DE112018008110T5

DE112018008110T5 - Laserbearbeitungsverfahren und Laserbearbeitungsvorrichtung

Info

Publication number: DE112018008110T5
Application number: DE112018008110.9T
Authority: DE
Inventors: Koji Funaoka; Masayuki Saiki; Takashi Inoue
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2018-12-03
Filing date: 2018-12-03
Publication date: 2021-08-19
Also published as: WO2020115797A1; CN113165117A; JPWO2020115797A1; US20210308800A1; US20220001493A1; US11697177B2; JP6628939B1; US11548099B2

Abstract

Ein Laserbearbeitungsverfahren zur Laserbearbeitung eines Werkstücks, das aus einem Grundmaterial und einem faserverstärkten Verbundmaterial gefertigt ist, das Fasern enthält, die eine thermische Leitfähigkeit und einen Verarbeitungsschwellwert aufweisen, die höher als die physikalischen Eigenschaften von Glasfasern sind. Das Laserbearbeitungsverfahren umfasst einen Schritt der Bearbeitung des Werkstücks durch Ausbilden einer Mehrzahl von Durchgangslöchern, die sich durch das Werkstück erstrecken, durch Bestrahlen des Werkstücks mit einem gepulsten Laserlicht (1) von einem Bearbeitungskopf aus, während sich das Werkstück und der Bearbeitungskopf relativ zueinander in eine vorbestimmte Schnittrichtung bewegen. Das gepulste Laserlicht (1) weist eine Pulsweite auf, die kleiner als 1 ms ist, und eine Energiedichte, die dazu fähig ist, jedes der Durchgangslöcher mit einem einzigen Puls auszubilden.

Description

Feld
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laserbearbeitungsverfahren und eine Laserbearbeitungsvorrichtung zum Schneiden eines Werkstücks durch Emittieren eines Laserlichts auf das Werkstück.
Hintergrund
Faserverstärkte Verbundmaterialien, wie etwa Glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK), die aus einem Grundmaterial und verstärkenden Fasern zusammengesetzt sind, haben zuletzt Aufmerksamkeit als starke und leichte Materialien erregt. Weil das Grundmaterial und die verstärkenden Fasern voneinander verschiedene Charakteristiken aufweisen, sind faserverstärkte Verbundmaterialien dafür bekannt, schwer zu bearbeiten zu sein. Eine Laserbearbeitungsvorrichtung kann die Bearbeitungsgeschwindigkeit durch Erhöhung einer Laserausgabe erhöhen und kann daher zur Bearbeitung von faserverstärktem Verbundmaterial verwendet werden, wenn eine hohe Bearbeitungsgeschwindigkeit erforderlich ist.
Patentliteratur 1 beschreibt ein Ausbilden einer Mehrzahl von Durchgangslöchern, die jeweils durch einen einzelnen Puls eines gepulsten Laserlichts ausgebildet werden, und das teilweise miteinander überlappend machen einander benachbarter Durchgangslöcher, um einen glasfaserverstärkten Harzfilm zu schneiden.
Zi tierungsliste
Patentliteratur
Patentliteratur 1: Offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 2011-098381
Überblick
Technisches Problem
Patentliteratur 1 erwähnt jedoch nicht das Schneiden eines faserverstärkten Verbundmaterials, das Fasern enthält, die physikalische Eigenschaften in Bezug auf einen Verarbeitungsschwellwert und eine thermische Leitfähigkeit aufweisen, die signifikant höher als die von GFK sind.
Beispielsweise besteht ein kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK) aus zwei Arten von Materialien, welche Kohlenstofffasern und Harz sind, die thermische Eigenschaften aufweisen, die sich signifikant voneinander unterscheiden und die Kohlenstofffasern, die eine thermische Leitfähigkeit aufweisen, die höher ist als die des Harzes, als einen Übertragungspfad der Wärme wirken, die während der Laserbearbeitung erzeugt wird. Bei CFK weisen die Kohlenstofffasern einen Schmelzpunkt von ca. 3500 °C auf und das Harz einen Schmelzpunkt von ca. 250 °C. In diesem Fall wird die Temperatur an einem Bearbeitungspunkt während eines Schneidens auf den höheren Schmelzpunkt eingestellt, das heißt auf 3500 °C oder höher. Daher besteht die Sorge, dass sich während der Laserbearbeitung eines CFKs ein thermischer Schaden während der Bearbeitung durch das Harz um einen bearbeiteten Abschnitt herum ausbreitet, und zwar aufgrund von Wärme, die von den Kohlenstofffasern übertragen wird. Daher ist es bei Schneiden von CFK erwünscht, dass ein Loch ausgebildet wird um das CFK mit einem einzelnen Puls eines gepulsten Lasers zu durchstoßen, um die thermischen Wirkungen auf das Harz zu reduzieren.
Bei CFK nehmen, wenn die Haftung an einer Berührungsfläche zwischen einer Faseroberfläche und dem Harz durch thermischen Schaden verringert ist, die mechanischen Festigkeitseigenschaften des CFKs als ein Strukturmaterial ab, und die Qualität des geschnittenen CFKs wird verringert. Daher muss bei der Bearbeitung von CFK eine Ausbreitung von thermischen Schaden in der Umgebung eines Bearbeitungspunkts möglichst vermieden werden.
Die vorliegende Erfindung wurde mit Blick auf das oben genannte getätigt und ein Ziel davon ist es, ein Laserbearbeitungsverfahren bereitzustellen, das in der Lage ist, ein faserverstärktes Verbundmaterial mit einer verringerter thermischer Wirkung auf das Harz in dem faserverstärkten Verbundmaterial zu bearbeiten.
Lösung des Problems
Um die zuvor genannten Probleme zu Lösen und das Ziel zu erreichen, ist ein Laserbearbeitungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ein Laserbearbeitungsverfahren zur Laserbearbeitung eines Werkstücks, das aus einem Grundmaterial und einem faserverstärkten Verbundmaterial gefertigt ist, wobei das faserverstärkte Verbundmaterial Fasern enthält, die eine thermische Leitfähigkeit und einen Verarbeitungsschwellwert aufweisen, die höher als die physikalischen Eigenschaften von Glasfasern sind. Das Laserbearbeitungsverfahren umfasst einen Schritt der Verarbeitung des Werkstücks durch Ausbilden einer Mehrzahl von Durchgangslöchern, die sich durch das Werkstück erstrecken, durch Bestrahlen des Werkstücks mit einem gepulsten Laserlicht von einem Bearbeitungskopf aus, während sich das Werkstück und der Bearbeitungskopf relativ zueinander in eine vorbestimmte Schnittrichtung bewegen. Das gepulste Laserlicht weist eine Pulsweite auf, die kleiner als 1 ms ist, und weist eine Energiedichte auf, die dazu fähig ist, jedes der Durchgangslöcher mit einem einzigen Puls auszubilden.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Ein Laserbearbeitungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugt eine Wirkung des Ermöglichens einer Bearbeitung eines faserverstärkten Verbundmaterials mit einer verringerten thermischen Wirkung auf Harz in dem faserverstärkten Verbundmaterial.
Figurenliste

1 ist ein Diagramm, das eine funktionale Konfiguration einer Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist eine schematische Ansicht, die ein Beispiel einer Hardwarekonfiguration der in 1 gezeigten Laserbearbeitungsvorrichtung zeigt.
3 ist eine Zeichnung, die ein Laserbearbeitungsverfahren zeigt, das von der in 1 gezeigten Laserbearbeitungsvorrichtung verwendet wird.
4 ist eine Tabelle, die die physikalischen Eigenschaften eines CFKs zeigt.
5 ist ein Graph, der eine Ausgabe-Wellenform eines gepulsten Lasers zeigt, welcher das gepulste Laserlicht ist, das in der in 1 gezeigten Laserbearbeitungsvorrichtung ausgegeben wird, wobei der Graph die Ausgabe-Wellenform des gepulsten Lasers zeigt, der eine Energie aufweist, die in der Lage ist durch eine einzelne Bestrahlung ein Bearbeitungsloch auszubilden, das ein Durchgangsloch ist, das sich durch das Werkstück in die Richtung der Dicke erstreckt.
6 ist eine schematische Ansicht, die einen Bearbeitungszustand zeigt, in dem die Bearbeitungsbedingungen zur Bearbeitung eines Werkstücks mit dem gepulsten Laserlicht nicht die Bedingung der Formel (3) erfüllen und im Besonderen, wenn ein Überlappungsverhältnis kleiner als 0 ist.
7 ist eine schematische Ansicht, die einen Bearbeitungszustand zeigt, in dem die Bearbeitungsbedingungen zur Bearbeitung eines Werkstücks mit dem gepulsten Laserlicht die Bedingung der Formel (3) erfüllen.
8 ist eine schematische Ansicht, die einen Bearbeitungszustand zeigt, in dem die Bearbeitungsbedingungen zur Bearbeitung eines Werkstücks mit dem gepulsten Laserlicht nicht die Bedingung der Formel (3) erfüllen und im Besonderen, wenn ein Überlappungsverhältnis gleich oder größer 0,5 ist.
9 ist eine schematische Schnittansicht, die einen Zustand unmittelbar nach einer ersten Bestrahlung eines Bearbeitungspunktes des Werkstücks mit dem gepulsten Laserlicht zeigt.
10 ist eine schematische Schnittansicht, die einen Zustand während einer Periode zeigt, in der ein Bodenstück eines Lochs nach der ersten Bestrahlung des Bearbeitungspunkts des Werkstücks mit dem gepulsten Laserlicht stehen gelassen ist.
11 ist eine schematische Schnittansicht, die einen Zustand unmittelbar nach einer zweiten Bestrahlung eines Bearbeitungspunktes des Werkstücks mit dem gepulsten Laserlicht zeigt.
12 ist eine schematische Schnittansicht, die einen Zustand während einer Periode zeigt, in der das Bodenstück des Lochs nach der zweiten Bestrahlung des Bearbeitungspunkts des Werkstücks mit dem gepulsten Laserlicht stehen gelassen ist.
13 ist eine schematische Schnittansicht, die einen Zustand zeigt, nachdem der Bearbeitungspunkt des Werkstücks mit dem gepulsten Laserlicht mehrfach bestrahlt wurde und somit ein Durchgangsloch durch das Werkstück ausgebildet ist.
14 ist ein Graph, der eine Ausgabe-Wellenform eines CW-Lasers für einen Fall zeigt, in dem Schneiden durch den CW-Laser bei der gleichen Bearbeitungsgeschwindigkeit durchgeführt wird, wie der gepulste Laser, der die in 5 gezeigte Ausgabe-Wellenform aufweist.
15 ist ein Diagramm, das ein Beispiel zeigt, in dem eine Seitenflussdüse zum Emittieren eines Gasstrahls von außerhalb einer optischen Achse zu der optischen Achse hin genutzt wird.
16 ist ein Diagramm, das ein Beispiel zeigt, in dem eine axiale Düse zum Emittieren eines Gasstrahls in eine Richtung entlang der optischen Achse zu einem Bearbeitungspunkt hin verwendet wird.
17 ist eine Tabelle, die ein Beispiel von Schneidebedingungen zeigt, mit welchen eine gute Bearbeitungsqualität eines Werkstücks durch Schneiden unter Verwendung der Laserbearbeitungsvorrichtung erlangt wurde.
18 zeigt ein Bild eines Bearbeitungstestobjekts, das durch das Schneiden unter Verwendung der Laserbearbeitungsvorrichtung geschnitten wurde.
19 zeigt ein vergrößertes Bild eines Bereichs A des in 18 gezeigten Bearbei tungstesto bj ekts.
20 ist ein Diagramm, das ein Laserbearbeitungsverfahren zum Schneiden einer Schnittlänge zeigt, und zwar durch Ausführen eines zweifachen Abtastens mit dem gepulsten Laserlicht bei der in 1 gezeigten Laserbearbeitungsvorrichtung, wobei ein Zustand eines ersten Abtastens mit dem gepulsten Laserlicht gezeigt ist.
21 ist ein Diagramm, das das Laserbearbeitungsverfahren zum Schneiden der Schnittlänge zeigt, und zwar durch Ausführen eines zweifachen Abtastens mit dem gepulsten Laserlicht bei der in 1 gezeigten Laserbearbeitungsvorrichtung, wobei ein Zustand eines zweiten Abtastens mit dem gepulsten Laserlicht gezeigt ist.
22 ist ein Diagramm, das eine Hardware-Konfiguration zum Implementieren der Funktionen einer in 1 gezeigten Steuerungseinheit zeigt.

Beschreibung von Ausführungsformen
Ein Laserbearbeitungsverfahren und eine Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß bestimmter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Detail beschrieben. Man beachte, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die Ausführungsformen beschränkt ist.
Erste Ausführungsform.
1 ist ein Diagramm, das eine funktionale Konfiguration einer Laserbearbeitungsvorrichtung 100 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. 2 ist eine schematische Ansicht, die ein Beispiel einer Hardwarekonfiguration der in 1 gezeigten Laserbearbeitungsvorrichtung 100 zeigt. 3 ist eine Zeichnung, die ein Laserbearbeitungsverfahren zeigt, das von der in 1 gezeigten Laserbearbeitungsvorrichtung 100 verwendet wird. 3 zeigt einen Hauptteil, der sich auf Laserbearbeitung bezieht, die von der Laserbearbeitungsvorrichtung 100 ausgeführt wird. Die Laserbearbeitungsvorrichtung 100 umfasst einen Laser-Oszillator 11, einen optischen Pfad 12, einen Bearbeitungskopf 13, eine Antriebseinheit 14, eine Düse 15, einen Düsen-Bewegungsmechanismus 16, eine Erfassungseinheit 17 und eine Steuerungseinheit 18.
Die Laserbearbeitungsvorrichtung 100 hat eine Funktion des Bestrahlens eines Werkstücks W mit einem gepulsten Laserlicht 1 um das Werkstück W zu schneiden. Das Werkstück W ist in der ersten Ausführungsform ein plattenartiges Werkstück, das aus einem faserverstärkten Verbundmaterial gefertigt ist, das ein Grundmaterial und verstärkende Fasern umfasst. Ein Beispiel des faserverstärkten Verbundmaterials ist CFK. Das CFK ist ein Werkstück, das aus einem faserverstärkten Verbundmaterial gefertigt ist, das ein Grundmaterial umfasst und eine Faser, die eine höhere thermische Leitfähigkeit und einen höheren Verarbeitungsschwellwert aufweist, als die physikalischen Eigenschaften einer Glasfaser.
4 ist eine Tabelle, die physikalische Eigenschaften von CFK zeigt. Bei CFK sind die verstärkenden Fasern Kohlenstofffasern, die einen Durchmesser in einem Bereich zwischen größer oder gleich 5 Mikrometern und kleiner oder gleich 10 Mikrometern aufweisen. Bei dem Werkstück W ist eine Mehrzahl von verstärkenden Fasern entlang einer vorbestimmten Richtung angeordnet. In 3 ist die vorbestimmte Richtung von unten links nach oben rechts der Zeichnung.
Das Grundmaterial ist ein wärmehärtbares Harz, das als Epoxidharz typisiert ist. Die Kohlenstofffasern weisen eine thermische Leitfähigkeit in einem Bereich zwischen gleich oder größer 100 W/m.K und kleiner oder gleich 800 W/m·K auf, was höher ist, als die thermische Leitfähigkeit des Harzes, die 0,3 W/m·K beträgt. Die Kohlenstofffasern weisen einen Schmelzpunkt in einem Bereich zwischen gleich oder größer als 2000 °C und kleiner oder gleich 3500 °C auf, was höher ist, als der Schmelzpunkt des Harzes, der gleich oder kleiner 250 °C ist. Somit weisen die Kohlenstofffasern und das Harz in dem CFK Schmelzpunkte auf und thermische Leitfähigkeiten auf, die sich voneinander signifikant unterscheiden; die Kohlenstofffasern weisen in Bezug auf beide Eigenschaften signifikant höhere Werte auf als das Grundmaterial. Somit ist CFK, welches ein Beispiel des faserverstärkten Verbundmaterials ist, ein Verbundmaterial, das das Grundmaterial und die Kohlenstofffasern, die eine thermische Leitfähigkeit und einen Verarbeitungsschwellwert, die höher sind als die der Grundmaterials, umfassen.
Das Werkstück W, das aus dem CFK gefertigt ist, umfasst Kohlenstofffasern Wa, welche verstärkende Fasern sind, und ein Harz Wb, welches das Grundmaterial ist. Während 2 etc. einen Zustand zeigen, in welchem eine Mehrzahl von Kohlenstofffasern Wa in einer Mehrzahl von Schichten in dem Harz Wb angeordnet sind, um die Darstellung zu vereinfachen, sind in der Praxis mehr Kohlenstofffasern Wa in der vorbestimmten Richtung in dem Harz Wb angeordnet. Es ist anzunehmen, dass die Oberfläche des Werkstücks W in einer XY-Ebene liegt und die Richtung im rechten Winkel auf die XY-Ebene eine Z-Achsen-Richtung ist. Die Emissionsrichtung des gepulsten Laserlichts 1 ist parallel zur Z-Achse.
Zum Vergleich sind die physikalischen Eigenschaften von dem GFK, das ein Werkstück in Patentliteratur 1 ist auch in 4 dargestellt. 4 zeigt, dass der CFK einen Verarbeitungsschwellwert und eine thermische Leitfähigkeit aufweist, die beide signifikant höher sind, als die des GFK. Man beachte, dass die hohe thermische Leitfähigkeit der Kohlenstofffasern bedeutet, dass große Befürchtung besteht, dass sich thermischer Schaden am Harz um einen Bearbeitungsabschnitt ausbreitet, aufgrund von Wärme, die während der Laserbearbeitung von den Kohlenstofffasern übertragen wird. Der hohe Schmelzpunkt der Kohlenstofffasern bedeutet, dass die Kohlenstofffasern schwer zu verarbeiten sind. Somit bedeutet der hohe Schmelzpunkt der Kohlenstofffasern, dass die Kohlenstofffasern einen hohen Verarbeitungsschwellwert aufweisen und schwer zu verarbeiten sind. Der Verarbeitungsschwellwert bezieht sich auf eine minimale Energiedichte des gepulsten Laserlichts 1, bei der sich das Werkstück, wenn es mit dem gepulsten Laserlicht 1 bestrahlt wird, zu zersetzen beginnt.
Der Laser-Oszillator 11 oszilliert und emittiert das gepulste Laserlicht 1. Der Laser-Oszillator 11, der in der Laserbearbeitungsvorrichtung 100 gemäß der ersten Ausführungsform verwendet wird, ist bevorzugterweise ein CO2-Laser-Oszillator. Somit ist das gepulste Laserlicht 1, das bei der Laserbearbeitungsvorrichtung 100 gemäß der ersten Ausführungsform verwendet wird, bevorzugt ein CO2-Laser-Oszillator.
Das gepulste Laserlicht 1, das von dem Laser-Oszillator 11 emittiert wird, wird an den Bearbeitungskopf 13 über den optischen Pfad 12 bereitgestellt. Der optische Pfad 12 ist ein Pfad zur Übertragung des gepulsten Laserlichts 1, das von dem Laser-Oszillator 11 emittiert wird, an den Bearbeitungskopf 13 und kann ein Pfad sein, in dem sich das gepulste Laserlicht 1 in der Luft fortsetzt, oder ein Pfad zur Übertragung des gepulsten Laserlichts 1 durch eine optische Faser. Der optische Pfad 12 ist abhängig von den Eigenschaften des gepulsten Laserlichts 1 gestaltet.
Der Bearbeitungskopf 13 umfasst ein optisches System zum Fokussieren des gepulsten Laserlichts 1 auf das Werkstück W. Der Bearbeitungskopf 13 sammelt das bereitgestellte gepulste Laserlicht 1 und bestrahlt eine Oberfläche des Werkstücks W, welche eine zu bearbeitende Oberfläche ist, mit dem gepulsten Laserlicht 1. Der Bearbeitungskopf 13 umfasst erwünschterweise ein optisches System, das nahe der Oberfläche des Werkstücks W fokussiert.
Die Antriebseinheit 14 kann eine Steuerung ausführen, um die relativen Positionen des Bearbeitungskopfes 13 und des Werkstücks W zueinander zu ändern. Während die Antriebseinheit 14 bei der Laserbearbeitungsvorrichtung 100 die relativen Positionen des Bearbeitungskopfs 13 und des Werkstücks W zueinander durch Änderung der Position des Bearbeitungskopfes 13 ändert, kann die Antriebseinheit 14 alternativ die Position eines Tisches, auf dem das Werkstück W platziert ist, oder die Positionen sowohl des Bearbeitungskopfes 13, als auch des Tisches, auf dem das Werkstück W platziert ist, ändern. Somit kann die Antriebseinheit 14 eine Funktion des Änderns der Position des Bearbeitungskopfs 13 und/oder des Werkstücks W umfassen.
Das Schneiden des Werkstücks W wird durch den Bearbeitungskopf 13 durch Bestrahlen des Werkstücks W mit dem gepulsten Laserlicht 1 durchgeführt, während die Antriebseinheit 14 die relativen Positionen des Bearbeitungskopfs 13 und des Werkstücks W zueinander ändert.
Die Düse 15 ist eine Gasstrahldüse zur Emission eines Gasstrahls 23 auf einen Abschnitt des Werkstücks W, der mit dem gepulsten Laserlicht 1 aus dem Bearbeitungskopf 13 bestrahlt wird. Die Düse 15 emittiert den Gasstrahl 23 von außerhalb der optischen Achse 1a des gepulsten Laserlichts 1, welches von dem Bearbeitungskopf 13 auf das Werkstück W emittiert wird, zu der optischen Achse 1a hin. Genauer emittiert die Düse 15 einen Gasstrahl 23 von außerhalb der optischen Achse 1a des gepulsten Laserlichts 1, welches von dem Bearbeitungskopf 13 auf das Werkstück W emittiert wird, zu einem Bearbeitungspunkt auf dem Werkstück W hin, der von dem gepulsten Laserlicht 1 bearbeitet wird. Die Position der Düse 15 wird durch den Düsen-Bewegungsmechanismus 16 geändert. Die Position der Düse 15 kann durch Steuerung der Steuerungseinheit 18 während der Bearbeitung des Werkstücks W zu jeder Position bewegt werden.
Die Erfassungseinheit 17 ist ein Sensor zur Erfassung des Werkstücks W oder der Laserbearbeitungsvorrichtung 100. Die Erfassungseinheit 17 misst als Zeitreihensignale die Position des Werkstücks, das bearbeitet wird, und gemessene Werte physikalischer Größen wie die Intensität und Wellenlänge von Licht, Schallwellen und Ultraschallwellen, die während der Bearbeitung erzeugt werden. Die Erfassungseinheit 17 ist beispielsweise ein kapazitiver Sensor, eine Photodiode, ein Charge-Coupled-Device-Sensor (CCD-Sensor), ein komplementärer Metalloxidhalbleiter-Sensor (CMOS-Sensor), ein Spektroskop, ein Schallsensor, ein Beschleunigungssensor, ein Neigungssensor, ein Abstandssensor, ein Positionssensor, ein Temperatursensor, ein Feuchtigkeitssensor, oder dergleichen. Die Erfassungseinheit 17 gibt Zeitreihensignale, die die gemessenen Werte anzeigen, in die Steuerungseinheit 18 ein.
Die Steuerungseinheit 18 steuert den Laser-Oszillator 11, die Antriebseinheit 14, den Düsen-Bewegungsmechanismus 16 und dergleichen, sodass das gepulste Laserlicht 1 einen Bearbeitungspfad auf dem Werkstück W abtastet, und zwar in Übereinstimmung mit eingestellten Bearbeitungsbedingungen und den gemessenen Werten, die von der Erfassungseinheit 17 übermittelt werden. Die Bearbeitungsbedingungen umfassen beispielsweise die Materialien, die Dicke und den Oberflächenzustand des Werkstücks W. Die Bearbeitungsbedingungen umfassen ferner die Laserausgabeintensität, die Laserausgabefrequenz, den Tastgrad, die Mode, die Wellenform und die Wellenlänge der Laserausgabe des Laser-Oszillators 11 und dergleichen. Die Bearbeitungsbedingungen können die Fokusposition des gepulsten Laserlichts 1, den Fokusdurchmesser des gepulsten Laserlichts 1, den Typ und den Druck des von der Düse 15 emittierten Gases, den Lochdurchmesser der Düse, die Bearbeitungsgeschwindigkeit und dergleichen umfassen. Zusätzlich können die Bearbeitungsbedingungen auch die gemessen Werte, die von der Erfassungseinheit 17 eingegeben werden, umfassen, wie den Abstand zwischen dem Werkstück W und dem Bearbeitungskopf 13, Temperatur und Feuchtigkeit.
Eine optische Einheit 22, die eine Kondensor-Linse 21 zum Fokussieren des gepulsten Laserlichts 1 auf einen Bearbeitungspunkt umfasst, ist Teil des in 1 gezeigten Bearbeitungskopfs 13.
Die Laserbearbeitungsvorrichtung 100 führt Schneiden aus, bei dem eine Oberfläche des Werkstücks W mit dem gepulsten Laserlicht 1 bestrahlt wird, um das Werkstück W in ein bearbeitetes Produkt 29 und einen Verschnitt 28 zu teilen. Das bearbeitete Produkt 29 wird nach dem Schneiden als Bauteil oder dergleichen genutzt werden und der Verschnitt 28 wird nach dem Schneiden zu Abfall. Die mit dem gepulsten Laserlicht 1 zu bestrahlenden Position auf dem Werkstück W wird von der Steuerungseinheit 18 so gesteuert, dass sie sich entlang dem Bearbeitungspfad bewegt.
Als Nächstes wird ein Verfahren zum Bearbeiten eines CFKs, der das Werkstück W ist, durch die Laserbearbeitungsvorrichtung 100 erklärt werden. Zum Schneiden des Werkstücks W wird das gepulste Laserlicht von der Kondensor-Linse 2 auf die Oberfläche des Werkstücks W, wie in 3 gezeigt, fokussiert. Die zu bearbeitende Oberfläche des Werkstücks W wird mit dem gepulsten Laserlicht 1 bestrahlt, indem sie entlang einer vorbestimmten Schnittrichtung abgetastet wird. Im Besonderen werden die relativen Positionen des Bearbeitungskopfs 13 und des Werkstücks W zueinander geändert, um die Position auf dem Werkstück W zu ändern, die mit dem gepulsten Laserlicht 1 bestrahlt wird.
5 ist ein Graph, der eine Ausgabe-Wellenform eines gepulsten Lasers zeigt, der das gepulste Laserlicht 1 ist, das von der in 1 gezeigten Laserbearbeitungsvorrichtung 100 ausgegeben wird, wobei der Graph die Ausgabe-Wellenform des gepulsten Lasers zeigt, der Energie aufweist, die in der Lage ist mit einem einzigen Puls ein Bearbeitungsloch 41 auszubilden, welches ein Durchgangsloch ist, das sich in Richtung der Dicke durch das Werkstück W erstreckt. Die Anzahl der Pulse des gepulsten Laserlichts 1, mit dem das Werkstück W bestrahlt wird, um das Werkstück W um eine Schnittlänge L zu schneiden, wird durch N dargestellt. N ist eine positive Zahl größer oder gleich 2. Wenn das Werkstück W beispielsweise durch ein einzelnes Abtasten durch wiederholte Bestrahlung mit dem gepulsten Laserlicht mit einer Frequenz f geschnitten wird, wie in 5 gezeigt, während die Bestrahlungsposition des gepulsten Laserlichts 1 mit einer Abtastrate v bewegt wird, ist die Anzahl N der Pulse des gepulsten Laserlichts 1, mit denen das Werkstück W bestrahlt wird, durch die folgende Formel (1) ausgedrückt.
$N = L \times f / v$
Wenn der Durchmesser des Bearbeitungslochs 41, das mit einem einzelnen Puls des gepulsten Laserlichts 1 gefertigt wird, in Schnittrichtung des Werkstücks W durch den Bearbeitungsloch-Durchmesser d dargestellt wird, und ein Überlappungsverhältnis ro in Schnittrichtung zweier einander in Schnittrichtung benachbarter Bearbeitungslöcher existiert, bedeutet das, dass die Überlappung der Bearbeitungslöcher in Schnittrichtung durch die Formel (2) unten ausgedrückt wird. Die Schnittrichtung des Werkstücks W ist die gleiche wie die Abtastrichtung des gepulsten Laserlichts 1. Das Überlappungsverhältnis ro ist ein Verhältnis der Länge um welche zwei Bearbeitungslöcher, die einander in Schnittrichtung benachbart sind, miteinander überlappen und dem Bearbeitungsloch-Durchmesser d. Der Bearbeitungsloch-Durchmesser d ist gleich dem Fokusdurchmesser des gepulsten Laserlichts 1. Anders ausgedrückt entspricht der Bearbeitungsloch-Durchmesser d dem Fokusdurchmesser d des gepulsten Laserlichts 1 in Schnittrichtung des Werkstücks W. Man beachte, dass, in den Zeichnungen, wie in 3, der Bearbeitungsloch-Durchmesser d größer seiend als der Fokusdurchmesser des gepulsten Laserlichts 1 dargestellt ist, um das Verstehen des Überlappungszustands der Bearbeitungslöcher zu vereinfachen.
$ro = (d - L / N) / d$
Zusätzlich wird in der ersten Ausführungsform eine Laserbearbeitung mit einem Überlappungsverhältnis ro in einem Bereich zwischen größer als 0 und kleiner als 0,5 durchgeführt, wie in der folgenden Formel (3) ausgedrückt wird.
$0 < ro = (d - L / N) / d < 0,5$
Als Nächstes wird die Fähigkeit des Schneidens durch das Werkstück W mit einen einzigen Puls des gepulsten Laserlichts 1, das so emittiert wird, dass es die Bedingung der obigen Formel (3) erfüllt, erklärt. Die 6 bis 8 sind schematische Ansichten, die die Zustände des Werkstücks W zeigen, das durch das gepulste Laserlicht 1 bearbeitet wird, wenn das Überlappungsverhältnis ro geändert wird. 6 ist eine schematische Ansicht, die einen Bearbeitungszustand zeigt, in dem die Bearbeitungsbedingungen der Bearbeitung des Werkstücks W mit dem gepulsten Laserlicht 1 nicht die Bedingung der Formel (3) erfüllen, und im Besonderen, wenn das Überlappungsverhältnis ro kleiner als 0 ist. 7 ist eine schematische Ansicht, die einen Bearbeitungszustand zeigt, in dem die Bearbeitungsbedingungen der Bearbeitung des Werkstücks W mit dem gepulsten Laserlicht 1 die Bedingung der Formel (3) erfüllen. 8 ist eine schematische Ansicht, die einen Bearbeitungszustand zeigt, in dem die Bearbeitungsbedingungen der Bearbeitung des Werkstücks W mit dem gepulsten Laserlicht 1 nicht die Bedingung der Formel (3) erfüllen, und im Besonderen, wenn das Überlappungsverhältnis ro gleich oder größer als 0,5 ist. In den 6 bis 8 wird die Düse 15 nicht dargestellt.
Wie in 6 dargestellt bedeutet der Fall, in dem die Bearbeitungsbedingungen der Bearbeitung des Werkstücks W mit dem gepulsten Laserlicht 1 nicht die Bedingung der Formel (3) erfüllen, und im Besonderen, wenn das Überlappungsverhältnis ro kleiner als 0 ist, einen Fall, in dem die Bearbeitungslöcher 41, die einander in Schnittrichtung benachbart sind, nicht in Schnittrichtung miteinander überlappen. Somit kann das Werkstück W nicht durch die in 6 gezeigte Bearbeitung geschnitten werden.
Wie in 8 dargestellt, wird in dem Fall, in dem die Bearbeitungsbedingungen der Bearbeitung des Werkstücks W mit dem gepulsten Laserlicht 1 nicht die Bedingung der Formel (3) erfüllen, und im Besonderen, wenn das Überlappungsverhältnis ro gleich oder größer als 0,5 ist und die Überlappung in Schnittrichtung zweier einander benachbarter Bearbeitungslöcher größer ist als die Bedingung der Formel (3), wird die Bestrahlung mit dem gepulsten Laserlicht 1 zweimal oder öfter über die gesamte Schnittlänge L ausgeführt. In diesem Fall nimmt eine Zuführung einer übermäßigen Menge an Wärme, die nicht zum Schneiden beiträgt, zu dem Werkstück W zu und bewirkt eine unnötige thermische Wirkung der inneren Oberfläche des Bearbeitungslochs 41 auf das umgebende Harz Wb. Zusätzlich nimmt die Anzahl der Bestrahlungen mit dem gepulsten Laserlicht 1 zu, die nötig ist um die Schnittlänge L zu schneiden, und die Nutzung der Laserenergie nimmt zu.
Im Gegensatz dazu ist der Fall, der in 7 dargestellt ist, ein Fall, in dem die Bearbeitungsbedingungen der Bearbeitung des Werkstücks W mit dem gepulsten Laserlicht 1 die Bedingung der Formel (3) erfüllen, und nur Energie, die einem einzelnen Puls des gepulsten Laserlichts 1 entspricht, wird einem punkt-schraffierten Bearbeitungsabschnitt 42 innerhalb der Schnittlänge L in 7 zugeführt. Die Fähigkeit des Schneidens der Schnittlänge L des Werkstücks W in diesem Zustand zeigt, dass Bearbeitungslöcher 41, die sich durch das Werkstück W in Richtung der Dicke erstrecken, jeweils mit Energie ausgebildet sind, die einem einzelnen Puls des gepulsten Laserlichts 1 entspricht, um Schneiden auszuführen.
Im Besonderen bei dem in 7 dargestellten Fall wird, in dem Bereich, in dem die Bearbeitungslöcher ausgebildet werden, die Schnittlänge L in einem Zustand geschnitten, in dem ein Bereich, der mit dem gepulsten Laserlicht zweimal in der Abtastrichtung des gepulsten Laserlichts 1 bestrahlt wird kleiner als in dem in 8 gezeigten Fall. Im Besonderen in dem Fall, in dem die Bearbeitungsbedingungen der Bearbeitung des Werkstücks W durch das gepulste Laserlicht 1 die Bedingung der Formel (3) erfüllen, wie in 7 dargestellt, wird, bei dem Laserbearbeitungsverfahren des Ausführens von Schneiden durch wiederholtes Bestrahlen mit einem einzelnen gepulsten Laser bei gleichzeitiger Bewegung des gepulsten Laserlichts 1, ein Bearbeitungsloch 41, welches ein Durchgangsloch ist, das sich durch das Werkstück W erstreckt, durch eine einzelne Bestrahlung mit dem gepulsten Laser ausgebildet, um das Werkstück W zu schneiden. Auf diese Weise kann das Werkstück W mit einer verringerten thermischen Wirkung auf das Harz Wb in dem Werkstück W geschnitten werden.
Man beachte, dass in 7 ein Bearbeitungsloch 41 mit einer halbkreisförmigen Öffnungsform durch Bestrahlung mit dem gepulsten Laserlicht 1 ausgebildet wird, wenn n=0 ist. Zusätzlich wird ein Bearbeitungsloch 41 mit einer kreisförmigen Öffnungsform durch Bestrahlung mit dem gepulsten Laserlicht 1 ausgebildet, wenn n=N ist. Man beachte, dass ein Teil des Bearbeitungslochs 41, das ausgebildet wird, wenn n=N ist, das notwendig ist, um die Schnittlänge L zu schneiden, der Teil mit einer halbkreisförmigen Öffnung ist, der dem Bearbeitungsloch 41 benachbart ist, das ausgebildet wird, wenn n=N-1 ist. Somit kann eine Kombination des Teils, das die halbkreisförmige Öffnungsform des Bearbeitungslochs 41 aufweist, das ausgebildet wird, wenn n=0 ist und des Teils, das die halbkreisförmige Öffnungsform des Bearbeitungslochs 41 aufweist, das ausgebildet wird, wenn n=N ist, als ein kreisförmiges Bearbeitungsloch 41 betrachtet werden. Somit kann, für den in 7 dargestellten Fall, die Anzahl der Pulse des gepulsten Laserlichts 1, mit dem das Werkstück W bestrahlt wird, um die Schnittlänge L des Werkstücks zu schneiden, als N angenommen werden.
Um das Werkstück W mit der Laserbearbeitungsvorrichtung 100 zu schneiden, steuert die Steuerungseinheit 18, um die relativen Positionen des Bearbeitungskopfs 13 und des Werkstücks W zueinander zu ändern, und zwar durch Steuerung der Antriebseinheit 14, um die Bedingung der Formel (3) zu erfüllen. Somit steuert die Steuerungseinheit 18 die relativen Positionen der Bestrahlungsposition des gepulsten Laserlichts 1 und des Werkstücks W zueinander, um die Bedingung der obigen Formel (3) zu erfüllen.
Während das Überlappungsverhältnis ro wie oben beschrieben in der ersten Ausführungsform in dem Bereich „0<ro<0,5“ liegt, ist das Überlappungsverhältnis ro bevorzugterweise so klein wie möglich innerhalb des Bereichs „0<ro<0,5“, das heißt so nahe an 0 wie möglich. Wenn das Überlappungsverhältnis ro so klein wie möglich ist, kann das gepulste Laserlicht 1, mit dem ein Teil eines Durchgangslochs, das sich bereits durch das Werkstück W erstreckt, wieder bestrahlt wird, reduziert werden, und eine Zuführung übermäßiger Wärme, die nicht zum Schneiden beiträgt, zu dem Werkstück W kann reduziert werden.
Ein optimaler Wert des Überlappungsverhältnisses ist 0,2. Wenn das Überlappungsverhältnis 0,2 beträgt, ist die Schnittgeschwindigkeit nicht verringert und eine Schnittendfläche wird glatter. Somit kann, wenn das Überlappungsverhältnis ro 0,2 ist, eine Abnahme in der Bearbeitungsgeschwindigkeit verhindert werden und eine höhere Glattheit einer Schnittendfläche erreicht werden, selbst wenn die Bearbeitungslöcher 41 miteinander überlappen.
Die vorteilhaften Wirkungen des Schneidens des Werkstücks W durch Ausbilden eines Lochs durch das Werkstück W durch eine einzige Bestrahlung des gepulsten Lasers durch das Laserbearbeitungsverfahren zur Bearbeitung des Werkstücks W gemäß der ersten Ausführungsform wie zuvor beschrieben wird im Vergleich mit einem Laserbearbeitungsverfahren gemäß eines Vergleichsbeispiels beschrieben, in welchem Lochbearbeitung mehrfach in die Tiefenrichtung des Werkstücks W wiederholt wird, um das Werkstück W zu schneiden.
Bei dem Laserbearbeitungsverfahren des unten beschriebenen Vergleichsbeispiels, wird ein Durchgangsloch, das sich durch das Werkstück W erstreckt, nicht durch eine einzelne Bestrahlung des gepulsten Laserlichts 1 ausgebildet, sondern ein Durchgangsloch, das sich durch das Werkstück W erstreckt, wird durch das mehrfache Bestrahlen einer Position mit dem gepulsten Laserlicht 1 ausgebildet, um das Werkstück W zu schneiden. 9 ist eine schematische Schnittansicht, die einen Zustand unmittelbar nach einer ersten Bestrahlung eines Bearbeitungspunktes des Werkstücks W mit dem gepulsten Laserlicht 1 zeigt. 10 ist eine schematische Schnittansicht, die einen Zustand während einer Periode zeigt, in der ein Bodenstück 52 eines Lochs 51 nach der ersten Bestrahlung des Bearbeitungspunkts des Werkstücks W mit dem gepulsten Laserlicht 1 stehen gelassen ist. 11 ist eine schematische Schnittansicht, die einen Zustand unmittelbar nach einer zweiten Bestrahlung des Bearbeitungspunktes des Werkstücks W mit dem gepulsten Laserlicht 1 zeigt. 12 ist eine schematische Schnittansicht, die einen Zustand während einer Periode zeigt, in der das Bodenstück 52 des Lochs 51 nach der zweiten Bestrahlung des Bearbeitungspunkts des Werkstücks W mit dem gepulsten Laserlicht 1 stehen gelassen ist. 13 ist eine schematische Schnittansicht, die einen Zustand zeigt, nachdem der Bearbeitungspunkt des Werkstücks W mit dem gepulsten Laserlicht 1 mehrfach bestrahlt wurde und somit ein Durchgangsloch durch das Werkstück W ausgebildet ist. Die 9 bis 13 entsprechen jeweils Schnittansichten entlang Linie IX-IX, Linie X-X, Linie XI-XI, Linie XII-XII und Linie XIII-XIII in 8.
Um das Verständnis zu vereinfachen ist anzunehmen, dass das gepulste Laserlicht 1 ein Top-Hat-Strahl-Profil aufweist und dass das Werkstück W in Übereinstimmung mit der Strahlform bearbeitet wird. An dem Bodenstück 52 des Lochs 51, das durch Bestrahlung des Werkstücks W mit dem gepulsten Laserlicht 1 unmittelbar nach der ersten Bestrahlung des Bearbeitungspunkts des Werkstücks W mit dem gepulsten Laserlicht 1 ausgebildet ist, liegen Kohlenstofffasern Wa, die mit hoher Temperatur verbleiben, vor, weil eingegebene Energie nicht den Verarbeitungsschwellwert erreicht hat, das heißt die Temperatur davon nicht den Schmelzpunkt erreicht hat.
Der Schmelzpunkt der Kohlenstofffasern Wa liegt ca. bei 3500 °C. Die Kohlenstofffasern Wa verbleiben bei einer Temperatur nahe 3500 °C ohne entfernt zu werden. Zusätzlich wird, bis das Loch 51 mit dem nächsten Laserlicht 1 bestrahlt wird, die Wärme der Kohlenstofffasern Wa, die mit einer hohen Temperatur an dem Bodenstück 52 des Lochs 51 verbleiben, an das Harz Wb um das Loch 51 herum übertragen, und zwar durch die Kohlenstofffasern Wa, die eine signifikant höhere thermische Leitfähigkeit aufweisen als die des Harzes, und eine wärmebeeinflusste Zone 53 wird daher ausgebildet. Die Wärme der Kohlenstofffasern Wa wird nach unten unter das Loch 51 und in nach außen gerichtete Richtungen von dem Loch 51 weg übertragen, wie in 10 durch Pfeile angezeigt.
Die wärmebeeinflusste Zone 53 ist ein Bereich des Harzes Wb, der durch Wärme beeinflusst ist, die aus einem Temperaturanstieg resultiert, der durch die Wärme der Kohlenstofffasern Wa bedingt ist, welche mit einer hohen Temperatur an dem Bodenstück 52 des Lochs 51 verbleiben, wobei die Wärme über die Kohlenstofffasern Wa übertragen wird. Die Wärmeübertragung der Wärme der Kohlenstofffasern Wa, welche mit einer hohen Temperatur an dem Bodenstück 52 des Lochs 51 verbleiben, durch die Kohlenstofffasern Wa wird nach der ersten Bestrahlung mit dem gepulsten Laserlicht 1 und vor der zweiten Bestrahlung mit dem gepulsten Laserlicht 1 erzeugt, und zwar während einer Stehen-Lassen-Periode, während der die Kohlenstofffasern Wa mit einer hohen Temperatur an dem Bodenstück 52 des Lochs 51 stehen gelassen werden.
Die Menge der während dieser Periode von den Kohlenstofffasern Wa an das Harz Wb übertragenen Wärme ist eine große Menge Wärme für das Harz, das ein Grundmaterial ist, das einen Schmelzpunkt von 250 °C oder niedriger und einen niedrigen Verarbeitungsschwellwert aufweist. Es ist anzunehmen dass die Wärme der Kohlenstofffasern, die eine Temperatur von ca. 3500 °C und eine Länge eines Lochdurchmessers d1 an dem Bodenstück 52 des Lochs 51 aufweisen, durch die Kohlenstofffaser Wa an das Harz Wb übertragen wird. In diesem Fall wird eine Länge D eines Bereichs, in dem das Harz Wb, welches das Grundmaterial ist, den Verarbeitungsschwellwert in die Ausbreitungsrichtung der Kohlenstofffasern Wa erreicht durch die untere Formel (4) ausgedrückt, welche das 14-fache des Lochdurchmessers d1 des Bodenstücks 52 ist. Die Bereichslänge D entspricht einem Bereich mit seinem Zentrum als die Zentralachse des Lochs 51 in die Ausbreitungsrichtung der Kohlenstofffasern Wa. $D = d 1 \times 3500 / 250 = 14 \times d 1$
Wenn der Lochdurchmesser d1 0,2 mm beträgt, wird D 2,8 mm und die Länge h der wärmebeeinflussten Zone 53 in die Ausbreitungsrichtung der Kohlenstofffasern Wa beträgt h=2,8/2 - 0,2/2=1,3 mm, was signifikant größer als der Lochdurchmesser d1 ist. Die Länge h der wärmebeeinflussten Zone 53 ist eine Länge in die Ausbreitungsrichtung der Kohlenstofffasern Wa von einem offenen Ende des Lochs 51 zu einem äußeren Ende der wärmebeeinflussten Zone 53 in die Ausbreitungsrichtung der Kohlenstofffasern Wa.
In der wärmebeeinflussten Zone 53 ist die Haftung an den Berührungsflächen zwischen den Kohlenstofffasern Wa und dem Harz Wb durch thermischen Schaden verringert, die mechanischen Festigkeitseigenschaften des Werkstücks W als ein Strukturmaterial herabgesetzt und die Qualität des geschnittenen Werkstücks W ist verringert, wobei der Grad dessen von der Energie des gepulsten Laserlichts 1 abhängt.
In der Folge wird das Loch 51, wenn eine Schneideposition des Werkstücks W, an der das Loch 51 ausgebildet ist, ein zweites Mal mit dem gepulsten Laserlicht 1 bestrahlt wird, tiefer, und eine weitere wärmebeeinflusste Zone 53, die sich nach unten und nach außen von der durch die erste Bestrahlung mit dem gepulsten Laserlicht 1 ausgebildeten wärmebeeinflussten Zone 53 erstreckt, wird während einer Stehen-Lassen-Periode bis zu nächsten Bestrahlung mit dem gepulsten Laserlicht 1 ausgebildet, wie in 12 gezeigt.
In der Folge werden Bestrahlungen mit dritten und folgenden Pulsen des gepulsten Lasers 1 ausgeführt, bis die Tiefe des Lochs 51 die Dicke des Werkstücks W erreicht und das Durchgangsloch ausgebildet ist. Nach jeder der Bestrahlungen mit den dritten und folgenden Pulsen des gepulsten Laserlichts 1, wird eine wärmebeeinflusste Zone 53 auf ähnliche Weise wie oben erzeugt. Als ein Ergebnis der mehrfachen Bestrahlung mit dem gepulsten Laserlicht 1 wird schließlich ein Durchgangsloch 54 ausgebildet, wie in 13 gezeigt. Abtasten mit dem gepulsten Laserlicht 1 wird daher in die Schnittrichtung ausgeführt, um eine Mehrzahl von Durchgangslöchern 54 derart auszubilden, dass einander benachbarte Durchgangslöcher miteinander überlappen, die Durchgangslöcher 54, die einander benachbart sind, miteinander in der Schnittrichtung in Verbindung stehen und das Werkstück W somit geschnitten ist.
Zusätzlich liegen wärmebeeinflusste Zonen 53, die durch die Wärme der Kohlenstofffasern Wa erzeugt werden, welche mit einer hohen Temperatur an dem Bodenstück 52 des Lochs 51 während der Stehen-Lassen-Periode verbleiben, nach der Bestrahlung mit dem gepulsten Laserlicht 1 und vor der nächsten Bestrahlung mit dem gepulsten Laserlicht 1, wobei die Wärme über die Kohlenstofffasern Wa übertragen wird, um die Durchgangslöcher 54 herum vor, die wie oben beschrieben ausgebildet werden, was die Qualität des geschnittenen Werkstücks herabsetzt.
Das oben beschriebene Phänomen ist ein Phänomen, dass für das faserverstärkte Verbundmaterial einzigartig ist. Beim Schneiden einer Position auf einem Werkstück, das aus einem einzelnen Material gefertigt ist, in die Tiefenrichtung durch eine Mehrzahl von Bearbeitungen, ist die Temperatur an einem Bodenstück eines Lochs, das während des Schneidens ausgebildet wird gleich oder niedriger als ein Verarbeitungsschwellwert, auf einer Weise ähnlich dem obigen. Somit wird der Bereich um das Loch herum nicht bearbeitet, selbst wenn Wärme an dem Bodenstück des Lochs zu einem Bereich um das Loch herum übertragen wird.
Im Gegensatz dazu wird, bei der Laserbearbeitungsvorrichtung 100 gemäß der oben beschriebenen ersten Ausführungsform, Schneiden von einem gepulsten Laser durchgeführt, der eine Energie aufweist, die ausreicht, ein Durchgangsloch auszubilden, das sich durch das Werkstück W in Richtung der Dicke erstreckt, und zwar mit einer einzelnen Bestrahlung mit dem gepulsten Laserlicht 1. Dies kann das Phänomen der Übertragung von Wärme der Kohlenstofffasern Wa, welche mit einer hohen Temperatur an dem Bodenstück 52 des Lochs 51 während der oben beschriebenen Stehen-Lassen-Periode verbleiben, durch die Kohlenstofffasern Wa beseitigen und verhindern, dass die wärmebeeinflussten Zonen 53 erzeugt werden. Somit wird bei der Laserbearbeitungsvorrichtung 100 der oben beschriebenen ersten Ausführungsform keine Wärme, die in den Kohlenstofffasern Wa, die an einem Bodenstück eines Lochs, das während Schneidens ausgebildet wird, verbleiben, akkumuliert ist, an das Harz Wb um das Loch herum durch Kohlenstofffasern Wa übertragen, was verhindert, dass das Harz Wb, das einen Verarbeitungsschwellwert niedriger als der der Kohlenstofffasern Wa aufweist, erwärmt wird, und sie verhindert so die Erzeugung von wärmebeeinflussten Zonen 53. Als ein Ergebnis können die thermischen Wirkungen auf das Werkstück W an dem Harz Wb während der Laserbearbeitung des Werkstücks W reduziert werden, was die durch Schneiden verursachte Verringerung der mechanischen Festigkeitseigenschaften des geschnittenen Werkstücks W verhindert und Schneiden mit hoher Qualität ermöglicht.
Zudem ist bei der Laserbearbeitungsvorrichtung 100 die Anzahl der Abtastungen mit dem gepulsten Laserlicht 1 zum Schneiden 1, was eine kurze Schneidezeit bewirkt. Somit ermöglicht die Laserbearbeitungsvorrichtung 100 das Laserschneiden eines Werkstück W mit hoher Qualität und hohe Effizienz.
Um die Erzeugung von einer wärmebeeinflussten Zone 53 während einer oben beschriebenen Stehen-Lassen-Periode nach der ersten Bestrahlung mit dem gepulsten Laserlicht 1 und vor der zweiten Bestrahlung mit dem gepulsten Laserlicht 1 zu reduzieren, kann die Menge der Wärme, die an dem Bodenstück 52 des Lochs 51 akkumuliert wird, durch Durchführung das Abtastens mit dem gepulsten Laserlicht 1 unter Verwendung beispielsweise eines Galvanometer-Scanners reduziert werden, und durch Einstellen eines Abtast-Zeitintervall von 100 ms oder länger vor der nächsten Bestrahlung mit dem gepulsten Laserlicht 1.
Da die Abtastrate des gepulsten Laserlichts 1 höher ist, ist jedoch die Bearbeitungstiefe eines Lochs, das durch eine einzelne Bestrahlung mit dem gepulsten Laserlicht 1 ausgebildet wird kleiner, die Anzahl der Bestrahlungen mit dem gepulsten Laserlicht 1 muss signifikant erhöht werden, was die Bearbeitungszeit erhöht.
Zusätzlich hat die Laserbearbeitungsvorrichtung 100, wenn ein Bearbeitungsgebiet des Werkstücks W groß ist, keine Stillstandzeit, wenn ein anderer Bearbeitungspunkt auf dem Werkstück W während des Abtast-Zeitintervalls des gepulsten Laserlichts 1 bearbeitet wird. In einem Fall jedoch, in dem ein Galvanometer-Scanner genutzt wird, ist das Bearbeitungsgebiet so klein wie ca. 100 mm und andere Punkte auf dem Werkstück W können nicht kontinuierlich bearbeitet werden.
Man nehme beispielsweise einen Fall an, in dem ein Loch einen Durchmesser von 9,5 mm aufweist und ein Umfang von 30 mm bearbeitet ist. Wenn beispielsweise die Abtastrate v des gepulsten Laserlichts 1 6 m/s ist und die Stillstandzeit 300 ms beträgt, ist die Abtastzeit (30 mm/6 m/s) × 20 = 100 ms, was relativ kurz ist, selbst wenn die Anzahl der Bestrahlungen mit dem gepulsten Laserlicht 1 20 beträgt. Währenddessen ist die Stillstandzeit 300 ms × 20 = 6000 ms. Somit ist die gesamte Bearbeitungszeit, die eine Summe aus der Abtastzeit und der Stillstandzeit ist, 6,1 s. Die Bearbeitungsgeschwindigkeit, die durch Umwandlung der Bearbeitungszeit erhalten wird, beträgt 0,3 m/min, was eine Laserbearbeitungszeit ist, die langsamer ist als die Geschwindigkeit der Laserbearbeitung eines typischen CFK.
Der Laser-Oszillator 11, der in der Laserbearbeitungsvorrichtung 100 gemäß der ersten Ausführungsform verwendet wird, ist bevorzugt ein CO2-Laser-Oszillator. Daher ist für das gepulste Laserlicht 1, das in der Laserbearbeitungsvorrichtung 100 genutzt wird, ein CO2-Laserlicht, das durch Oszillation eines CO2-Laser-Oszillators erzeugt wird, geeignet. Beispielsweise wird Laserlicht, das durch Oszillation eines Faserlasers erzeugt wird, nicht von Harz absorbiert. Somit wird in dem Fall, in dem Laserlicht, das durch Oszillation eines Faserlasers erzeugt wird, genutzt wird, Harz thermisch durch Wärme entfernt, die durch Kohlenstofffasern an das Harz übertragen wird. Im Gegensatz dazu wird CO2-Laserlicht von Harz mit einer höheren Rate absorbiert als Laserlicht, das durch Oszillation eines Faserlasers erzeugt wird, und ermöglicht so das Fertigen eines Durchgangslochs in einer kürzeren Zeit, weil die Wärmeübertragungszeit unnötig ist, und mit einer kleineren Menge an eingegebener Wärme. Somit ermöglicht die Verwendung eines CO2-Laserlichts in der Laserbearbeitungsvorrichtung 100 Schneiden mit höherer Effizienz und kleineren thermischen Wirkungen.
Als Nächstes werden Unterschiede zwischen dem Laserbearbeitungsverfahren, das den gepulsten Laser wie oben beschrieben nutzt, und das durch die Laserbearbeitungsvorrichtung 100 gemäß der ersten Ausführungsform ausgeführt wird, und dem Laserbearbeitungsverfahren, das einen Dauerstrich-Laser (CW-Laser) nutzt, der kontinuierlich Laserlicht emittiert. 14 ist ein Graph, der eine Ausgabe-Wellenform eines CW-Lasers für einen Fall zeigt, in dem Schneiden durch den CW-Laser bei der gleichen Bearbeitungsgeschwindigkeit durchgeführt wird, wie die des gepulsten Lasers, der die in 5 gezeigte Ausgabe-Wellenform aufweist. Die gleiche Bearbeitungsgeschwindigkeit bedeutet, dass eine durchschnittliche Ausgabe des gepulsten Lasers, der die in 5 gezeigte Ausgabe-Wellenform aufweist, gleich der des CW-Lasers ist, der die in 14 gezeigte Ausgabe-Wellenform aufweist.
Man beachte, dass, wie in 14 gezeigt, die CW-Laserausgabe niedriger ist, als die in 5 gezeigte gepulste Laserausgabe. Zusätzlich ist, wie in den 14 und 5 dargestellt, eine Bearbeitungszeit Twc, die benötigt wird, um ein Durchgangsloch, das sich durch das Werkstück W in Richtung der Dicke erstreckt, auszubilden, bei Ausführung des Schneidens unter Verwendung eines CW-Lasers signifikant länger, als die Bearbeitungszeit Tp, die benötigt wird, um ein Durchgangsloch, das sich durch das Werkstück W in Richtung der Dicke erstreckt, auszubilden, bei Ausführung des Schneidens unter Verwendung eines CW-Lasers. Zusätzlich ist die Bearbeitungszeit Twc gleich der Zeit 1/f von einem Ende der Bearbeitung eines Durchgangslochs zu dem Start der Bearbeitung eines zweiten Durchgangslochs bei Durchführung von Schneiden unter Verwendung eines gepulsten Lasers. Somit ist die für das Bearbeiten eines Durchgangslochs, das sich durch das Werkstück W in Richtung der Dicke erstreckt, benötigte Zeit bei Bearbeitung mit einem CW-Laser länger, als bei Bearbeitung mit einem gepulsten Laser.
Weil ein Bodenstück eines Lochs, das mit einem Laser in dem Prozess eines Ausbildens eines Durchgangslochs unmittelbar unter dem Bereich ist, an dem das Werkstück W abgetragen wird, ist das Bodenstück nahe am Verarbeitungsschwellwert und weist eine Temperatur auf, die näherungsweise der Schmelzpunkt ist, der bei ca. 3500 °C liegt, unabhängig von der Laserausgabe. In einem Fall, in dem ein CW-Laser verwendet wird, ist die Zeit, während der ein Bodenstück eines Lochs im Prozess der Ausbildung eines Durchgangslochs vorliegt, näherungsweise die Bearbeitungszeit Twc. In einem Fall, in dem ein gepulster Laser verwendet wird, ist die Zeit, während der ein Bodenstück eines Lochs im Prozess der Ausbildung eines Durchgangslochs vorliegt, näherungsweise die Bearbeitungszeit Tp.
Zusätzlich kann, in dem Fall, in dem der gepulste Laser (w) genutzt wird, da die Zeit, während der ein Bodenstück eines Lochs im Prozess der Ausbildung eines Durchgangslochs vorliegt, kürzer ist, als die in dem Fall, in dem ein CW-Laser genutzt wird, die Wärmeübertragung von dem Bodenstück des Lochs zu einer Umgebung des Lochs reduziert werden und die thermischen Wirkungen auf das Harz Wb um das Loch herum können demzufolge reduziert werden.
Im Besonderen ist die Bearbeitungszeit Twc, die zur Bearbeitung eines Durchgangslochs bei Verwendung des CW-Lasers benötigt wird, Twc=1/f={d(1-ro)}/v. Somit ist, weil die Bearbeitungszeit Twc ebenso länger ist, wie die Abtastrate v niedriger ist, ist die Bearbeitungsqualität niedriger, da die Abtastrate v niedriger ist, selbst wenn die Laserausgabe klein ist.
Im Gegensatz dazu kann, mit dem Laserbearbeitungsverfahren gemäß der ersten Ausführungsform bei Verwendung des gepulsten Lasers, weil die Bearbeitungszeit Tp, die zur Bearbeitung eines Durchgangslochs verwendet wird, nicht von der Abtastrate v abhängt, selbst mit einer niedrigen Abtastrate v eine gute Schnittqualität erzielt werden.
Als Nächstes wird eine Pulsweite bei dem Laserbearbeitungsverfahren gemäß der ersten Ausführungsform bei Verwendung des gepulsten Lasers, wie oben beschrieben, beschrieben. Wie oben beschrieben, wird bei dem Laserbearbeitungsverfahren gemäß der ersten Ausführungsform die Zeit, in der ein Bodenstück eines Lochs während der ein Bodenstück eines Lochs im Prozess der Ausbildung eines Durchgangslochs vorliegt, als die Bearbeitungszeit Tp angenähert. Somit ist die Pulsweite des gepulsten Lasers des gepulsten Laserlichts 1 bei dem Laserbearbeitungsverfahren gemäß der ersten Ausführungsform bevorzugt möglichst klein. Zusätzlich ist, wie in einem später beschriebenen spezifischen Beispiel gezeigt wird, die wärmebeeinflusste Zone 53 groß, wenn die Pulsweite des gepulsten Laserlichts 1 gleich oder größer als 1 ms ist. Somit ist die Pulsweite des gepulsten Laserlichts 1 bevorzugt kleiner als 1 ms.
Zusätzlich tritt, wenn eine Spitzenausgabe des gepulsten Laserlichts 150 Kw übersteigt, ein Luft-Durchschlag genanntes Phänomen auf, bei dem die Atmosphäre in Plasma umgewandelt wird. Die in Plasma umgewandelte Atmosphäre absorbiert und streut das gepulste Laserlicht 1, was die Schneidequalität herabsetzt. Wie später beschrieben, ist eine minimal benötigte Pulsenergie zum Ausbilden eines Durchgangslochs mit einem einzelnen Puls des Laserlichts 1 durch ein aus CFK mit einem Anteil von 70 % auf Polyacrylnitril (PAN) basierenden Kohlenstofffasern und einer Dicke von 1 mm 0,15 J. Die Pulsweite wird zu 0,15/150000= 1e^-6 [s]= 1 [µs] berechnet. Somit kann, obwohl die Pulsweite bevorzugt möglichst kurz ist, Schneiden durchgeführt werden, ohne die Schneidequalität herabzusetzen, und zwar durch Einstellen der unteren Grenze der Pulsweite des gepulsten Laserlichts 1 auf 1 µs.
Es ist bekannt, dass ein faserverstärktes Verbundmaterial mit hoher Qualität geschnitten werden kann, indem die Pulsweite des gepulsten Laserlichts auf eine Größenordnung um eine Pikosekunde kleiner als eine Nanosekunde eingestellt wird. In diesem Fall ist jedoch die Ausgabe des Laser-Oszillators niedrig bei ungefähr 10 W, was eine sehr lange Bearbeitungszeit zur Folge hat.
Wie oben beschrieben weisen bei dem Laserbearbeitungsverfahren gemäß der ersten Ausführungsform, da das Überlappungsverhältnis ro kleiner als 0,5 eingestellt ist, eine Mehrzahl von Bearbeitungslöchern 41, die entlang der Schnittrichtung des Werkstücks W ausgebildet sind, jeweils eine kleine Öffnung an einer Grenze mit einem benachbarten Bearbeitungsloch 41 auf. Zusätzlich ist das Bodenstück eines Lochs geschlossen, bis das Loch das Werkstück W bei dem Prozess des Ausbildens eines Bearbeitungslochs 41 durchdringt. Somit liegt, bis ein Loch das Werkstück W bei dem Prozess des Ausbildens eines Bearbeitungslochs 41 durchdringt, ein Ausgang aus dem Loch für ein Zersetzungsprodukt 30, das während des Schneidens erzeugt wird, nur in einer nach oben gerichteten Richtung vor, zu der Seite der Bestrahlung mit dem gepulsten Laserlicht, das heißt, in Richtung der Bearbeitungskopfs 13 in die axiale Richtung der optischen Achse 1a des gepulsten Laserlichts 1. Daher wird das Zersetzungsprodukt 30 intensiv vom Inneren des Lochs nach oben zu der Seite der Bestrahlung mit dem gepulsten Laserlicht 1 geblasen.
Im Besonderen weil, wie in 4 gezeigt, der Verarbeitungsschwellwert von Kohlenstofffasern höher als der von Glasfasern ist, und Kohlenstofffasern mit einem gepulsten Laser mit einer hohen Pulsenergie bearbeitet werden müssen, ist ein Strahl des Zersetzungsprodukts 30 aus dem Loch sehr stark.
Zusätzlich wird in einem Fall, in dem ein moderner Laser-Oszillator, der eine hohe Spitzenleistung erzeugt, verwendet wird und die Pulsweite auf kleiner als 1 ms eingestellt ist, um die thermischen Wirkungen auf ein Werkstück während des Schneidens zu reduzieren, wird im Prozess der Ausbildung eines Durchgangslochs ein Zersetzungsprodukt 30 stark aus einem Loch ausgestoßen. Gemäß Experimenten, die von den Erfindern durchgeführt wurden, wurde festgestellt, dass in einem Fall, in dem das Schneiden eines Werkstücks W unter Verwendung eines Laser-Oszillators durchgeführt wird, der hohe Spitzenleistung erzeugt und eine Pulsweite auf kleiner als 1 ms eingestellt hat, die Ausstoßrate eines Zersetzungsprodukts 30 aus einem Loch im Prozess der Ausbildung eines Durchgangslochs bis zu 100 m/s erreichen kann. Die Spitzenleistung ist definiert als Pulsenergie (J) = Pulsweite (s) × Spitzenleistung (W).
Zusätzlich ist, wie in Formel (4) oben beschrieben, der Lochdurchmesser d1 des Bodenstücks 52 eines Lochs im Prozess der Ausbildung eines Durchgangslochs bevorzugt klein, um die thermischen Effekte auf das Harz Wb während des Schneidens zu Reduzieren. Dies ist auch auf das Schneiden mit dem Laserbearbeitungsverfahren zum Schneiden eines Werkstücks W gemäß der ersten Ausführungsform anwendbar und der Lochdurchmesser eines Durchgangslochs, das durch das gepulste Laserlicht 1 ausgebildet wird, ist bevorzugt klein, um die thermischen Effekte auf das Harz Wb während Bestrahlung mit dem gepulsten Laserlicht 1 zu reduzieren. Allerdings ist, wenn der Lochdurchmesser des Durchgangslochs klein ist, der Lochdurchmesser eines Lochs im Prozess der Ausbildung eines Durchgangslochs auch klein, und das Höhe-zu-Breite-Verhältnis des Lochs ist groß, was die Ausstoßrate des Zersetzungsprodukts 30 aus dem Loch hoch macht.
Zusätzlich wird das Zersetzungsprodukt 30 in die axiale Richtung der optischen Achse 1a des gepulsten Laserlichts 1 ausgestoßen. Somit absorbiert das Zersetzungsprodukt 30 das gepulste Laserlicht 1 oder streut das gepulste Laserlicht 1, wenn das Schneiden in einem Zustand ausgeführt wird, in dem das Zersetzungsprodukt stehen gelassen wird, was die Bearbeitungsqualität und die Bearbeitungsgeschwindigkeit herabsetzt.
Bei der Laserbearbeitungsvorrichtung 100 wird die Düse 15, welche eine Seitenflussdüse ist, daher genutzt, um das zuvor erwähnte Problem zu Lösen. Die 15 und 16 sind Diagramme, die die vorteilhaften Wirkungen der in 1 dargestellten Laserbearbeitungsvorrichtung 100 erklären. 15 ist ein Diagramm, das ein Beispiel zeigt, in dem die Düse 15, die eine Seitenflussdüse zur Emission eines Gasstrahls 23 von außerhalb der optischen Achse 1a zu der optischen Achse 1a hin, genutzt wird, und zwar auf ähnliche Weise, wie die in 2 gezeigte Laserbearbeitungsvorrichtung 100. 16 ist ein Diagramm, das ein Beispiel zeigt, in dem eine axiale Düse 61 zur Emission eines Gasstrahls 23 in eine Richtung entlang der optischen Achse 1a zu einem Bearbeitungspunkt hin verwendet wird, was ein vergleichendes Beispiel darstellt, das typischerweise bei Schneiden von Metallplatten verwendet wird.
In dem Fall, in dem die axiale Düse 61 verwendet wird, ist die Flussrate des Gases 23 verringert, weil der Boden eines Lochs, der in der axialen Flussrichtung des Gases 23 vorliegt, geschlossen ist. Zusätzlich ist es für das Zersetzungsprodukt 30 wahrscheinlich in das Innere der axialen Düse 61 zu gelangen, weil die Richtung, in die das Gas 23 ausgestoßen wird und die Tiefenrichtung des Lochs miteinander zusammenfallen. Weil die Schnittfläche des Flusspfads des Gases 23 groß ist und die Flussrate des Gases 23 an Abschnitten der axialen Düse 61, die von dem engen Abschnitt am entfernten Ende ihrer selbst verschieden sind, niedrig ist, sammelt sich das Zersetzungsprodukt, das in die Düse gelangt ist im Inneren der Düse, das heißt an der optischen Achse, was Laserlicht absorbiert und den Fokus des Laserlichts herabsetzt.
Im Gegensatz dazu ist die Richtung, in die das Zersetzungsprodukt 30 geblasen wird, bei der Seitenflussdüse, weil der Gasstrahl 23 von außerhalb der optischen Achse 1a zu der optischen Achse 1a auf einen Bearbeitungspunkt hin ausgestoßen wird, von der Tiefenrichtung des Lochs verschieden. Die Seitenflussdüse stellt eine Geschwindigkeitskomponente bereit, die im rechten Winkel zu der Ausstoßrichtung des Zersetzungsprodukts 30 steht, die die gleiche Richtung wie die optische Achse 1a ist, was die Ausstoßrichtung des Zersetzungsprodukts 30 zu einer Richtung ändern kann, die von der axialen Richtung der optischen Achse 1a verschieden ist, was effizient eine Ansammlung des Zersetzungsprodukts 30 an der optischen Achse 1a verhindern kann und eine Abnahme der Bearbeitungsgeschwindigkeit zur Bearbeitung des Werkstücks W aufgrund des Zersetzungsprodukts 30, das sich an der optischen Achse 1a sammelt, verhindern kann.
Zusätzlich ist, weil keine Störung des Flusses des Gases 23 in die Richtung im rechten Winkel auf die optische Achse 1a vorliegt, die Flussrate des Gases 23 nicht verringert und die Richtung, in die das Zersetzungsprodukt 30 ausgestoßen wird, kann effizient zu einer Richtung geändert werden, die von der axialen Richtung der optischen Achse 1a verschieden ist.
Als ein Ergebnis kann die Laserbearbeitungsvorrichtung 100 die Verringerung der mechanischen Festigkeitseigenschaften eines Werkstücks W verhindern, die durch Schneiden erlangt wird, und ein Schneiden des Werkstücks W effizient ausführen und kann ein Laserschneiden des Werkstücks W mit hoher Qualität und hoher Effizienz in einer kurzen Zeit durchführen.
Beim Schneiden eines Werkstücks W durch die Laserbearbeitungsvorrichtung 100 gemäß der ersten Ausführungsform wird, anders als beim üblichen Laserschneiden, die oben beschriebene Seitenflussdüse verwendet, und zwar mit Blick auf die Tatsache, dass die Richtung, in welche das Zersetzungsprodukt 30 ausgestoßen wird, mit der optischen Achse 1a zusammenfällt und dass ein Sackloch, welches ein Loch bei dem Prozess des Ausbildens eines Durchgangslochs ist, eine Störung des Flusses des Gases 23 darstellt.
Die Art des Gases 23 ist nicht besonders beschränkt, da es sein Zweck ist, das Zersetzungsprodukt 30 zu entfernen und ein Gas wie Stickstoff, Helium oder Sauerstoff kann verwendet werden. Ein Anwendungsdruck des Gases 23 ist bevorzugt 0,1 MPa oder höher. Wenn der Anwendungsdruck des Gases 23 gleich oder niedriger als 0,1 MPa ist, kann die Wirkung des Entfernens des Zersetzungsprodukts 30 unzureichend sein und die Bearbeitungsqualität kann verringert sein.
Zusätzlich ist, wenn der fokussierte Strahl des gepulsten Laserlichts 1 ein kreisförmiges Profil aufweist, der Bearbeitungslochdurchmesser d eines Bearbeitungslochs, das durch einen einzelnen Puls des gepulsten Laserlichts 1 ausgebildet wird in Schnittrichtung gleich einer Schnittbreite C beim Laserschneiden, das heißt gleich einer Schnittnut beim Laserschneiden. Im Besonderen wenn der Bearbeitungslochdurchmesser d durch den Fokusdurchmesser d des gepulsten Laserlichts ersetzt wird, ist der Fokusdurchmesser d gleich der der Breite einer Laserschnitt-Nut beim Laserschneiden, und der Bearbeitungslochdurchmesser d kann durch die Schnittbreite C in der oben beschriebenen Formel (3) ersetzt werden. Somit kann, wenn das gepulste Laserlicht ein kreisförmiger Strahl ist die Schnittbreite C als der fokussierte Strahldurchmesser des gepulsten Laserlichts 1 betrachtet werden. In diesem Falle kann die Breite der Schnittnut beim Laserschneiden mit hoher Genauigkeit durch Steuern des Fokusdurchmessers d gesteuert werden.
Als Nächstes wird ein spezifisches Beispiel von Schneiden unter Verwendung der Laserbearbeitungsvorrichtung 100 erklärt. Die benötigte Pulsenergie zur Durchdringung mit einem einzelnen Puls bei Verwendung eines CFKs mit einem 70 % Anteil PAN-basierter Kohlenstofffasern und einer Dicke von 1 mm als ein Werkstück wurde untersucht und es wurde herausgefunden, dass eine Pulsenergie von mindestens 0,15 J nötig ist.
CO2-Laserlicht wurde als das gepulste Laserlicht 1 verwendet. Der Fokusdurchmesser des gepulsten Laserlichts 1, das heißt, der Bearbeitungslochdurchmesser d eines Bearbeitungslochs, das durch einen einzelnen Puls des gepulsten Laserlichts 1 bearbeitet wird, ist 200 µm. Es wurde durch die Experimente, die von den Erfindern durchgeführt wurden, bestätigt, dass die Schnittqualität abnimmt, wenn die Pulsweite des gepulsten Laserlichts 1 1 ms übersteigt. Somit ist die Pulsweite des gepulsten Laserlichts 1 bevorzugt kleiner als 1 ms.
17 ist eine Tabelle, die ein Beispiel von Schneidebedingungen zeigt, mit welchen eine gute Bearbeitungsqualität eines Werkstücks durch Schneiden unter Verwendung der Laserbearbeitungsvorrichtung 100 erlangt wurde. 18 zeigt ein Bild eines Bearbeitungstestobjekts, das durch das Schneiden unter Verwendung der Laserbearbeitungsvorrichtung 100 geschnitten wurde. 18 zeigt einen Testschnitt durch eine einzelne Abtastung eines Werkstücks, das eine Dicke von 1 mm aufweist, mit dem gepulsten Laserlicht 1 bei einer Bearbeitungsgeschwindigkeit von 6 m/min. 19 zeigt ein vergrößertes Bild eines Bereichs A des in 18 gezeigten Bearbeitungstestobjekts.
Wie in 17 gezeigt, wurde ein Schneiden an zwei Bearbeitungstestobjekten durchgeführt, von denen ein Bearbeitungstestobjekt eine Dicke von 1 mm und ein Bearbeitungstestobjekt eine Dicke von 2 mm aufweist. Als ein Ergebnis bezüglich des Bearbeitungstestobjekts mit der Dicke von 1 mm war das Überlappungsverhältnis ro 23 % und die Länge h der wärmebeeinflussten Zone hatte einen kleinen Wert von 0,1 mm. Bezüglich des Bearbeitungstestobjekts mit der Dicke von 2 mm war das Überlappungsverhältnis ro 29 % und die Länge h der wärmebeeinflussten Zone hatte einen kleinen Wert von gleich oder kleiner 0,15 mm. Man beachte, dass in 17 das Überlappungsverhältnis ro in Prozent angegeben ist. Zusätzlich wurde somit herausgefunden, dass selbst, wenn das Schneiden mit einer langsamen Geschwindigkeitsbedingung der Bearbeitungsgeschwindigkeit von 0,2 m/min durchgeführt wurde, die Länge h der wärmebeeinflussten Zone einen kleinen Wert gleich oder kleiner 0,15 mm hat, und zwar als ein Ergebnis des Einstellens der Frequenz des gepulsten Laserlichts 1 auf eine niedrige Frequenz, und eine gute Verarbeitung konnte durchgeführt werden.
Wenn ein Schneiden eines Werkstücks unter Verwendung eines dreidimensionalen Roboters angenommen wird, sind Bearbeitungsbedingungen mit niedrigen Geschwindigkeiten bei Beschleunigung und Abbremsung und an Eckabschnitten des Schneidepfads erforderlich. Es ist bekannt, dass Bearbeiten von CFK mit niedrigen Geschwindigkeiten die thermischen Wirkungen signifikant ansteigen lässt, selbst wenn die Laserausgabe verringert ist.
Im Gegensatz dazu zeigen die Ergebnisse des Experiments, dass das Laserbearbeitungsverfahren gemäß der ersten Ausführungsform eine Bearbeitung mit hoher Qualität und kleinen thermischen Wirkungen auf das Harz des CFKs erzielen kann, indem ein Schneiden des CFKs durchgeführt wird, indem die Pulsfrequenz abhängig von der Bearbeitungsgeschwindigkeit geändert wird.
Das Laserbearbeitungsverfahren gemäß der ersten Ausführungsform ist in der Bearbeitung von verschiedenen faserverstärkten Verbundmaterialien anwendbar, wie ein faserverstärktes Verbundmaterial, in dem eine Mehrzahl von verschiedenen verstärkenden Fasern in einer einzelnen Schicht entlang einer einzelnen Richtung eingeschlossen sind, ein faserverstärktes Verbundmaterial, in dem eine Mehrzahl von verschiedenen verstärkenden Fasern in einer Mehrzahl von Schichten entlang verschiedener Richtungen eingeschlossen sind und ein faserverstärktes Harz, in dem kurze verstärkende Fasern ungeordnet in einer einzelnen Schicht oder einer Mehrzahl von Schichten eingeschlossen sind. Auch für diesen Fall können die vorteilhaften Wirkungen des Laserbearbeitungsverfahrens gemäß der ersten Ausführungsform erzeugt werden.
Zusätzlich können, während die verstärkenden Fasern in der ersten Ausführungsform aus Kohlenstoff sind, die verstärkenden Fasern aus SiC, B oder dergleichen sein, und das Grundmaterial kann ein thermoplastisches Harz sein, typisiert als Polyamidharz oder Polykarbonatharz.
Zusätzlich kann das Laserbearbeitungsverfahren gemäß der ersten Ausführungsform auf Bearbeitung wie Schneiden, Bohren und Entgraten eines faserverstärkten Verbundmaterials angewendet werden, was ermöglicht, dass die Bearbeitung in kürzerer Zeit und effizienter durchgeführt wird als spanende Bearbeitung und Wasserstrahl-Bearbeitung.
Wie oben beschrieben kann, gemäß der Laserbearbeitungsvorrichtung und des Laserbearbeitungsverfahrens gemäß der ersten Ausführungsform, ein Werkstück W in Richtung der Dicke mit einem einzelnen Puls des gepulsten Laserlichts 1 durchdrungen werden und somit kann die Erzeugung einer wärmebeeinflussten Zone 53, bewirkt durch einen Zustand, in dem ein Bodenstück eines Lochs im Prozess der Ausbildung eines Durchgangslochs mit einer hohen Temperatur verbleibt, verhindert werden.
Zusätzlich wird, gemäß der Laserbearbeitungsvorrichtung und des Laserbearbeitungsverfahrens gemäß der ersten Ausführungsform, eine Verarbeitung durchgeführt, während das Gas 23 von außerhalb der optischen Achse 1a zu einem Bearbeitungspunkt hin angewendet wird, was das Zersetzungsprodukt 30 nach außerhalb der optischen Achse 1a entfernen kann und eine Abnahme der Bearbeitungsgeschwindigkeit der Bearbeitung des Werkstücks W verhindern kann, die durch das an der optischen Achse 1a angesammelte Zersetzungsprodukt 30 verursacht wird.
Zusätzlich wird, gemäß der Laserbearbeitungsvorrichtung und des Laserbearbeitungsverfahrens gemäß der ersten Ausführungsform, eine Verarbeitung mit dem gepulsten Laserlicht 1 durchgeführt, das eine kleine Pulsweite, kleiner als 1 ms, aufweist, was es ermöglicht, faserverstärktes Verbundmaterial mit kleinen thermischen Effekten auf die Umgebung eines Durchgangslochs, das ausgebildet wird, und mit hoher Qualität zu schneiden.
Somit erzeugt die erste Ausführungsform vorteilhafte Wirkungen des Ermöglichens von Laserbearbeitung eines faserverstärkten Verbundmaterials bei Reduzierung thermischer Wirkungen auf das Harz in dem faserverstärkten Verbundmaterial und des Befähigt-Seins die Bearbeitungsgeschwindigkeit und die Bearbeitungsqualität eines faserverstärkten Verbundmaterials bei Laserbearbeitung zu verbessern.
Zweite Ausführungsform.
Während in der oben beschriebenen ersten Ausführungsform ein Beispiel gezeigt wird, bei dem die Schnittlänge L mit einem einzelnen Abtasten mit dem gepulsten Laserlicht 1 geschnitten wird, kann die Schnittlänge L durch zweifaches Abtasten mit dem gepulsten Laserlicht 1 geschnitten werden. 20 ist ein Diagramm, das ein Laserbearbeitungsverfahren zum Schneiden einer Schnittlänge L zeigt, und zwar durch Ausführen eines zweifachen Abtastens mit dem gepulsten Laserlicht 1 bei der in 1 gezeigten Laserbearbeitungsvorrichtung 100, wobei ein Zustand eines ersten Abtastens mit dem gepulsten Laserlicht 1 gezeigt ist. 21 ist ein Diagramm, das das Laserbearbeitungsverfahren zum Schneiden der Schnittlänge L zeigt, und zwar durch Ausführen eines zweifachen Abtastens mit dem gepulsten Laserlicht 1 bei der in 1 gezeigten Laserbearbeitungsvorrichtung 100, wobei ein Zustand eines zweiten Abtastens mit dem gepulsten Laserlicht 1 gezeigt ist.
Wie in 19 gezeigt, bearbeitet das erste Abtasten mit dem gepulsten Laserlicht 1 Bearbeitungslöcher 41a, welche ungeradzahlige Bearbeitungslöcher 41 sind. Daraufhin, wie in 20 gezeigt, bearbeitet das zweite Abtasten mit dem gepulsten Laserlicht 1 Bearbeitungslöcher 41b, welche geradzahlige Bearbeitungslöcher 41 sind und schneidet die Schnittlänge L.
Auch in der zweiten Ausführungsform steuert die Steuerungseinheit 18 die relativen Positionen des Bearbeitungskopfs 13 und der Werkstücks W zueinander durch Steuerung der Antriebseinheit 14, um die Bedingung der obigen Formel (3) zu erfüllen. Die Steuerungseinheit 18 führt auch eine Steuerung aus, um die Bearbeitungslöcher 41a durch das erste Abtasten mit dem gepulsten Laserlicht 1 auszubilden. Die Steuerungseinheit 18 führt auch eine Steuerung aus, um die Bearbeitungslöcher 41b durch das zweite Abtasten mit dem gepulsten Laserlicht 1 auszubilden.
Das Laserbearbeitungsverfahren gemäß der zweiten Ausführungsform kann vorteilhafte Wirkungen ähnlich der der oben beschriebenen ersten Ausführungsform erzeugen, und erzeugt somit vorteilhafte Wirkungen des Ermöglichens von Laserbearbeitung eines faserverstärkten Verbundmaterials bei Reduzierung thermischer Wirkungen auf das Harz in dem faserverstärkten Verbundmaterial und des Befähigt-Seins die Bearbeitungsgeschwindigkeit und die Bearbeitungsqualität eines faserverstärkten Verbundmaterials bei Laserbearbeitung zu verbessern.
22 ist ein Diagramm, das eine Hardware-Konfiguration zum Implementieren der Funktionen der in 1 gezeigten Steuerungseinheit 18 zeigt. Wie in 22 gezeigt, sind die Funktionen der Steuerungseinheit 18 der Laserbearbeitungsvorrichtung 100 durch eine Steuerungsvorrichtung implementiert, die eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) 201, einen Speicher 202, eine Speichervorrichtung 203, eine Anzeigevorrichtung 204 und eine Eingabevorrichtung 205 umfasst. Die Funktionen, die von der Steuerungseinheit 18 ausgeführt werden, sind durch Software, Firmware oder einer Kombination aus Software und Firmware implementiert. Die Software oder Firmware wird in der Form von Computerprogrammen beschrieben und in der Speichervorrichtung 203 gespeichert. Die CPU 201 implementiert die Funktionen der Steuerungseinheit 18 durch Einlesen der Software oder Firmware, die in der Speichervorrichtung 203 gespeichert ist, in den Speicher 203 und Ausführen der Software oder Firmware. Somit umfasst ein Computersystem die Speichervorrichtung 203 zum Speichern von Programmen, welche, wenn die Funktionen der Steuerungseinheit 18 von der CPU 201 ausgeführt werden, in der Ausführung von Schritten der Durchführung des Betriebs der in der ersten Ausführungsform beschriebenen Steuerungseinheit 18 resultieren. Anders ausgedrückt bewirken die Programme, dass ein Computer die Prozesse ausführt, die durch die Funktionen der Steuerungseinheit 18 durchgeführt werden. Der Speicher 202 ist ein flüchtiger Speicherbereich wie etwa ein Direktzugriffsspeicher (RAM). Die Speichervorrichtung 203 ist ein nichtflüchtiger oder flüchtiger Halbleiterspeicher, wie etwa ein Nur-Lese-Speicher (ROM), ein Flash-Speicher, oder eine Magnetdisk. Spezifische Beispiele der Anzeigevorrichtung 204 umfassen einen Monitor oder ein Display. Spezifische Beispiele der Eingabevorrichtung 205 umfassen eine Tastatur, eine Maus und ein Berührungs-Tastfeld.
Die in den obigen Ausführungsformen gezeigten Konfigurationen sind Beispiele der vorliegenden Erfindung und Technologien der Ausführungsformen können miteinander oder mit anderen bekannten Technologien kombiniert werden, oder teilweise entfallen oder modifiziert werden, ohne vom Gültigkeitsbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Bezugszeichenliste

1: gepulstes Laserlicht;
1a: optische Achse;
2: Kondensor-Linse;
11: Lase - Oszillator;
12: optischer Pfad;
13: Bearbeitungskopf;
14: Antriebseinheit;
15: Düse;
16: Düsen-Bewegungsmechanismus;
17: Erfassungseinheit;
18: Steuerungseinheit;
21: Kondensor-Linse;
22: optische Einheit;
23: Gas;
28: Verschnitt;
29: bearbeitetes Produkt;
30: Zersetzungsprodukt;
41, 41a, 41b: Bearbeitungsloch;
42: Bearbeitungsabschnitt;
51: Loch;
52: Bodenstück;
53: wärme-beeinflusste Zone;
54: Durchgangsloch;
61: axiale Düse;
100: Laserbearbeitungsvorrichtung;
201: CPU;
202: Speicher;
203: Speichervorrichtung;
204: Anzeigevorrichtung;
205: Eingabevorrichtung;
C: Schnittlange
d: Bearbeitungslochdurchmesser
d1: Lochdurchmesser
f: Frequenz
L: Schnittlange
N: Anzahl von Pulsen
ro: Uberlappungsverhaltnis
Tp, Twc: Bearbeitungszeit
v: Abtastrate
W: Werkstuck
Wa: Kohlenstofffaser
Wb: Harz

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2011098381 [0004]

Claims

Laserbearbeitungsverfahren zur Laserbearbeitung eines Werkstücks, das aus einem Grundmaterial und einem faserverstärkten Verbundmaterial gefertigt ist, wobei das faserverstärkte Verbundmaterial Fasern enthält, die eine thermische Leitfähigkeit und einen Verarbeitungsschwellwert aufweisen, die höher als die physikalischen Eigenschaften von Glasfasern sind, wobei das Laserbearbeitungsverfahren umfasst: einen Schritt der Bearbeitung des Werkstücks durch Ausbilden einer Mehrzahl von Durchgangslöchern, die sich durch das Werkstück erstrecken, durch Bestrahlen des Werkstücks mit gepulstem Laserlicht von einem Bearbeitungskopf, während das Werkstück und der Bearbeitungskopf relativ zueinander in eine vorbestimmte Schnittrichtung bewegt werden, wobei das gepulste Laserlicht eine Pulsweite, die kleiner als 1 ms ist, und eine Energiedichte aufweist, die dazu fähig ist, jedes der Durchgangslöcher mit einem einzigen Puls auszubilden.
Laserbearbeitungsverfahren gemäß Anspruch 1, wobei während der Laserbearbeitung ein Gasstrahl von außerhalb einer optischen Achse des gepulsten Laserlichts zu der optischen Achse hin ausgestoßen wird, und wobei, wenn ein Fokusdurchmesser des gepulsten Laserlichts in der Schnittrichtung durch einen Fokusdurchmesser d dargestellt ist, eine Bearbeitungslänge durch eine Bearbeitungslänge L dargestellt ist und die Anzahl der Pulse des gepulsten Laserlichts, die auf ein Bearbeitungsgebiet mit der Bearbeitungslänge L emittiert werden, durch die Anzahl N der Pulse dargestellt wird, entspricht ein Überlappungsverhältnis ro, das ein Verhältnis einer Länge, über die zwei in Schnittrichtung einander benachbarte Durchgangslöcher in Schnittrichtung miteinander überlappen, zu dem Fokusdurchmesser d ist, der folgenden Formel (1): $0 < ro = (d - L / N) / d < 0,5$
Laserbearbeitungsverfahren gemäß Anspruch 2, wobei das gepulste Laserlicht in einer Kreisform fokussiert ist und auf das Werkstück emittiert wird, und wobei der Fokusdurchmesser d gleich einer Breite einer durch das gepulste Laserlicht geschnittenen Laserschnitt-Nut ist.
Laserbearbeitungsverfahren gemäß Anspruch 2 oder 3, wobei das Überlappungsverhältnis ro 0,2 ist.
Laserbearbeitungsverfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei ein Laser-Oszillator zur Emission des gepulsten Laserlichts ein CO₂-Laser ist.
Laserbearbeitungsvorrichtung zur Laserbearbeitung eines Werkstücks, das aus einem Grundmaterial und einem faserverstärkten Verbundmaterial gefertigt ist, durch Ausbilden einer Mehrzahl von Durchgangslöchern, die sich durch das Werkstück erstrecken, durch Bestrahlen des Werkstücks mit einem gepulsten Laserlicht, während das Werkstück und ein Bearbeitungskopf relativ zueinander in eine vorbestimmte Schnittrichtung bewegt werden, wobei das faserverstärkte Verbundmaterial Fasern enthält, die eine thermische Leitfähigkeit und einen Verarbeitungsschwellwert aufweisen, die höher als die physikalischen Eigenschaften von Glasfasern sind, wobei die Laserbearbeitungsvorrichtung umfasst: den Bearbeitungskopf, um das Werkstück mit dem gepulsten Laserlicht zu bestrahlen; eine Antriebseinheit, um das Werkstück und/oder den Bearbeitungskopf zu bewegen; und eine Steuerungseinheit, um die Bestrahlung des Werkstücks mit dem gepulsten Laserlicht zu steuern, wobei das gepulste Laserlicht eine Pulsweite, die kleiner als 1 ms ist, und eine Energiedichte aufweist, die dazu fähig ist, ein jedes Durchgangsloch mit einem einzigen Puls auszubilden.
Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß Anspruch 6, ferner umfassend: eine Düse, um einen Gasstrahl von außerhalb einer optischen Achse des gepulsten Laserlichts zu der optischen Achse hin auszustoßen, wobei, wenn ein Fokusdurchmesser des gepulsten Laserlichts in der Schnittrichtung durch einen Fokusdurchmesser d dargestellt ist, eine Bearbeitungslänge durch eine Bearbeitungslänge L dargestellt ist und die Anzahl der Pulse des gepulsten Laserlichts, die auf ein Bearbeitungsgebiet mit der Bearbeitungslänge L emittiert werden, durch die Anzahl N der Pulse dargestellt wird, die Steuerungseinheit während der Bearbeitung das Werkstück mit dem gepulsten Laserlicht aus dem Bearbeitungskopf bestrahlt und einen Gasstrahl von außerhalb einer optischen Achse des gepulsten Laserlichts zu der optischen Achse ausstößt, und zwar auf derart, dass ein Überlappungsverhältnis ro, das ein Verhältnis einer Länge, über die zwei in Schnittrichtung einander benachbarte Durchgangslöcher in Schnittrichtung miteinander überlappen, zu dem Fokusdurchmesser d ist, der folgenden Formel (2) entspricht: $0 < ro = (d - L / N) / d < 0,5$
Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß Anspruch 7, wobei das gepulste Laserlicht in einer Kreisform fokussiert ist und auf das Werkstück emittiert wird, und wobei der Fokusdurchmesser d gleich einer Breite einer durch das gepulste Laserlicht geschnittenen Laserschnitt-Nut ist.
Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß Anspruch 7 oder 8, wobei das Überlappungsverhältnis ro 0,2 ist.
Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 6 bis 9, ferner umfassend: einen Laser-Oszillator zur Emission des gepulsten Laserlichts, wobei der Laser-Oszillator ein CO₂-Laser ist.