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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Scherschneiden von Werkstücken mit
einem Schneidwerkzeug und mit einer optischen Einrichtung zur Beaufschlagung
des zu bearbeitenden Ortes des Werkstückes mit Laserstrahlung, die
Verwendung dieser Vorrichtung für
die Herstellung von Bauteilen keiner Abmessungen im Millimeterbereich
sowie ein entsprechendes Verfahren.
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Das
technische Anwendungsgebiet der Erfindung und des Verfahrens dazu
betrifft das Scherschneiden metallischer Bauteile kleiner Abmessungen
wie sie z. B. in der Mikrotechnik, Elektrotechnik, Elektronik, Kontakttechnologie,
in der Uhrentechnik usw. verwendet werden. Das Scherschneiden von Werkstücken mit
einem Schneidwerkzeug erfolgt bei der vorliegenden Erfindung unter
Zuhilfenahme einer Laserstrahlung. Dazu ist aus der
DE 43 09 317 A1 ein Verfahren
und eine Vorrichtung zum Freiumformen von Halbzeugen insbesondere
zum Streckziehen und/oder Freiumformen des Werkstücks vorbekannt. Der
Gegenstand der
DE 43
09 317 A1 zeigt z. B. eine Freiumformung mittels Laserstrahlunterstützung durch
lokale Erwärmung
des Halbzeugs, das hier als Blechteil ausgebildet ist. Das Blechteil
ist umfangseitig durch eine Spannvorrichtung festgelegt und wird aus
dem Ausgangszustand durch Verwendung eines als Kugel ausgebildeten
Pressstempels in Rich tung einer Kraft nach aufwärts druckbelastet unter gleichzeitiger
Laserstrahlerwärmung
an seiner oberen Rückseite
durch eine Laserstrahlquelle. Für
den Blechstempel ist die Wahl einer Universalgeometrie vorteilhaft,
wie z. B. einer Kugel. In Abhängigkeit
von der Streckziehaufgabe kann die Kugel oder der an ihrer Stelle
verwendete Pressstempel zusätzlich
zu einer aufwärtsgerichteten
Hubbewegung eine translatorische und/oder rotatorische Bewegung
ausführen. Die
Laserstrahlerwärmung
dient der Verminderung der Festigkeit des Blechteils und der Erhöhung des Formänderungsvermögens des
Bleches. Die Laserstrahlquelle bei dem Gegenstand der
DE 43 09 317 A1 wird also zur Herabsetzung
der Streckgrenze verwendet, um so höhere Umformgrade des Bleches
zu ermöglichen.
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Aus
dem Stand der Technik ist es weiter bekannt, um z. B. die auftretenden
Scherschneidkräfte verringern
zu können,
konstruktive Änderungen
der Scherschneidelemente des Scherschneidwerkzeuges vorzunehmen.
So kann z. B. durch ein Abschrägen
des Schneidstempels oder der Schneidplatte zwar die auftretende
Schneidkraft verkleinert werden, da nicht die gesamte Schnittfläche gleichzeitig vom
Werkstück
abgetrennt wird. Nachteilig ist es jedoch, dass der Schneidweg damit
größer wird
und die ausgeschnittenen Abfallteile, wie z. B. beim Innenkonturscherschneiden
die Butzen, sich verformen.
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Eine
Abschrägung
des Schneidstempels oder der Schneidelatte in Höhe der doppelten Blechdicke
kann die maximale Schneidkraft auf 30% desjenigen Wertes verringern,
der sich ergibt, wenn vom Schneidbeginn an die gesamte Schnittlinie
des Werkstücks
in Eingriff steht. Da aber der Schneidweg größer wird, wird die aufzubringende
Schneidarbeit nur unwesentlich verändert. Als wesentlicher Nachteil
ist weiter aufzuführen,
dass sich der Stempel tiefer in das Werkstück hineinbewegt und deshalb
die Schnittflächenqualität des erzeugten
Scherschnittprodukts negativ beeinflusst wird und außerdem der Werkzeugverschleiß durch
verstärkte
Abrasion zwangsweise zunimmt.
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Aus
der
DE 195 25 431
A1 ist eine Presse vorbekannt, die von einem einfach wirkenden
hydraulischen und durch eine Rückstellfeder
belasteten Zylinder angetrieben wird, um Löcher in Werkstücke, wie
Stahlrahmenträger
und Stahlrahmenbänder
zu schneiden. Diese Presse umfasst eine Matritze und einen Stempel,
der zum Schneiden eines Loches in das gegen die Matritze gehaltene
Werkstück
in Richtung gegen die Matritze angetrieben ist. Der Stempel hat
einen ihn axial durchsetzenden Lichtkanal, der zur Matritze hin
offen ist, und eine Lichtquelle zum Projezieren eines Zielstrahles über den
Lichtkanal in Richtung gegen die Matritze, um ein exakt in der gewünschten
Lage im Werkstück
liegendes Loch zu markieren.
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Der
Lichtkanal erstreckt sich axial durch den Stempel und die Kolbenstange
sowie durch einen Körper
zum Ort der Lichtquelle wie bspw. einem Laser, der in einem Raum
in dem Körper
aufgenommen ist. Der Raum erstreckt sich rechtwinklig zum Lichtkanal
des Lasers. Vom Laser erstreckt sich ein optisches Faserbündel zum
Stempel durch den dort vorhandenen Lichtkanal, um auf diese Weise
den Laserstrahl auf das Werkstück
an der Matritze auftreffen zu lassen. An den Körper kann ein photoelektrischer Verstärker in
Kombination mit dem Laser montiert sein. Eine weitere Ausführung der
Lichtführung
in der Presse bei dem Gegenstand der
DE 195 25 431 A1 zeigt einen Reflektor anstelle
des optischen Faserbündels
in der Presse. Der in der Winkelhalbierenden des rechten Winkels
zwischen dem Lichtkanal in dem Körper
und dem Raum für
den Laser angeordnete Reflektor dient dazu, den vom Laser ausgehenden Lichtstrahl
zum Austrittsende des Lichtkanals am Stempel umzulenken. Der damit
aus dem Stempel emittierte Zielstrahl ermöglicht dem Arbeiter, ähnlich wie
bei dem über
die optische Faser erhaltenen Zielstrahl, ein exaktes Ausrichten
auf die Markierung am Werkstück.
Der Gegenstand der
DE 195 25
431 ist das Einstellen des Stempels auf eine Markierung oder
einen Anriss am Werkstück,
in das ein Loch gestanzt werden soll. Zur Markierung dient eine
Laserquelle, die mittels Faserbündel
oder der Laserstrahl mittels Reflektor auf die Vorderseite des Werkstücks geführt wird,
um mit dieser Lichtmarkierung eine exakte Lage des zu stanzenden
Loches zu gewährleisten.
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Um
die stetig steigenden Ansprüche
an die Genauigkeit bei der Mikrotechnik erfüllen zu können, ist die Technologie des
Scherscheidens dafür
zwar ein geeignetes Verfahren, doch sind in vielen Bereichen der
Praxis die erreichbaren Genauigkeiten an Formtoleranzen und Lagetoleranzen
bereits ausgeschöpft.
Darüber
hinaus ist es wünschenwert,
die beim Scherschneiden auftretenden Schneidkräfte zu reduzieren, um die Auswahl
kleinerer und damit genauer arbeitender Scherschneidautomaten zu
ermöglichen.
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Die
EP 0728231B1 offenbart
ein Verfahren zur Herstellung einer Spinndüse, worin das Stanzen von Kapillaren
mittels eines Stanzwerkzeugs durchgeführt wird und vor dem Formen
der Kapillare ein Kapillarbereich des Körpers auf eine Temperatur oberhalb
der Rekristallisationstemperatur und unterhalb des Schmelzpunktes
des Metalls erwärmt
wird. Für
die Erwärmung
wird dabei bevorzugt ein Elektronenstrahl verwendet, möglich ist
aber auch ein Laserstrahl. Die Erwärmung führt zu einer Gefügeveränderung
und dauerhaften lokalen Verringerung der Festigkeit des Werkstücks.
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Es
ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine universell
einsetzbare und kostengünstige
Vorrichtung zum Scherschneiden von Werkstücken zu schaffen, die eine
Verbesserung der Schnittkantenqualität insbesondere für Bauteile
kleiner Abmessungen ermöglicht,
wie sie z. B. in der Mikrotechnik erforderlich ist, die ferner die
aufzubringenden Prozesskräfte
zum Scherschneiden gering hält,
die außerdem
hohe Genauigkeitsanforderungen bei hochlegierten und hochfesten
Stählen
zulässt
und einen dauerhaften Festigkeitsverlust der Werkstücke minimiert
und die schließlich
eine Verlängerung
der Prozessdauer bei der Herstellung von im Scherschnitt hergestellten
Produkten vermeidet.
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Diese
Aufgaben werden erfindungsgemäß durch
die Merkmale der Patentansprüche
1, 10 und 11 gelöst.
Vorteilhalfte Weiterbildung der Erfindungsgegenstände sind
in den Merkmalen der Unteransprüche
gekennzeichnet.
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Der
Vorteil der Erfindung besteht insbesondere darin, dass der Scherschneidort
auf dem Werkstück,
aus dem durch Scherschneiden das Scherschnittprodukt hergestellt
werden soll, mittels einer Wärmeenergie übermittelnden
Wärmestrahlung,
die als Laserstrahlung ausgebildet ist, örtlich begrenzt erwärmt wird.
Die örtlich
begrenzte Erwärmung
des Scherschneidortes des Werkstückes,
das bspw. als Blechteil ausgebildet sein kann, führt zur Herabsetzung der Festigkeit
des Blech teils, wodurch es möglich
ist, die aufzubringenden Prozesskräfte zum Scherschneiden zu verringern.
Außerdem
ist es dadurch möglich,
die Schnittkantenqualität
des Scherschnittproduktes erheblich zu verbessern. Auf Grund der
zur Herstellung des Scherschnittproduktes aufzubringenden geringeren
Prozesskräfte
wird es möglich,
die Werkzeugstandzeiten zu verlängern.
Dadurch lassen sich kleinere und damit genauer arbeitende Scherschneiautomaten
auswählen,
wodurch wiederum geringere Beschaffungskosten aufzubringen sind.
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Die
Zufuhr von Wärmeenergie
in Form der Laserstrahlung erfolgt dabei während des Scherschneidprozesses
mit dem Schneidwerkzeug, d. h. der Scherschneidprozess wird von
der Erwärmung direkt
begleitet. Die Zufuhr von Wärmeenergie
in Form von Laserstrahlung auf den Scherschneidort ist auf die Gesamtzeitdauer
aus der Dauer der Hubbewegung des Scherschneidwerkzeuges und aus
der Dauer des Scherschneidens des Werkstückes beschränkt. Dadurch wird der Vorteil
erreicht, dass die Prozessdauer bei der Herstellung nicht durch
die Erwärmung
des Scherschneidortes zusätzlich
verlängert
wird, es ist also nicht erforderlich zuerst die Erwärmung des
Scherschneidortes vorzunehmen und danach den Prozess des Scherschneidens
durchzuführen,
sondern dies kann gleichzeitig geschehen.
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Ein
weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Erwärmung des
Scherschneidortes durch die Zufuhr von Wärmeenergie in Form der Laserstrahlung
maximal auf die Grenzen des Scherschneidbereichs begrenzt ist. Die
Erwärmung
des Scherschneidortes kann dabei auf den Bereich der Schnittfuge
des Scherschneidwerkzeugs begrenzt werden. Dadurch ist es möglich, mit
geringem Energieaufwand und schnell eine Erwärmung des relativ kleinen Scherschneidortes
vorzunehmen. Zu diesem Zweck kann die Größe der Fläche des mit der Laserstrahlung
bestrahlten Scherschneidortes durch Fokussierung geändert werden.
Die Fokussierung bzw. örtliche
Anpassung der Laserstrahlung zur Erzeugung von Wärmeenergie auf den Scherschneidort wird
mittels einer Optik, bspw. einer Fokussieroptikeinheit, durchgeführt. Deshalb
lässt sich
hier auch die Form der Laserstrahlung auf der Ebene des Werkstückes am
Scherschneidort an die Schneidkontur der Schnittfuge anpassen und
damit die Erwärmung
des Scherschneidortes auf den Bereich der Schnittfuge begrenzen.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zum Scherschneiden von Werkstücken
lässt sich
auch für das
Innenkonturscherschnei den von Scherschnittprodukten aus Stahlbändern verwenden.
Beim Innenkonturschneiden von Werkstücken wird die der Wärmezufuhr
dienende Laserstrahlung im Wesentlichen durch eine geformte Laserstrahlung
auf das innenliegende Abfallteil beschränkt, so dass der Hauptteil
der Wärmemenge
im bearbeiteten Werkstück
durch das Abfallteil von dem Bearbeitungsort bzw. Scherschneidort
heraus- bzw. weggeführt
wird. Auch hiermit lässt
sich eine gezielte Beeinflussung der Materialeigenschaften an dem
Scherschneidort für
das Scherschneiden mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchführen.
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Nachstehend
wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und anhand
einer Zeichnung noch näher
erläutert.
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Es
zeigen:
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1 Eine
Prinzip-, Teil- und Teilschnittdarstellung der Vorrichtung zum Scherschneiden
mit einer Laserstrahloptik, die auf die Vorderseite des zu bearbeitenden
Werkstückes
gerichtet ist.
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Aus
der 1 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Scherschneiden
in Prinzip- und Teilschnittdarstellungen ersichtlich, die aus einem Scherschneidwerkzeug 1 besteht,
das auf dem Werkstück 2 Scherschnittprodukte
durch Scherschneiden herstellt, wobei die Scherschnittprodukte in
der 1 nicht dargestellt sind. Die Scherschnittprodukte
können
aus Halbfertigteilen, aus Profil, aus Körperkanten, aus Öffnungen
der unterschiedlichsten Form und dgl. bestehen. Die Werkstücke 2 können aus
Platinen, Blech, hochlegierten und hochfesten Stahlbändern und
dgl. bestehen. Es lassen sich mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zum Scherschneiden also geschlossene Schnitte wie bspw. beim Innenkonturscher schneiden
und auch offene Schnitte wie bspw. bei Profilen herstellen. Es wird ausdrücklich darauf
hingewiesen, dass die Darstellungen in der 1 nur aus
Prinzip-, Teil- und/oder Teilschnittdarstellungen
bestehen, die aus Gründen der Übersichtlichkeit
nur mit für
die Erfindung wesentlichen Teilen oder Teilfunktionen dargestellt
sind. So sind bspw. die Antriebe des Scherschneidwerkzeuges und
die Laserquelle, sowie die Verstelloptiken nicht oder nur teilweise
gezeigt. Dasselbe gilt, wie bereits erwähnt, für die Scherschnittprodukte,
die Qualität
der Scherschnittkanten und dgl..
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Dem
Scherschneidwerkzeug 1 wird über die Auskopplung 3 der
nicht dargestellten Lichtleitfasern eine Laserstrahlung 4 zugeführt. Für die Laserstrahlung 4 ist
eine Höhenverstellung 5 für die Fokussieroptik 6 vorgesehen.
Die Laserstrahlung 4 durchläuft die Fokussieroptik 6,
die die Laserstrahlen durch den Hohlstempel 7 auf den Scherschneidort
auf dem Werkstück 2 leitet.
Die für
das Niederhalten des Werkstücks 2 notwendigen
Federeinheiten 8 bringen auf die Druckplatte 9 die
zum Scherschneiden notwendige Kraft mit der Hubbewegung des Scherschneidwerkzeuges 1 auf.
Das Scherschneidwerkzeug wird mit einer Säulenführung 10 geführt, die
als Kugellagerführung
ausgebildet ist. Der als Hohlstempel 7 ausgebildete Scherschneidstempel
des Scherschneidwerkzeuges 1 schneidet die Innenkontur
aus dem Werkstück 2,
das hier als Bandmaterial ausgebildet ist, gegen die Schneidelatte 11 in
Richtung der Schneidelatte 11 aus.
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Die
Laserstrahlung 4, die zur Zufuhr von Wärmeenergie auf den Scherschneidort
dient, kann sowohl von der Rückseite 12 des
Werkstückes 2 wie auch
auf die Vorderseite 13 des Werkstückes 2 des Werkstückes eingestrahlt
werden, wie dies in der 1 der Fall ist. Es kann jedoch
auch eine völlig
andere Anordnung der Zuführung
der Laserstrahlen zu dem Werkstück 2 erfolgen,
wenn sie geeignet ist, den Scherschneidort lokal an der zu bearbeitenden
Stelle zu erwärmen.
Die bei dem Ausführungsbeispiel
nach der 1 zugeführte Laserstrahlung wird auf
die Vorderseite 13 des Werkstücks 2 geführt. Die
Fokussieroptik 6 ist als Auskoppeloptik und Strahlformungsoptik
für den
Laserstrahl ausgebildet und kann genauso wie die rückseitige
Zuführung
der Laserstrahlung zu dem Werkzeug in das Scherschneidwerkzeug integriert
sein, jedoch ist es auch möglich
die Laserquelle sowie andere erforderliche Bestandteile der Optik
außerhalb
des Werkzeuges anzubringen und nur mittels geeigneter Einkoppelungsoptiken
dem Schnerschneidwerkzeug 1 zuzuführen.
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Beim
Ausführungsbeispiel
nach der 1 ist das Scherschneidwerkzeug 1 mit
einer den Stempel des Schneidwerkzeuges axial durchsetzenden Öffnung zum
Durchtritt der Laserstrahlung 4 ausgestattet, so dass ein
Hohlstempel 7 entsteht. Die Erwärmumg des Werkstückes wird
maximal auf die Grenzen des Scherschneidbereichs bzw. Scherschneidortes
beschränkt.
Dies kann durch die Veränderung
der Größe der Fläche geschehen,
mit der die Laserstrahlung 4 auf den Scherschneidort gerichtet
wird, was durch die Fokussieroptik 6 bewerkstelligt wird.
Bei der Einstrahlung der Laserstrahlung 4 auf die Vorderseite 13 des
Werkstücks 2 verändert sich
der Laserstrahlmesser auf der Ebene des Werkstückes 2 aufgrund seiner
Kaustik entsprechend der Wegänderung
der Laserstrahlung 4 während
der Hubbewegung. Dies trifft auch auf das dargestellte Beispiel
in der 1 zu, bei der der maximale Laserstrahldurchmesser
auf dem Werkstück 2 dem
Durchmesser des Hohlstempels 7 entspricht. Eine unveränderte Größe des Durchmessers
des Laserstrahls auf dem Scherschneidort ergibt sich bei Einstrahlung
der Laserstrahlung 4 von der Rückseite 12 des Werkstücks 2 oder
durch eine entsprechende Nachführung
der Höhenverstellung 5 der
Laserstrahlung.
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Der
mechanische Prozessablauf des Scherschneidwerkzeugs 1 während des
Scherschneidens ist identisch mit dem konventionellen Scherschneiden
nach dem Stand der Technik. Es wird jedoch als Teil der erfindungsgemäßen Kombination
bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zum Scherschneiden prozessbegleitend zusätzlich eine Laserstrahlung 4 zugeschaltet,
um das Werkstück 2 zu
erwärmen.
Die Laserstrahlung dient also nicht, wie beim Stand der Technik
zur Beleuchtung und Markierung von zu bearbeitenden Orten auf dem
Werkstück,
sondern zur Erwärmung
des Werkstücks.
Es wird als weiterer Teil der erfindungsgemäßen Kombination während der Zufuhr
von Wärmeenergie
in Form der Laserstrahlung zur Wärmeerzeugung
an dem Scherschneidort des Werkstücks 2 den Scherschneidprozess
begleitend das Scherschneiden mit dem Scherschneidwerkzeug durchgeführt. Bei
dem weiteren Teil der erfindungsgemäßen Kombination wird die Zufuhr
von Wärmeenergie
in Form der Laserstrahlung dabei auf die Gesamtzeitdauer aus der
Dauer der Hubbewegung des Scherschneidwerkzeuges 1 und
der Dauer des Scherschneidens des Werkstückes 2 beschränkt. Mit
dieser erfindungsgemäßen prozessbegleitenden
Erwärmung
wird erreicht, dass keine Verlängerung
der gesamten Prozessdauer zur Herstellung des Scherschnittproduktes
mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
gegenüber
dem Stand der Technik erreicht wird.
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Es
ist außerdem
möglich,
eine Laserstrahlquelle in ein Scherschneidwerkzeug nach dem Stand der
Technik durch Modi fikation der aktiven Werkzeugteile wie etwa Schneidstempel
und Aufnahme auch in bereits existierende Anlagen einzubauen. Die metallischen
Werkstoffe des Werkstücks
zeigen an dem Scherschneidort bei erhöhten Temperaturen durch die
Laserstrahlung 4 ein verbessertes Fließverhalten. Darüber hinaus
wird bei Aufrechterhaltung der erhöhten Temperatur an dem Scherschneidort während des
Scherschneidens dem Effekt der Kaltverfestigung entgegengewirkt.
Mit dieser Erwärmung am
Scherschneidort wird also eine gezielte Beeinflussung der Materialeigenschaften
für die
Dauer des Scherschneidens prozessbegleitend vorgenommen. So ist
es auch möglich,
die Erwärmung
des Scherschneidortes auf den Bereich der Schnittfuge des Scherschneidwerkzeugs 1 zu
begrenzen und die Form der Laserstrahlung 4 auf der Ebene
des Werkstückes 2 am
Scherschneidort an die Schneidkontur der Schnittfuge anzupassen
und so verbesserte Qualitäten
der Schnittkanten des durch Scherschneiden erzeugten Produktes zu
erzielen.
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Darüber hinaus
werden durch die Erwärmung
des Materials des Werkstückes 2 am
Scherschneidort die Prozesskräfte
reduziert, und es lassen sich deshalb kleinere Scherschneidwerkzeuge
einsetzen, die mit geringen Kosten arbeiten. Auf Grund der hohen
Genauigkeit und der Scherschnittkantenqualität, die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erreicht
werden, eignet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung besonders auch
für Bauteile
kleiner Abmessungen, die bspw. im Millimeterbereich liegen und für die großer Bedarf
in der Mikrotechnik besteht. Eine derartige Anwendung ist bspw.
das Innenkonturscherschneiden. Beim Innenkonturscherschneiden von
Werkstücken 2 wird
durch die der Wärmezufuhr
dienenden Laserstrahlung 4 im Wesentlichen durch einen
entsprechend geformten Laserstrahl das innen liegende Abfallteil
erwärmt.
Durch das erwärmte
innenliegende Abfallteil wird der Hauptteil der Wärmemenge,
die durch den Laserstrahl in das Werkstück übertragen wurde, im Werkstück 2 durch
das herausgeführte
Abfallteil von den Bearbeitungsort bzw. Scherschneidort durch Herausfallen
weggeführt.
Durch die lokale Begrenzung der Laserstrahlung 4 auf maximal
die Größe des Scherschneidortes wird,
wie bei den vorher schon geschilderten Beispielen, auch bei dem
Innenkonturscherschneiden nur während
der Zeitdauer des laufenden Scherschneidprozesses das Material des
Werkstücks 2 erwärmt. Dies
ermöglicht
so die Verringerung der aufzubringenden Prozesskräfte beim
Scherschneiden und eine Erhöhung
der Qualität
der Schnittkanten der durch das Scherschneiden erzeugten Produkte.
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- 1
- Scherschneidwerkzeug
- 2
- Werkstück
- 3
- Auskopplung
der Lichtleitfasern
- 4
- Laserstrahlung
- 5
- Höhenverstellung
für Laserstrahlung
- 6
- Fokussieroptik
- 7
- Hohlstempel
- 8
- Federeinheiten
- 9
- Druckplatte
- 10
- Säulenführung
- 11
- Schneidelatte
- 12
- Rückseite
des Werkstücks
- 13
- Vorderseite
des Werkstücks