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Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laserbearbeitungsvorrichtung, die ein Werkstück durch Bestrahlen des Werkstücks mit einem Laserstrahl schneidet, und bezieht sich ferner auf ein Laserbearbeitungsverfahren.
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Hintergrund
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In den vergangenen Jahren haben faserverstärkte Verbundwerkstoffe, die eine Matrix und Verstärkungsfasern umfassen, wie beispielsweise kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK), als hochfestes und leichtes Material für Aufsehen gesorgt. Faserverstärkte Verbundwerkstoffe sind dafür bekannt, dass sie sich schwer bearbeiten lassen, da die Matrix und die Verstärkungsfasern unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. Bei einer Laserbearbeitungsvorrichtung kann die Bearbeitungsgeschwindigkeit durch Erhöhung der Laserleistung erhöht werden, sodass sie gelegentlich zur Bearbeitung eines faserverstärkten Verbundwerkstoffs eingesetzt wird, wenn eine hohe Bearbeitungsgeschwindigkeit erforderlich ist.
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Im Bereich der Laserbearbeitungsvorrichtungen wird eine Laserbearbeitung durchgeführt, während die bei der Bearbeitung entstehenden Zersetzungsprodukte mit Hilfe von Sprühgas weggeblasen werden, um eine Ansammlung im Bearbeitungsbereich zu verhindern. Eine in JP H05- 329 679 A offenbarte Laserbearbeitungsvorrichtung umfasst beispielsweise eine Düse, die Gas in Richtung zur Laserbearbeitungsposition und in deren Umgebung bläst. Die Düse der Laserbearbeitungsvorrichtung wird deren Position betreffend so gesteuert, dass sie sich in Schnittrichtung voraus befindet.
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Die
DE 196 43 164 A1 und
JP 2001 -
212 688 A offenbaren jeweils eine Laserbearbeitungsvorrichtung und ein Laserbearbeitungsverfahren. Die Laserbearbeitungsvorrichtung weist jeweils eine Düse auf, um Gas in einem vorbestimmten Abstand von einer Bearbeitungsstelle auf die Oberfläche eines bearbeiteten Werkstücks zu blasen. Die Bearbeitungsstelle wird von der optischen Achse eines Laserstrahls festgelegt. Die Düse ist unter Kontrolle einer Steuerung um die optische Achse des Laserstrahls herum drehbar.
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Die
DE 43 26 254 A1 offenbart eine Laserschneidvorrichtung mit einer Düse, die zu einer optischen Achse eines Laserstrahls konzentrisch ist. Die Spitze der Düse wird von einem Abstandssensor umgeben.
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Die JP H05- 208 290 A offenbart eine Laserschweißvorrichtung, bei der eine Düse Gas auf eine Bearbeitungsstelle bläst, die durch die optische Achse eines Laserstrahls festgelegt wird.
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Kurzbeschreibung
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Technische Problemstellung
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Bei der Bearbeitung eines faserverstärkten Verbundwerkstoffs mit dem in JP H05- 329 679 A beschriebenen Verfahren bleiben jedoch bei der Bearbeitung entstehende Zersetzungsprodukte am Werkstück haften, was zu einer problematischen Verschlechterung der Bearbeitungsqualität führt. Es werden insbesondere bei einer Schneidbearbeitung mit hoher Geschwindigkeit mehr Zersetzungsprodukte gebildet.
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Konkret weisen die Matrix und die Verstärkungsfasern eines faserverstärkten Verbundwerkstoffs voneinander verschiedene Schmelzpunkte auf, wobei der Schmelzpunkt der Verstärkungsfasern oft höher ist als der Schmelzpunkt der Matrix. In diesem Fall wird die Intensität des Laserstrahls an den Schmelzpunkt der Verstärkungsfasern angepasst. Daher sind die Temperaturen der Zersetzungsprodukte etwa so hoch wie der Schmelzpunkt der Verstärkungsfasern und damit höher als der Schmelzpunkt der Matrix. Wenn ein aus einem einzigen Material bestehendes Werkstück laserbearbeitet wird und das Sprühgas die Temperaturen der Zersetzungsprodukte senkt, fallen die Temperaturen der Zersetzungsprodukte, die durch das Sprühgas weggeblasen werden, unter den Schmelzpunkt des Werkstücks, und es gibt kein Problem mit Zersetzungsprodukten, die das Werkstück berühren. Im Falle von CFK haben die Kohlenstofffasern jedoch einen Schmelzpunkt von 3500 Grad, während das als Matrix dienende Harz einen niedrigeren Schmelzpunkt hat, der bei etwa 250 Grad liegt. Daher ist es schwierig, die Zersetzungsprodukte auf eine niedrigere Temperatur als den Schmelzpunkt der Matrix zu bringen, und die Zersetzungsprodukte haften bei Kontakt mit dem Werkstück an der Matrix.
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Die vorliegende Erfindung entstand im Hinblick auf die obigen Ausführungen, wobei eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin besteht, eine Laserbearbeitungsvorrichtung zu erhalten, die bei der Bearbeitung eines faserverstärkten Verbundmaterials zu einer besseren Qualität führt.
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Lösung der Problemstellung
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Die vorstehende Aufgabe wird durch die Kombination der Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1, 3, 4 und 5 gelöst. Eine bevorzugte Weiterbildung findet sich im abhängigen Anspruch 2.
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Vorteilhafte Wirkung der Erfindung
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Die Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann bei der Bearbeitung eines faserverstärkten Verbundmaterials zu einer besseren Qualität führen.
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Figurenliste
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- 1 veranschaulicht eine funktionelle Konfiguration einer Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 2 veranschaulicht ein Konfigurationsbeispiel einer Hardware der in 1 dargestellten Laserbearbeitungsvorrichtung.
- 3 zeigt eine Draufsicht von 2 von oben gesehen.
- 4 veranschaulicht einen vorteilhaften Effekt der in 2 dargestellten Laserbearbeitungsvorrichtung.
- 5 zeigt eine Hardwarekonfiguration zur Implementierung von Funktionen einer in 1 dargestellten Steuerung.
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Beschreibung einer Ausführungsform
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Im Folgenden werden eine Laserbearbeitungsvorrichtung und ein Laserbearbeitungsverfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren detailliert beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass diese Ausführungsform die vorliegende Erfindung nicht einschränkt.
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Erste Ausführungsform
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1 zeigt eine funktionelle Konfiguration einer Laserbearbeitungsvorrichtung 100 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Laserbearbeitungsvorrichtung 100 umfasst: einen Laseroszillator 11; einen Strahlengang 12; einen Bearbeitungskopf 13; einen Aktor 14; eine Düse 15; einen Rotationsmechanismus 16; einen Detektor 17; und eine Steuerung 18.
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Die Laserbearbeitungsvorrichtung 100 dient zum Schneiden eines Werkstücks W durch Bestrahlen des Werkstücks W mit einem Laserstrahl 1. Das Werkstück W ist ein faserverstärkter Verbundwerkstoff, der eine Matrix und Verstärkungsfasern umfasst. Ein CFK ist ein Beispiel für einen faserverstärkten Verbundwerkstoff. In diesem Beispiel sind die Verstärkungsfasern Kohlenstofffasern mit einem Durchmesser von 5 bis 10 Mikrometern, und die Matrix ist ein wärmehärtendes Harz, wie beispielsweise ein Epoxidharz. Verglichen mit dem Harz, das eine Wärmeleitfähigkeit von 0,3 W/m·K aufweist, haben die Kohlenstofffasern eine hohe Wärmeleitfähigkeit im Bereich von 100 bis 800 W/m·K. Verglichen mit dem Harz, das einen Schmelzpunkt von 250 Grad aufweist, haben die Kohlenstofffasern einen hohen Schmelzpunkt im Bereich von 2000 bis 3500 Grad.
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Der Laseroszillator 11 emittiert den oszillierenden Laserstrahl 1. Beispiele für den Laseroszillator 11 umfassen u.a. einen Faserlaser, einen Kohlendioxidlaser, einen Festkörperlaser, der beispielsweise einen Yttrium-Aluminium-Granat (YAG)-Kristall als Anregungsmedium verwendet, und einen Diodenlaser.
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Der vom Laseroszillator 11 emittierte Laserstrahl 1 wird entlang des Strahlengangs 12 zu dem Bearbeitungskopf 13 geführt. Der sich zum Bearbeitungskopf 13 erstreckende Strahlengang 12 stellt eine Übertragungsstrecke für den vom Laseroszillator 11 emittierten Laserstrahl 1 dar, wobei der Laserstrahl 1 durch die Luft oder eine optische Faser entlang der Übertragungsstrecke geleitet werden kann. Der Strahlengang 12 wird in Abhängigkeit von den Charakteristika des Laserstrahls 1 konzipiert.
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Der Bearbeitungskopf 13 umfasst ein optisches System, das den Laserstrahl 1 auf das Werkstück W fokussiert. Der Bearbeitungskopf 13 bestrahlt das Werkstück W mit dem zugeführten Laserstrahl 1. Das im Bearbeitungskopf 13 enthaltene optische System bietet vorzugsweise einen Brennpunkt nahe einer Oberfläche des Werkstücks W.
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Der Aktor 14 kann eine relative Positionsbeziehung zwischen dem Bearbeitungskopf 13 und dem Werkstück W variabel steuern. Der Aktor 14 der Laserbearbeitungsvorrichtung 100 verschiebt den Bearbeitungskopf 13, um die relative Positionsbeziehung zwischen dem Bearbeitungskopf 13 und dem Werkstück W zu ändern. Der Aktor 14 kann jedoch auch einen Tisch verschieben, auf dem das Werkstück W angeordnet ist, oder er kann sowohl den Bearbeitungskopf 13 als auch den Tisch verschieben, auf dem sich das Werkstück W befindet. Anders ausgedrückt besteht die Funktion des Aktors 14 darin, den Bearbeitungskopf 13 und/oder das Werkstück W zu verschieben.
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Während der Aktor 14 die relative Positionsbeziehung zwischen dem Bearbeitungskopf 13 und dem Werkstück W verändert, bestrahlt der Bearbeitungskopf 13 das Werkstück W mit dem Laserstrahl 1. Dadurch kann das Werkstück W geschnitten werden.
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Die Düse 15 ist eine Gasstrahldüse, die Gas in Richtung eines Bearbeitungspunktes bläst. Der Bearbeitungspunkt ist ein Punkt, an dem das Werkstück W mit dem vom Bearbeitungskopf 13 emittierten Laserstrahl 1 bestrahlt wird und kann als Schnittpunkt zwischen der optischen Achse 1a des Laserstrahls 1 und dem Werkstück W bezeichnet werden. Die Düse 15 bläst das Gas von außerhalb der optischen Achse 1a in Richtung der optischen Achse 1a. Die Position der Düse 15 wird durch den Rotationsmechanismus 16 variiert, der bewirkt, dass sich die Düse 15 um die optische Achse 1a dreht. Die Drehachse der Düse 15 ist mit der optischen Achse 1a ausgerichtet. Der Rotationsmechanismus 16 bewirkt, dass sich die Düse 15 um die optische Achse 1a dreht, wobei dabei das vordere Ende der Düse 15 der optischen Achse 1a zugewandt ist.
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Der Detektor 17 ist ein Sensor, der einen Zustand des Werkstücks W oder einen Zustand der Laserbearbeitungsvorrichtung 100 erfasst. Der Detektor 17 misst die Position des zu bearbeitenden Werkstücks W und führt Messungen bezüglich Lichtintensitäten und Wellenlängen, Schallwellen oder Ultraschallwellen durch, die während der Bearbeitung erzeugt werden und eine physikalische Größe in Form eines Zeitreihensignals aufweisen. Beispiele für den Detektor 17 umfassen: einen kapazitiven Sensor; eine Photodiode; einen CCD (Charge-Coupled Device)-Sensor; einen CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)-Sensor; ein Spektroskop; einen akustischen Sensor; einen Beschleunigungssensor; einen Gyroskopsensor; einen Abstandssensor; einen Positionssensor; einen Temperatursensor; einen Feuchtigkeitssensor; und dergleichen. Der Detektor 17 gibt das Zeitreihensignal, das die Messung angibt, an die Steuerung 18 weiter.
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Die Steuerung 18 steuert Bedingungen, die den Laseroszillator 11, den Aktor 14 und den Rotationsmechanismus 16 einbeziehen, gemäß voreingestellten Bearbeitungsbedingungen, so dass der Laserstrahl 1 eine Bearbeitungsbahn auf dem Werkstück W überstreicht. Die Bearbeitungsbedingungen umfassen beispielsweise ein Material, eine Dicke und eine Oberflächenbeschaffenheit des Werkstücks W. Die Bearbeitungsbedingungen umfassen ferner: die Laserausgangsleistung des Laseroszillators 11; die Laserausgangsfrequenz; ein Tastverhältnis des Lasers; eine Mode; eine Wellenform; eine Wellenlänge; und dergleichen. Die Bearbeitungsbedingungen können umfassen: die Fokusposition des Laserstrahls 1; den Durchmesser des fokussierten Laserlichts; die Art des aus der Düse 15 zu blasenden Gases; den Gasdruck; den Lochdurchmesser der Düse; und die Bearbeitungsgeschwindigkeit. Die Bearbeitungsbedingungen können auch Messungen beinhalten, die vom Detektor 17 eingegeben werden, wie beispielsweise den Abstand zwischen dem Werkstück W und dem Bearbeitungskopf 13, Temperatur und Feuchtigkeit.
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2 veranschaulicht ein Konfigurationsbeispiel für die Hardware der in 1 dargestellten Laserbearbeitungsvorrichtung 100. Das Werkstück W ist hier das faserverstärkte Verbundmaterial mit den Kohlenstofffasern Wa, bei denen es sich um die Verstärkungsfasern handelt, und dem Harz Wb, das die Matrix bildet. Es wird angenommen, dass die Oberfläche des Werkstücks W eine XY-Ebene ist, wobei die Z-Achse senkrecht zur XY-Ebene verläuft. Die Bestrahlungsrichtung des Laserstrahls 1 verläuft parallel zur Z-Achse.
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Ein Teil des in 1 dargestellten Bearbeitungskopfes 13 ist eine optische Einheit 22, die eine Sammellinse 21 aufweist, die den Laserstrahl 1 auf den Bearbeitungspunkt bündelt. Die Düse 15 ist an dem Rotationsmechanismus 16 befestigt. Der Rotationsmechanismus 16 umfasst einen Rahmen 23, ein Lager 24, ein Getriebe 25 und einen Servomotor 26. Der Rahmen 23 des Rotationsmechanismus 16 ist über das Lager 24 drehbar an der optischen Einheit 22 gelagert. Das Rotationszentrum des Rotationsmechanismus 16 ist mit der optischen Achse 1a ausgerichtet. Das Getriebe 25 wird durch den Servomotor 26 gedreht, so dass der Rotationsmechanismus 16 die Düse 15 in jedem beliebigen Drehwinkel positionieren kann. Ein Steuersignal wird von der Steuerung 18 in den Servomotor 26 des Rotationsmechanismus 16 eingegeben. Der Servomotor 26 wird dem Steuersignal gemäß betrieben und ermöglicht so die Positionierungssteuerung der Düse 15.
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Unabhängig davon, wo sich die Düse 15 befindet, ist das vordere Ende der Düse 15 dem Bearbeitungspunkt an der optischen Achse 1a zugewandt. Das bedeutet, dass die Blasrichtung des Gases (D1) dem Bearbeitungspunkt zugewandt ist. Der Winkel Ψ, der durch die Richtung der Düse 15, d. h. durch die Blasrichtung des Gases (D1), und die optische Achse 1a gebildet wird, ist größer als 0 Grad und kleiner als 90 Grad. Ein Schlauch 15a ist mit der Düse 15 verbunden, um das Gas zuzuführen, das aus dem vorderen Ende der Düse 15 geblasen werden soll. Der Schlauch 15a ist so lang, dass eine positive oder negative Drehung der Düse 15 möglich ist.
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Die Düse 15 ist mit einem Spaltsensor 27 ausgestattet, der den Abstand h zwischen dem Werkstück W und dem Spaltsensor 27 misst. Je stärker die Bündelung des Laserstrahls 1 beim Schneiden des faserverstärkten Verbundmaterials ist, desto schneller kann geschnitten werden und desto höher ist die Qualität der Schneidbearbeitung. Ein stark gebündelter Strahl weist jedoch eine geringe Tiefenschärfe auf. Daher ist eine hochgenaue Steuerung des Spaltes erforderlich, d. h. eine Steuerung, die den Abstand h zwischen dem Werkstück W und dem Spaltsensor 27 konstant hält. Beispiele für den Spaltsensor 27 sind ein kapazitiver Sensor, ein Kontaktsensor und ein Wirbelstromsensor. Der Spaltsensor 27 dreht sich fest mit der Düse 15 verbunden um die optische Achse 1a. Eine Sensorleitung 27a ist mit dem Spaltsensor 27 verbunden. Die Sensorleitung 27a ist mit der in 1 dargestellten Steuerung 18 verbunden und liefert an die Steuerung 18 ein Zeitreihensignal, das eine Messung des Spaltsensors 27 angibt. Auf Basis der Messung führt die Steuerung 18 eine Steuerung der Höhe der optischen Einheit 22 entlang der optischen Achse durch, damit der Abstand h zwischen dem Werkstück W und dem Spaltsensor 27 konstant bleibt. Wie der Schlauch 15a ist die Sensorleitung 27a lang genug, um eine positive oder negative Drehung der Düse 15 zu ermöglichen.
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Die Laserbearbeitungsvorrichtung 100 führt eine Schneidbearbeitung durch, die das Werkstück W in ein bearbeitetes Produkt 29 und ein Restmaterial 28 auftrennt, indem das Werkstück W mit dem Laserstrahl 1 bestrahlt wird. Das bearbeitete Produkt 29 ist nach dem Schneiden der Teil, der als Bauteil oder Ähnliches verwendet wird, während es sich bei dem Restmaterial 28 um einen nicht benötigten Teil handelt. Durch Ansteuerung der Steuerung 18 verschiebt sich der Punkt, an dem das Werkstück W mit dem Laserstrahl 1 bestrahlt wird, entlang der Bearbeitungsbahn. In 2, die den Schneidvorgang zeigt, ist die Bearbeitungsbahn durch den Schnittkanal 31, der in einem bereits bearbeiteten Abschnitt des Werkstücks W gebildet wurde, und die Bewegungsrichtung des Laserstrahls 1 (D2) definiert.
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3 zeigt eine Draufsicht der 2 von oben. Beim Schneiden bläst die Laserbearbeitungsvorrichtung 100 entstandene Zersetzungsprodukte 30 durch Steuerung der Position der Düse 15 in Richtung des Restmaterials 28 weg. Die Steuerung 18 steuert die Position der Düse 15 so, dass sich die Düse 15 in Bezug auf die Bearbeitungsbahn auf der Seite des bearbeiteten Produkts 29 befindet. Die Düse 15 ist unabhängig davon, wo sich die Düse 15 befindet, dem Bearbeitungspunkt an der optischen Achse 1a zugewandt, und die optische Achse 1a ist in der Bearbeitungsbahn angeordnet. Daher kann die Blasrichtung des Gases (D1) auf das Restmaterial 28 gerichtet werden, indem die Position der Düse 15 so gesteuert wird, dass sie sich in Bezug auf die Bearbeitungsbahn auf der Seite des bearbeiteten Produkts 29 befindet. Während der Schneidbearbeitung kann die Steuerung 18 bewirken, dass die Düse 15 das Gas von der Seite des bearbeiteten Produkts 29 über den Bearbeitungspunkt hinweg in Richtung des Restmaterials 28 bläst.
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Die Steuerung 18 steuert die Positionierung der Düse 15 so, dass in einer Ebene orthogonal zur optischen Achse 1a der Winkel α zwischen der Bewegungsrichtung des Laserstrahls 1 (D2) und einer Geraden, die sich von der optischen Achse 1a zur Düse 15 erstreckt, auf einem Wert größer 0 Grad und kleiner 180 Grad gehalten wird. Durch die Positionierung der Düse 15, die wie oben beschrieben gesteuert wird, werden die Zersetzungsprodukte 30, die beim Schneiden des faserverstärkten Verbundmaterials entstehen, in Richtung des Restmaterials 28 geblasen. Dadurch kann ein Anhaften der Zersetzungsprodukte 30 an dem bearbeiteten Produkt 29, das nach dem Schneiden erhalten werden soll, unterbunden werden. Mit steigendem Druck des aus der Düse 15 zu blasenden Gases wird dieser Effekt verstärkt, und auch die Zersetzungsprodukte 30 werden wirksamer von der optischen Achse 1a entfernt. Die Steuerung der Positionierung der Düse 15 wie oben beschrieben ermöglicht daher sowohl ein Entfernen der Zersetzungsprodukte 30 von der optischen Achse 1a als auch eine geringere Verschmutzung der Oberfläche des Werkstücks W nach dem Schneiden, so dass eine Schneidbearbeitung mit hoher Geschwindigkeit und hoher Qualität erreicht werden kann.
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In der Ebene orthogonal zur optischen Achse 1a ist der Winkel θ, der durch die Gerade, die sich von der optischen Achse 1a zur Düse 15 erstreckt, und die Gerade, die sich von der optischen Achse 1a zum Spaltsensor 27 erstreckt, gebildet wird, kleiner als 90 Grad. Während die Laserbearbeitungsvorrichtung 100 den CFK schneidet, kann ein Teil der Kohlenstofffasern Wa aufgrund einer unzureichenden thermischen Zersetzung zusammen mit den Zersetzungsprodukten 30 am Bearbeitungspunkt ausgestoßen werden. Da die Kohlenstofffasern Wa leitfähig sind, führt das Eindringen der Kohlenstofffasern Wa in den Raum zwischen dem Spaltsensor 27 und dem Werkstück W zu einer deutlichen Kapazitätsänderung und damit zu einer Verschlechterung der Messgenauigkeit. Dementsprechend ist der Spaltsensor 27 in Bezug auf den Bearbeitungspunkt an der stromaufwärts gelegenen Seite des Gasstroms positioniert, wobei der Winkel θ kleiner als 90 Grad ist. Durch diese Konfiguration kann das Vordringen der Kohlenstofffasern Wa in den Raum zwischen dem Spaltsensor 27 und dem Werkstück W verhindert werden, wodurch eine hochgenaue Messung des Abstands h zwischen dem Werkstück W und dem Spaltsensor 27 möglich ist. Dadurch ist eine Schneidbearbeitung mit hoher Geschwindigkeit und hoher Qualität unter Verwendung eines in vorteilhafter Weise gebündelten Strahls möglich.
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Wenn der Spaltsensor 27 vom Kontakttyp ist, führt eine Akkumulierung von am Spaltsensor 27 anhaftenden Zersetzungsprodukten 30 zu einem entsprechenden zu erfassenden Offsetwert. Wenn der Spaltsensor 27 vom Wirbelstromtyp ist, führt das Anhaften von leitfähigen Kohlenstofffasern Wa am Spaltsensor 27 zudem zu einem Messfehler. Durch einen Winkel θ von weniger als 90 Grad kann das Anhaften der Zersetzungsprodukte 30 am Spaltsensor 27 unterbunden werden, so dass eine Schneidbearbeitung mit hoher Geschwindigkeit und hoher Qualität möglich ist.
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Während des Schneidens steuert die Steuerung 18 den Rotationsmechanismus 16 so, dass in der Ebene orthogonal zur optischen Achse 1a zwischen der Bewegungsrichtung des Laserstrahls 1 (D2) und der Geraden, die sich von der optischen Achse 1a zum Spaltsensor 27 erstreckt, ein Winkel Φ von weniger als 90 Grad eingehalten wird. Beim Schneiden des CFK mit der Laserbearbeitungsvorrichtung 100 können Schnittenden 32 der Kohlenstofffasern Wa in die Schnittrille 31 hineinragen, wie in 2 dargestellt ist. Da die Kohlenstofffasern Wa leitfähig sind, kann ein Spaltsensor 27 vom kapazitiven Typ in der Nähe der Schnittenden 32 eine verringerte Messgenauigkeit aufweisen. Außerdem kann es sich bei einer Vertiefung wie der Schnittrille 31 um einen Faktor handeln, der zu einem Messfehler des Spaltsensors 27 beiträgt. Durch die Einhaltung eines Winkels Φ von weniger als 90 Grad kann die Steuerung 18 den Spaltsensor 27 in Bewegungsrichtung des Laserstrahls 1 (D2), d.h. in der Bewegungsrichtung des Schnitts (D2), vor dem Bearbeitungspunkt positionieren. Daher kann der Spaltsensor 27 ohne Beeinträchtigung durch die überstehenden Schnittenden 32 der Kohlenstofffasern Wa in der Schnittrille 31 den Abstand h an einem flachen Abschnitt außerhalb der Schnittrille 31 messen, so dass Messfehler vermieden werden können. Folglich kann die Steuerung 18 eine hochgenaue Spaltsteuerung erreichen, und die Laserbearbeitungsvorrichtung 100 kann die Schneidbearbeitung mit hoher Geschwindigkeit und hoher Qualität durchführen.
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4 illustriert einen vorteilhaften Effekt der in 2 dargestellten Laserbearbeitungsvorrichtung 100.
Teil (a) von 4 veranschaulicht ein Beispiel, bei dem wie bei der in 2 veranschaulichten Laserbearbeitungsvorrichtung 100 das Sprühgas mittels der Düse 15, bei der es sich um eine Düse mit seitlicher Strömung handelt, von außen in Richtung der optischen Achse 1a zugeführt wird.
Teil (b) von 4 veranschaulicht ein Vergleichsbeispiel, das gewöhnlich bei der zerspanenden Bearbeitung von Blechen verwendet wird. In dem Vergleichsbeispiel wird das Gas mittels einer Düse mit axialer Strömung entlang der optischen Achse 1a in Richtung des Bearbeitungspunktes geblasen.
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Bei der Düse mit axialer Strömung wird ein Teil der weggespritzten Zersetzungsprodukte 30 zurück zum Werkstück W gedrückt und kommt mit der Oberfläche des Werkstücks W in Kontakt. Die Düse mit axialer Strömung bewirkt, dass sich eine Kontaktzone 33, in der die Zersetzungsprodukte 30 die Oberfläche des Werkstücks W berühren, weit über beide Seiten der Bearbeitungsbahn erstreckt. Im Gegensatz dazu führt die Düse mit seitlicher Strömung das Sprühgas von außen in Richtung der optischen Achse 1a zu, so dass die Zersetzungsprodukte 30 in eine einzige Richtung geblasen werden. Wenn die Positionierung der Düse 15 so gesteuert wird, dass die Blasrichtung des Gases (D1) nicht parallel zur Bearbeitungsbahn, sondern relativ zur Bearbeitungsbahn in einem Winkel verläuft, weist einer der beiden durch die Bearbeitungsbahn getrennten Teile die Kontaktzone 33 auf, der andere Teil weist dagegen keine Kontaktzone 33 auf.
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Bei faserverstärkten Verbundwerkstoffen haben die Verstärkungsfasern einen höheren Schmelzpunkt als die Matrix, wobei der Unterschied zwischen den Schmelzpunkten oft groß ist. Im Fall von CFK weisen die Kohlenstofffasern Wa beispielsweise einen Schmelzpunkt von etwa 3500 Grad auf, während das Harz Wb wie bereits erwähnt einen Schmelzpunkt von etwa 250 Grad hat. In diesem Fall wird die Temperatur an der Bearbeitungsposition während der Schneidbearbeitung an den höheren Schmelzpunkt angepasst und ist somit größer oder gleich 3500 Grad. Entsprechend erreichen auch die Temperaturen der Zersetzungsprodukte 30
3500 Grad oder mehr. Wenn die Temperaturen der Zersetzungsprodukte 30, die durch das Sprühgas weggeblasen werden, bis zum Zeitpunkt des Kontakts der Zersetzungsprodukte 30 mit der Oberfläche des Werkstücks W unter den Schmelzpunkt der Kontaktzone 33 fallen, gibt es kein Problem, wenn die Zersetzungsprodukte 30 das Werkstück W berühren. Da jedoch die Temperaturen der Zersetzungsprodukte 30 größer oder gleich 3500 Grad sind und das Harz Wb einen Schmelzpunkt von etwa 250 Grad aufweist, ist es nicht sehr wahrscheinlich, dass die Temperaturen der Zersetzungsprodukte 30 unter den Schmelzpunkt des Harzes Wb gefallen sind, wenn die Zersetzungsprodukte 30 mit dem Werkstück W in Kontakt kommen. Wenn es sich bei dem Werkstück W um ein faserverstärktes Verbundmaterial handelt, wird seine Oberfläche an der Kontaktzone 33 prozessiert und somit kontaminiert.
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Eine Verringerung des Sprühgasdrucks der Düse 15 ermöglicht eine geringere Verschmutzung der Oberfläche des Werkstücks W; allerdings konvektieren die Zersetzungsprodukte 30 an der optischen Achse 1a und streuen und absorbieren den Laserstrahl 1, was zu einer Verschlechterung der Bearbeitungsqualität und zu einem Rückgang der Bearbeitungsgeschwindigkeit führt. Wenn der Gasdruck auf beispielsweise 0,1 MPa oder mehr erhöht wird, können die Zersetzungsprodukte 30 besser von der optischen Achse 1a entfernt werden; die Fläche der Kontaktzone 33 wird jedoch größer.
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Dementsprechend wird wie in der ersten Ausführungsform beschrieben der Rotationsmechanismus 16 so gesteuert, dass die Düse 15, die das Gas in Richtung der optischen Achse 1a bläst, auf der Seite der Bearbeitungsbahn positioniert wird, auf der das bearbeitete Produkt 29 gebildet wird. Dadurch befindet sich die Kontaktzone 33, in der die Zersetzungsprodukte 30 die Oberfläche des Werkstücks W berühren, am Restmaterial 28, wodurch ein Kontakt zwischen den Zersetzungsprodukten 30 und dem bearbeiteten Produkt 29 verhindert werden kann. Da in diesem Fall das Restmaterial 28, das nach dem Schneiden nicht mehr benötigt wird, die Kontaktzone 33 aufweist, kann die Fläche der Kontaktzone 33 vergrößert werden. Daher kann zur Erhöhung der Bearbeitungsgeschwindigkeit der Gasdruck erhöht werden.
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5 veranschaulicht eine Hardwarekonfiguration zur funktionalen Implementierung der in 1 dargestellten Steuerung 18. Die Steuerung 18 der Laserbearbeitungsvorrichtung 100 ist funktional durch eine Steuervorrichtung implementiert, die, wie in 5 dargestellt ist, eine Zentraleinheit (CPU) 201, einen Speicher 202, eine Speichervorrichtung 203, eine Anzeigevorrichtung 204 und eine Eingabevorrichtung 205 aufweist. Die Steuerung 18 ist funktional unter Verwendung von Software, Firmware oder einer Kombination aus Software und Firmware implementiert. Die Software oder Firmware liegt in Form von Computerprogrammen vor und ist in der Speichervorrichtung 203 gespeichert. Die CPU 201 lädt die in der Speichervorrichtung 203 gespeicherte Software oder Firmware in den Speicher 202 und führt die Software oder Firmware zur funktionalen Implementierung der Steuerung 18 aus. Das bedeutet, dass bei der funktionalen Implementierung der Steuerung 18 durch die CPU 201 ein Computersystem die Speichervorrichtung 203 umfasst, in der die Programme gespeichert sind, die letztendlich die bei der ersten Ausführungsform beschriebenen Schritte zum Betrieb der Steuerung 18 ausführen. Man kann sagen, dass diese Programme einen Computer veranlassen, eine Verarbeitung für die funktionale Implementierung der Steuerung 18 durchzuführen. Der Speicher 202 entspricht einem flüchtigen Speicherbereich, beispielsweise einem Direktzugriffsspeicher (RAM). Die Speichervorrichtung 203 entspricht einem nichtflüchtigen oder flüchtigen Halbleiterspeicher, wie beispielsweise einem Festwertspeicher (ROM) oder Flash-Speicher, oder einer Magnetplatte. Konkrete Beispiele für die Anzeigevorrichtung 204 umfassen einen Monitor und ein Display. Konkrete Beispiele für die Eingabevorrichtung 205 umfassen eine Tastatur, eine Maus und ein Touchpanel.
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Wie oben beschrieben wurde, umfasst die Laserbearbeitungsvorrichtung 100 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung: die Düse 15, die das Sprühgas von außen in Richtung der optischen Achse 1a des Laserstrahls 1 zuführt; den Rotationsmechanismus 16, der bewirkt, dass sich die Düse 15 oder das Werkstück W um die optische Achse 1a dreht; und die Steuerung 18, die den Rotationsmechanismus 16 während der Schneidbearbeitung steuert, um die Düse 15 auf der Seite der Bearbeitungsbahn (Schnittbahn) zu positionieren, die später das bearbeitete Produkt 29 bildet. Durch diese Konfiguration bleibt die Düse 15, die das Gas in Richtung der optischen Achse 1a bläst, auf der Seite der Bearbeitungsbahn, die zu dem bearbeiteten Produkt 29 wird, so dass das Gas aus der Düse 15 in Richtung D1 des Restmaterials 28 geblasen wird. Dementsprechend werden die Zersetzungsprodukte 30, die beim Schneiden entstehen, in Richtung des Restmaterials 28 geblasen. Folglich kann das Anhaften der Zersetzungsprodukte 30 an dem bearbeiteten Produkt 29 verhindert werden. Daher kann die Qualität der Bearbeitung des faserverstärkten Verbundmaterials verbessert werden.
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Die Laserbearbeitungsvorrichtung 100 umfasst auch den Spaltsensor 27, der zur Erfassung des Abstands h zwischen dem Werkstück W und dem Spaltsensor 27 an der Düse 15 befestigt ist. Der Winkel θ, der von der Geraden, die von der optischen Achse 1a zur Düse 15 verläuft, und der Geraden, die von der optischen Achse 1a zum Spaltsensor 27 verläuft, gebildet wird, beträgt hier weniger als 90 Grad. Durch diese Konfiguration bleibt der Spaltsensor 27 in Bezug auf den Bearbeitungspunkt auf der stromaufwärtigen Seite des Gasstroms. Dementsprechend wird verhindert, dass Kohlenstofffasern Wa in den Raum zwischen dem Spaltsensor 27 und dem Werkstück W gelangen, und folglich kann der Abstand h zwischen dem Werkstück W und dem Spaltsensor 27 sehr präzise gemessen werden. Somit ist eine schnelle und qualitativ hochwertige Schneidbearbeitung mit einem in vorteilhafter Weise gebündelten Strahl möglich.
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Während des Schneidens steuert die Steuerung 18 der Laserbearbeitungsvorrichtung 100 den Rotationsmechanismus 16 so, dass der Winkel Φ zwischen der Bewegungsrichtung des Laserstrahls 1 (D2) und der Geraden, die sich von der optischen Achse 1a zum Spaltsensor 27 erstreckt, weniger als 90 Grad beträgt. Diese Konfiguration bewirkt, dass der Spaltsensor 27 in Bewegungsrichtung des Laserstrahls 1 (D2) vor dem Bearbeitungspunkt bleibt. Der Spaltsensor 27 kann demnach den Abstand h an dem flachen Abschnitt messen, an dem die Schnittnut 31 nicht ausgebildet ist, so dass ein Messfehler verhindert wird. Folglich kann die Laserbearbeitungsvorrichtung 100 den Spalt hochgenau steuern und mit hoher Geschwindigkeit und hoher Qualität schneiden.
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Die in der Ausführungsform oben veranschaulichten Konfigurationen erläutern den Inhalt der vorliegenden Erfindung und sie können mit anderen allgemein bekannten Techniken kombiniert und teilweise weggelassen oder geändert werden, ohne vom Kern der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
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Der Rotationsmechanismus 16, bei dem das Getriebe 25 bei der ersten Ausführungsform zum Bewegen der Düse 15 verwendet wird, kann zum Beispiel durch einen Riemen angetrieben werden. Der in der ersten Ausführungsform beschriebene Schlauch 15a ist lang genug, um die Rotation der Düse 15 zu ermöglichen; für die Zufuhr des Gases zur Düse 15 kann anstelle des Schlauchs 15a jedoch auch eine Drehverbindung mit einem verschiebbaren Dichtungselement verwendet werden. In ähnlicher Weise ist die Sensorleitung 27a, die mit dem Spaltsensor 27 verbunden ist, bei der ersten Ausführungsform lang genug, damit die Düse 15 gedreht werden kann; anstelle der Sensorleitung 27a kann jedoch auch ein Gleitring unter Verwendung einer Bürste verwendet werden.
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Bei der ersten Ausführungsform bewirkt der Rotationsmechanismus 16 eine Drehung der Düse 15 um die optische Achse 1a. Die vorliegende Ausführungsform ist jedoch nicht auf dieses Beispiel beschränkt. Zum Beispiel kann der Rotationsmechanismus 16 das Werkstück W um die optische Achse 1a rotieren lassen.
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Bei der ersten Ausführungsform ist das Werkstück W ein faserverstärkter Verbundwerkstoff, wobei die Verstärkungsfasern Kohlenstofffasern Wa sind und die Matrix ein Harz Wb ist, bei dem es sich um ein wärmehärtendes Harz handelt, wie es durch Epoxidharz veranschaulicht wurde. Die vorliegende Ausführungsform ist jedoch nicht auf dieses Beispiel beschränkt. Anstelle der Kohlenstofffasern Wa kann es sich auch um Siliciumcarbid (SiC)-Fasern, Bor (B)-Fasern oder andere Verstärkungsfasern handeln. Anstelle des wärmehärtenden Harzes kann ein thermoplastisches Harz, wie beispielsweise Polyamidharz oder Polycarbonatharz, die Matrix bilden. Die bei der vorliegenden Ausführungsform beschriebenen Techniken sind nicht auf einen faserverstärkten Verbundwerkstoff beschränkt, wobei sie auch für andere Verbundwerkstoffe geeignet sind, die jeweils mehrere Materialien mit unterschiedlichen thermischen Eigenschaften umfassen. Die bei der vorliegenden Ausführungsform beschriebenen Techniken sind für Verbundwerkstoffe besonders effektiv, sie können jedoch nicht nur bei der Laserbearbeitung von Verbundwerkstoffen, sondern auch von diversen anderen Materialien eingesetzt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Laserstrahl;
- 1a
- optische Achse;
- 11
- Laseroszillator;
- 12
- Strahlengang;
- 13
- Bearbeitungskopf;
- 14
- Aktor;
- 15
- Düse;
- 16
- Rotationsmechanismus;
- 17
- Detektor;
- 18
- Steuerung;
- 21
- Sammellinse;
- 22
- optische Einheit;
- 23
- Rahmen;
- 24
- Lager;
- 25
- Getriebe;
- 26
- Servomotor;
- 27
- Spaltsensor;
- 28
- Restmaterial;
- 29
- bearbeitetes Produkt;
- 30
- Zersetzungsprodukt;
- 31
- Schnittkanal;
- 32
- Schnittende;
- 33
- Kontaktzone;
- 100
- Laserbearbeitungsvorrichtung;
- 201
- CPU;
- 202
- Speicher;
- 203
- Speichervorrichtung;
- 204
- Anzeigevorrichtung;
- 205
- Eingabevorrichtung;
- D1
- Blasrichtung;
- D2
- Bewegungsrichtung;
- h
- Abstand;
- W
- Werkstück;
- Wa
- Kohlenstofffaser;
- Wb
- Harz;
- α, Ψ, θ, Φ
- Winkel.
