageleisten und stellt sich auf, was zu einer Kollision des Laserbearbeitungskopfs bzw. der Schneidgasdüse mit dem Werkstückteil führen kann. Außerdem wird eine automatisierte Entnahme der Werkstückteile durch die willkürliche Lage erschwert oder sogar verhindert.
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Kleinere Werkstückteile können bei einer ungünstigen Lage in die Zwischenräume zwischen den Auflageleisten fallen und so auf das unter der Werkstückauflage angeordnete Schlackeförderband oder in Auffangbehälter für die Schlacke gelangen.
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Zur Lösung dieses Problems ist es bekannt, die Werkstückteile im Restwerkstück mit Hilfe sogenannter Microjoints, d.h. mittels im Schnittspalt verbleibender Verbindungsstege zwischen Werkstückteil und umgebendem Restwerkstück, zu fixieren, so dass ein Verkippen ausgeschlossen wird. Der Einsatz von Microjoints hat allerdings einige Nachteile: Microjoints erstrecken sich üblicherweise über die gesamte Werkstückdicke, so dass bei Werkstücken mit einer Dicke von mehr als 5 mm ein Herauslösen der Werkstückteile aus dem Restwerkstück von Hand nur sehr schwer oder gar nicht möglich ist. Nach dem Lösen der Werkstückteile verbleiben Rückstände der Microjoints an der Schnittkante und müssen durch aufwendige Nacharbeit entfernt werden. Außerdem werden Microjoints typischerweise am Schnittende gesetzt. Ist in einer Werkstückkontur aber mehr als ein Microjoint notwendig, so kann dieser nur durch zusätzliches Einstechen und Anfahren an die Kontur erzeugt werden. Dadurch sinkt die Produktivität des Schneidprozesses.
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Aus der
DE 10 2017 213 394 A1 ist ein Verfahren zum Laserschneiden eines insbesondere plattenförmigen Werkstücks entlang einer Kontur mittels eines Laserstrahls bekannt, wobei zum Erzeugen eines nicht am Ende der Kontur liegenden Microjoints mit einer geringeren Höhe als die Werkstückdicke beim Laserschneiden des Werkstücks die Laserleistung des Laserstrahls auf einem der Länge des Microjoints entsprechenden Teilstück der Kontur von einer zum Durchschneiden des Werkstücks ausreichenden, höheren Laserleistung auf eine zum vollständigen Durchschneiden des Werkstücks nicht ausreichende, niedrigere Laserleistung abgesenkt und anschließend wieder auf die höhere Laserleistung erhöht wird.
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Aus der
JPH0716667A ist es bekannt, ein Werkstückteil aus einem Werkstück teilweise auszustanzen, wobei zwischen dem Werkstückteil und dem Restwerkstück Microjoints, die sich über die gesamte Werkstückdicke erstrecken, stehen gelassen werden. Die Dicke dieser Microjoints wird anschließend mittels Laser reduziert.
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Im Folgenden werden Microjoints, die eine geringere Höhe aufweisen als die Werkstückdicke, Nanojoints genannt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein vereinfachtes und zuverlässiges Verfahren zur Ausbildung von Nanojoints anzugeben.
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Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Ausbildung eines ein Werkstückteil mit einem Restwerkstück verbindenden Nanojoints mittels eines Laserstrahls, wobei der Nanojoint eine geringere Höhe als die Werkstückdicke eines insbesondere plattenförmigen Werkstücks aufweist, wobei der Nanojoint ausgebildet wird, indem der Laserstrahl gepulst wird. Es versteht sich für den Fachmann, dass das Werkstück das Werkstückteil und das Restwerkstück umfasst.
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Dabei kann vorgesehen sein, in dem Bereich des Teilstücks der Kontur, welches den Nanojoint darstellen soll, den Laser zu pulsen und somit nur einen Teil des Materials des Werkstücks abzutragen, so dass ein Nanojoint entsteht, der eine geringere Höhe aufweist als die Werkstückdicke.
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Der Laserstrahl kann während des Pulsens stillstehen. Es ist auch denkbar, den Laserstrahl und das Werkstück während des Pulsens relativ zueinander zu bewegen. Vorzugsweise wird der Laserstrahl relativ langsam relativ zum Werkstück bewegt. Abhängig von der Werkstückdicke und dem gewählten Schneidprozess kann die Relativgeschwindigkeit von Werkstück und Laserstrahl weniger als 0,5m pro Minute betragen.
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Das Erzeugen eines Nanojoints mittels Laserpulsen hat den Vorteil, dass Nanojoints eines definierten Querschnitts erzeugt werden können. Insbesondere können Nanojoints mit einem rechteckigen, beispielsweise quadratischen, Querschnitt erzeugt werden. Das erleichtert das anschließende Herauslösen des Werkstückteils. Ein Werkstückteil kann durch mehrere Nanojoints mit dem Restwerkstück verbunden sein.
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Grundsätzlich ist es denkbar, einen Nanojoint ohne vorheriges Erzeugen eines Microjoints mittels gepulstem Laser auszubilden. Vorteile ergeben sich jedoch, wenn zunächst auf einem der Länge des Nanojoints entsprechenden Teilstück einer Kontur ein Microjoint mit einer der Werkstückdicke entsprechenden Höhe gebildet wird und anschließend der Nanojoint ausgebildet wird, indem die Höhe des Microjoints mittels des gepulsten Laserstrahls reduziert wird.
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Der Microjoint kann erzeugt werden, indem das Werkstückteil aus dem Werkstück entlang einer Kontur bis auf das der Länge des Nanojoints entsprechende Teilstück mittels eines Laserstrahls ausgeschnitten wird oder ausgestanzt wird. Es versteht sich, dass auf diese Weise mehrere das Werkstückteil mit dem Restwerkstück verbindende Microjoints erzeugt werden können.
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Dabei kann ein Microjoint ausgebildet werden, indem am Ende der Kontur der Laser ausgeschaltet wird. Das verbleibende Material der Kontur stellt dann den Microjoint dar. Alternativ, wenn der Microjoint nicht am Ende der Kontur ist, kann der Laser vorübergehend ausgeschaltet werden, so dass im Bereich eines Teilstücks der Kontur das Werkstück nicht durchgeschnitten wird und ein Microjoint stehen bleibt.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn der gepulste Laserstrahl so auf den Microjoint gerichtet wird, dass er mit einem Abstand von einem Ende des Microjoints auf den Microjoint trifft. Insbesondere, wenn der Microjoint relativ kurz ist, kann es ausreichend sein, den Laserstrahl an eine Stelle über dem Microjoint zu positionieren und dann zu pulsen, um den vollständigen Nanojoint auszubilden. Eine Relativbewegung von Werkstück und Laserstrahl ist dabei nicht notwendig. Auf diese Art und Weise kann besonders einfach und schnell ein Nanojoint erzeugt werden.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn der gepulste Laserstrahl so auf den Microjoint gerichtet wird, dass er bezogen auf dessen Länge mittig auf den Microjoint auftrifft. Durch diese Maßnahme kann der Nanojoint über dessen gesamte Länge ausgebildet werden.
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Weitere Vorteile ergeben sich, wenn der gepulste Laserstrahl zur Kontur seitlich versetzt auf den Microjoint gerichtet wird. Beim Pulsen kann der Laserstrahl ein Loch erzeugen, welches breiter ist als der Schnittspalt. Um zu verhindern, dass durch das Pulsen das auszuschneidende Werkstückteil beschädigt wird, kann der Laserstrahl daher zur Kontur seitlich versetzt werden.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Laserstrahl in Richtung Restwerkstück versetzt wird. Somit kann eine Verletzung des Gutteils verhindert werden.
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Der Laserstrahl kann um ein Maß Faktor x Schnittspaltbreite, wobei 0 < Faktor < 1 ist, seitlich versetzt werden. Dadurch kann sichergestellt werden, dass der Laserstrahl ausreichend weit seitlich versetzt wird, allerdings nicht zu weit versetzt wird, so dass eine Ausbildung eines Nanojoints gewährleistet ist. Würde der Laserstrahl zu weit versetzt, würde lediglich ein Loch im Restwerkstück erzeugt, der Microjoint jedoch nicht in der Höhe reduziert.
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Der Faktor kann in Abhängigkeit von der Werkstückdicke gewählt werden. Dabei kann der Faktor umso größer sein, je größer die Werkstückdicke ist.
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Weiterhin kann der Faktor in Abhängigkeit vom Schneidprozess gewählt werden. Insbesondere können Schneidparameter wie Schneidgasdruck, Pulsfrequenz, Laserleistung, Abstand Düse-Werkstück, Fokuslage, etc. bei der Bestimmung des Faktors berücksichtigt werden.
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Es kann eine Pulsfrequenz für den gepulsten Laserstrahl im Bereich 10 Hz bis 1000 Hz, vorzugsweise von 500 Hz, gewählt werden. Solche Pulsfrequenzen haben sich als besonders günstig für das Erzeugen eines Nanojoints erwiesen. Dabei kann die mittlere Leistung des Lasers im Bereich 2000 Watt bis 3500 Watt liegen. Bevorzugt wird eine mittlere Laserleistung von 2800 Watt verwendet. Die Pulsspitzenleistung kann im Bereich 3000 Watt bis 5000 Watt liegen. Vorzugsweise wird eine Pulsspitzenleistung von 4000 Watt verwendet. Wie oben bereits erwähnt, kann der Laserstrahl während des Pulsens nicht relativ zum Werkstück bewegt werden. Die Dauer des Abpulsens des Microjoints kann abhängig von der Werkstückdicke eingestellt werden. Beispielsweise kann die Zeit für das Abpulsen des Microjoints etwa 1/6 bis 2/3 der Zeit betragen, die für das Einstechen benötigt wird. Die Dauer des Abpulsens kann auch in Abhängigkeit von der gewünschten Höhe des Nanojoints eingestellt werden.
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Die Fokuslage des gepulsten Laserstrahls kann im Werkstück liegen. Die Fokuslage kann dabei in Abhängigkeit von der Werkstückdicke eingestellt werden.
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Der Gasdruck für das Ausbilden des Nanojoints kann im Bereich 5 bar bis 10 bar liegen, wenn als Schneidgas Stickstoff verwendet wird, und im Bereich 0,5 bar bis 3 bar liegen, wenn als Schneidgas Sauerstoff verwendet wird.
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Der Abstand der Düse des Laserschneidkopfes vom Werkstück kann zwischen 0,4 und 10mm betragen.
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Ist der Microjoint relativ lang, kann der Laserstrahl nach dem ersten Abpulsvorgang entlang des Microjoints versetzt werden und erneut ein Abpulsvorgang gestartet werden. Je nach Länge des Microjoints kann es erforderlich sein, diesen Vorgang erneut zu wiederholen.
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Je nach Werkstückdicke kann die Dauer des Abpulsvorgangs zwischen 0,01 und 0,3 Sekunden liegen. Beispielsweise kann die Dauer des Abpulsvorgangs für eine Werkstückdicke von 3mm im Bereich 0,018 Sekunden liegen und für eine Werkstückdicke von 6mm im Bereich von 0,035 Sekunden liegen. Weiterhin kann die Dauer des Abpulsvorgangs in Abhängigkeit der Laserleistung gewählt oder eingestellt werden.
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Gemäß einer Verfahrensvariante kann vorgesehen sein, dass vor der Ausbildung des Nanojoints eine Relativbewegung des Werkstücks und des Laserstrahls gestoppt wird und der Laserstrahl ausgeschaltet wird. Mit einer Relativbewegung, die gestoppt wird, ist in diesem Fall keine Relativbewegung von Laserbearbeitungskopf und Werkstück senkrecht zu einer Werkstückauflage bzw. in Strahlrichtung des Laserstrahls gemeint, sondern eine Relativbewegung von Laserstrahl bzw. Laserbearbeitungskopf und Werkstück entlang der Kontur bzw. parallel zu einer Ebene, die die Kontur enthält, also insbesondere eine Relativbewegung parallel zu einer Werkstückauflage. Die gestoppte Relativbewegung wird auch als Achsstopp bezeichnet.
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Die Erfindung betrifft schließlich auch ein Computerprogrammprodukt, welches Codemittel aufweist, die zum Durchführen aller Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens angepasst sind, wenn das Programm auf einer Steuerung einer Laserbearbeitungsmaschine abläuft.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Werkstück, das einen Nanojoint aufweist, der ein Werkstückteil mit einem Restwerkstück verbindet und eine geringere Höhe als die Werkstückdicke des Werkstücks aufweist, wobei der Nanojoint einen im Wesentlichen rechteckigen, insbesondere quadratischen, Querschnitt aufweist. Über die Microjoint-Länge und die Pulszeit kann die Größe des Rechtecks eingestellt werden. In den meisten Fällen führt das Abpulsen zu Schmelzespritzern auf der Werkstückoberfläche, die während des Abpulsens nach oben ausgetrieben werden. Vorwiegend liegen die Spritzer auf dem Restwerkstück (Abfallseite). Sie können aber auch auf dem Werkstückteil liegen.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen 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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Es zeigen:
- 1 eine zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Laserschneidmaschine;
- 2a, 2b ein aus einem Werkstück lasergeschnittenes Werkstückteil, das durch Nanojoints im Restwerkstück gehalten ist, in einer Draufsicht (2a) und in einer Schnittansicht (2b) entsprechend IIb-IIb in 2a;
- 3a, 3b die Ausbildung eines Microjoints;
- 4a, 4b das Abpulsen eines ersten Teils des Microjoints
- 5a, 5b das vollständige Abpulsen eines Microjoints zur Erzeugung eines Nanojoints.
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Die in 1 perspektivisch dargestellte Laserschneidmaschine 1 weist beispielsweise einen CO2-Laser, Diodenlaser oder Festkörperlaser als Laserstrahlerzeuger 2, einen verfahrbaren (Laser)Bearbeitungskopf 3 und eine Werkstückauflage 4 auf. Im Laserstrahlerzeuger 2 wird ein Laserstrahl 5 erzeugt, der mittels eines (nicht gezeigten) Lichtleitkabels oder (nicht gezeigten) Umlenkspiegeln vom Laserstrahlerzeuger 2 zum Bearbeitungskopf 3 geführt wird. Auf der Werkstückauflage 4 ist ein plattenförmiges Werkstück 6 angeordnet. Der Laserstrahl 5 wird mittels einer im Bearbeitungskopf 3 angeordneten Fokussieroptik auf das Werkstück 6 gerichtet. Die Laserschneidmaschine 1 wird darüber hinaus mit Schneidgasen 7, beispielsweise Sauerstoff, Druckluft und/oder Stickstoff, versorgt. Die Verwendung des jeweiligen Schneidgases 7 ist vom Werkstückmaterial und von Qualitätsanforderungen an die Schnittkanten abhängig. Weiterhin ist eine Absaugeinrichtung 8 vorhanden, die mit einem Absaugkanal 9, der sich unter der Werkstückauflage 4 befindet, verbunden ist. Das Schneidgas 7 wird einer Schneidgasdüse 10 des Bearbeitungskopfes 3 zugeführt, aus der es zusammen mit dem Laserstrahl 5 austritt.
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Beim Laserschneiden wird das Werkstück 6 entlang einer gewünschten Kontur K mittels eines Laserstrahls 5 mit zum Durchschneiden des Werkstücks 6 geeigneten Parameterwerten von Schneidparametern geschnitten, wobei vorliegend der Laserstrahl 5, alternativ oder zusätzlich aber auch das Werkstück 6, bewegt wird. Dazu muss zunächst auf oder neben der zu schneidenden Kontur K an einem Punkt S in das Werkstück 6 eingestochen werden, wie in 2a gezeigt ist.
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Wie in 2a, 2b gezeigt, werden beim Laserschneiden des Werkstücks 6 im Schnittspalt 11 zwischen einem lasergeschnittenen Werkstückteil 12 und dem Restwerkstück 13 Verbindungsstege bzw. Nanojoints 14a, 14b stehen gelassen, die das Werkstückteil 12 im Restwerkstück 13 fixieren und somit ein Verkippen gegenüber dem Restwerkstück 13 verhindern. Wie in 2b gezeigt, erstreckt sich der Nanojoint 14a, 14b nicht über die gesamte Werkstückdicke D, sondern nur im unteren Drittel der Werkstückdicke, weist also eine geringere Höhe d als die Werkstückdicke D auf. Der Nanojoint 14a befindet sich am Schnittende, wird also erzeugt, kurz bevor der Anfang der in sich geschlossenen Kontur K wieder erreicht ist. Der Nanojoint 14b befindet sich dagegen nicht am Schnittende, sondern an einem beliebigen Abschnitt der Kontur K.
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Anhand der folgenden Figuren wird das Erzeugen eines Nanojoints in einem Werkstück mit einer Werkstückdicke von 3mm dargestellt. In der 3a ist gezeigt, dass das Werkstückteil 12 durch den Laserstrahl 5 im Uhrzeigersinn entlang der Kontur K fast vollständig ausgeschnitten wurde. Der Laserstrahl 5 befindet sich nun nahezu am Ende der Kontur K. Lediglich der Microjoint 20 ist noch vorhanden und verbindet das Werkstückteil 12 mit dem Restwerkstück 13. Diese Situation ist schematisch in der 3b gezeigt, die eine Schnittdarstellung entlang der Linie A-A der 3a zeigt. Zu erkennen ist, dass sich der Mikrojoint 20 über die gesamte Höhe D des Werkstücks 6 erstreckt. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Microjoint 20 eine Länge von 0,5mm auf. Er wird am Ende der Kontur K stehen gelassen, so dass das Werkstückteil 12 nicht kippen kann. Als Schneidgas wird Stickstoff verwendet.
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In der gezeigten Position wird der Laserstrahl 5 ausgeschaltet. Der Laserschneidkopf 3 wird zum einen in Richtung Kontur K über den Microjoint 20 verlagert. Zum anderen wird er (gegenüber der Kontur K) in Richtung Restwerkstück 13 versetzt, was in den 4a, 4b zu sehen ist, wobei 4b eine Schnittdarstellung gemäß B-B der 4a zeigt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wurde der Laserstrahl 5 mit einem Versatz von 0,5 x Schnittspaltbreite, d.h. einem Versatz von 0,15mm, über dem Microjoint 20 in Richtung Restwerkstück 13 versetzt. Der Versatz des Laserstrahls 5 zum Restwerkstück 13 erfolgt, da der Laserstrahl 5 in den nachfolgenden Prozessschritten beim Pulsen ein Loch erzeugt, welches breiter ist als der Schnittspalt 11. Ohne Versatz in Richtung Restwerkstück 13 würde das Werkstückteil 12 verletzt.
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Im Anschluss wird der Microjoint 20 in der Höhe abgetragen, indem der Laserstrahl 5 gepulst wird. Hierbei wurde im gezeigten Ausführungsbeispiel eine Pulsfrequenz von 500 Hz genutzt. Die mittlere Leistung des Lasers betrug 2800 Watt. Die Pulsspitzenleistung betrug 4000 Watt. Beim Abpulsen (Abtragen) des Microjoints 20 wurde im gezeigten Ausführungsbeispiel keine Verfahrbewegung, d.h. Relativbewegung von Laserstrahl 5 bzw. Bearbeitungskopf 3 und Werkstück 6, ausgeführt. Die Zeit des Abpulsens betrug 0,018 Sekunden. Der Gasdruck beim Abpulsen des Microjoints 20 betrug etwa 8 bar. Der Abstand von Schneidgasdüse 10 zu Werkstückoberfläche betrug 1mm. Der Abstand des Laserfokus von der Schneidgasdüse 10 betrug 10mm, lag also unterhalb des Werkstücks 6. Mit den eingestellten Parametern kann mit einem Pulsvorgang nur eine Microjointlänge von ca. 0,3mm abgetragen werden. Dies ist in der 4b zu erkennen, wo noch ein Teil des Microjoints 20 übrig ist. Aus diesem Grund wurde gemäß den 5a, 5b der Laserstrahl 5 entlang des Microjoints 20 in Richtung der Kontur K versetzt, wobei 5b eine Schnittdarstellung gemäß C-C der 5a zeigt. Dieser Versatz erfolgt in einem Überlapp von Faktor2 x Schnittspaltbreite. In diesem Fall wurde für den Parameter Faktor2 ebenfalls ein Wert von 0,5 gewählt. Der Überlapp betrug daher 0,15 mm. Danach wurde der Abpulsvorgang wiederholt. Nach dem Abpulsen betrug die Höhe des nun so entstandenen Nanojoints 14 1,2mm. Dadurch verringerte sich der Haltequerschnitt der Verbindung von Werkstückteil 12 und Restwerkstück 13 um die Hälfte. Das Werkstückteil 12 kann einfach aus dem Restwerkstück 13 entnommen werden.
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Die Werte für die Parameter Faktor und Faktor2 können gleich oder unterschiedlich sein. Faktor2 kann auch Werte ≥ 1 annehmen. Insbesondere kann der Faktor2 Werte im Bereich 0 < Faktor2 < 2 annehmen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017213394 A1 [0002, 0006]
- JP H0716667 A [0007]
