DE19850299A1 - Verfahren und Vorrichtung für einen lokal gezielten, punktweisen Wärmeeintrag mit einem Laserstrahl - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung für einen lokal gezielten, punktweisen Wärmeeintrag mit einem Laserstrahl auf die Oberfläche von translatorisch und/oder rotatorisch bewegten Werkstücken, bei dem die Vorschubbewegung des/der Werkstücke(s) durch eine dieser Vorschubbewegung nachfolgende Auslenkung des Laserstrahls kompensiert wird. Aufgabengemäß sollen mit der Erfindung auch solche Werkstücke bearbeitet werden können, deren Oberfläche auch konturiert ausgebildet ist. Erfindungsgemäß wird dabei so vorgegangen, daß der Strahlfleck auf einem vorgebbaren Punkt gehalten wird, so daß eine Relativbewegung zwischen dem vorgegebenen Punkt auf einem Werkstück und dem Strahlfleck über einen vorgegebenen Zeitraum für einen definierten Wärmeeintrag verhindert werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vor­ richtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Dabei kann die erfindungsgemäße Lösung für die ver­ schiedensten Werkstücke, nahezu unabhängig von den entsprechenden Materialien, deren Größe und besonders deren Oberflächengestaltung, eingesetzt werden. Es wird eine sogenannte Hybridlösung verwendet, bei der ein zu bearbeitendes Werkstück und gleichzeitig mind­ estens ein für die Bearbeitung eines solchen Werks­ tückes benutzter Laserstrahl bewegt werden. Dadurch kann die Bearbeitungszeit und demzufolge auch die Bearbeitungsgeschwindigkeit entsprechend erhöht wer­ den.

Solche Lösungen sind insbesondere aus der Verpac­ kungsindustrie bekannt.

So wird in EP 0 357 841 B1 ein Verfahren zur Herstel­ lung von Einkerbungen in ein- oder mehrlagiges Ver­ packungsmaterial durch örtliche Verdampfung eines Teiles dieses Materials unter Verwendung eines Laser­ strahls beschrieben. Das mit den Einkerbungen zu ver­ sehende Verpackungsmaterial wird dabei von einer Rol­ le abgerollt und an mindestens einem, um zwei ortho­ gonal zueinander ausgerichtete Achsen, auslenkbaren Laserstrahl vorbei geführt, wobei die Verpackungsma­ terialbahn mit im wesentlichen gleicher, einstellba­ rer Geschwindigkeit transportiert wird. Die Auslen­ kung des Laserstrahls erfolgt durch musterabhängige Steuersignale, entsprechend der Anordnung der ge­ wünschten einzubringenden Einkerbungen. Der Laser­ strahl wird hierbei, wie bereits erwähnt, entspre­ chend ausgelenkt und die Brennweite des Laserstrahls so eingestellt, daß der Brennpunkt auf der Oberfläche der Verpackungsmaterialbahn gehalten wird, wobei le­ diglich der jeweilige Auslenkungswinkel des Laser­ strahls kompensiert wird. Für die Ausbildung der Ein­ kerbungen wird bei dieser bekannten Lösung zusätzlich nur noch die Laserstrahlintensität variiert.

Daneben ist in WO 97/13611 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schneiden, Perforieren oder Beschrif­ ten wiederkehrender Muster in kontinuierlich bewegtes Flachmaterial beschrieben. Das Schneiden, Perforieren oder Beschriften wird hier, wie auch bei der vorab genannten EP 0 357 841 B1 ausschließlich durch örtli­ che Verdampfung des Materials mit dem steuerbaren Laserstrahl erreicht.

Bei beiden bekannten Lösungen wird auch die Geschwin­ digkeit, mit der das flache Material bewegt wird, detektiert und das gemessene Geschwindigkeitssignal für die Manipulierung des Laserstrahls benutzt. Nach der in WO 97/13611 A1 beschriebenen Lösung ist es außerdem erforderlich, Knick- oder Falzkanten zu de­ tektieren und auch diese Signale für die Ansteuerung des Strahlablenkystems zu benutzen. Es werden eben­ falls nur der Brennpunkt und die Laserintensität va­ riiert.

Mit den bekannten Lösungen ist es jedoch nicht mög­ lich, beliebige Werkstücke, d. h. unter Verwendung verschiedenster Materialien, Materialstärken und Oberflächenstrukturen, auch in dreidimensionaler Form, zu bearbeiten. Weiterhin besteht keine Möglich­ keit, den Wärmeeintrag, der punktweise auf der Ober­ fläche auch von strukturierten Werkstückoberflächen, in definierter Höhe zu erreichen.

Es können auch keine hochpräzisen Punktschweißverbin­ dungen an zwei miteinander zu verbindenden Werkstüc­ ken erreicht werden.

Ein weiteres Problem, das mit den bekannten Lösungen nicht lösbar ist, besteht darin, daß bei bewegten Werkstücken nicht ohne weiteres Bohrungen oder Ein­ schnitte mit größerer Tiefe in das Werkstück einge­ bracht werden können, ohne daß eine kegelförmige Auf­ weitung einer solchen Bohrung oder eines solchen Ein­ schnittes in Richtung der Werkstückoberfläche vermie­ den werden kann. Mit den bekannten Verfahren ist es also nicht möglich, in bewegte Werkstücke mit einem Laserstrahl Bohrungen einzubringen, deren Innendurch­ messer über die gesamte Bohrungstiefe nahezu konstant ist und die gesamte Bohrung mit ihrer Längsachse or­ thogonal zur Bewegungsrichtung des Werkstückes ausge­ richtet ist.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung vorzuschlagen, mit der ein definier­ ter Wärmeeintrag, lokal gezielt und punktweise auf die Oberfläche eines translatorisch und/oder rotato­ risch bewegten Werkstückes erreicht werden kann, wo­ bei solche Werkstücke an ihrer Oberfläche auch kon­ turiert ausgebildet sein können.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestal­ tungsformen und Weiterbildungen der Erfindung, erge­ ben sich mit den in den untergeordneten Ansprüchen genannten Merkmalen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird aufbauend auf den bekannten Lösungen ein Laserstrahl in minde­ stens einer Achse ausgelenkt, wobei bei der Auslen­ kung die translatorische und/oder rotatorische Bewe­ gung des entsprechenden Werkstückes berücksichtigt wird und die Auslenkung des Laserstrahls in der Form erfolgt, daß sie der Vorschubbewegung des bzw. mehre­ rer Werkstücke nachfolgt. Mit dieser Kompensation der Vorschubbewegung kann der Strahlfleck des Laser­ strahls auf einem vorgegebenen Punkt gehalten werden, so daß eine Relativbewegung zwischen diesem Punkt und dem bzw. den Werkstücken und dem Strahlfleck des La­ serstrahls über einen vorgegebenen Zeitraum verhin­ dert wird. Dadurch kann ein definierter Wärmeeintrag durch die entsprechende Zeit punktförmig in das Werk­ stück erfolgen.

Ein solcher Punkt ist bei den verschiedenen Werk­ stücken und durch möglichen Materialabtrag, infolge des Wärmeeintrages nicht nur durch zwei Koordinaten x, y eines kartesischen Koordinatensystems definiert, sondern seine Lage kann auch entlang einer dritten, orthogonal zu den beiden anderen Achsen ausgerichte­ ten z-Achse variieren. Für einen Ausgleich der Lage eines solchen Punktes entlang dieser z-Achse kann eine Strahlformungseinheit verwendet werden, mit der die Fokussierung des Laserstrahls entsprechend vari­ iert werden kann, so daß der Strahlfleck mit gleicher Größe während des vorgegebenen Zeitraumes, bei dem die Vorschubbewegung durch Auslenkung des Laser­ strahls kompensiert wird, konstant gehalten werden kann.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung kann in sehr einfa­ cher Form und sehr exakt ein ganz bestimmter Wärme­ eintrag über einen Punkt auf der Oberfläche eines Werkstückes in reproduzierbarer Form erfolgen, wie dies z. B. bei einer Wärmebehandlung (lokal definier­ tes Härten bzw. Weichglühen), beim Punktschweißen oder bei der Ausbildung von tieferen Einschnitten und Bohrungen in ein bewegtes Werkstück erforderlich sein kann.

Soll ein solcher Wärmeeintrag an verschiedenen Orten eines entsprechenden Werkstücks erfolgen, oder es wird ein gepulster Laserstrahl verwendet, kann die oben beschriebene Kompensierung der Vorschubbewegung des/der Werkstücke(s) in vorgebbaren Zeit-Intervallen durchgeführt werden.

Die Auslenkung des Laserstrahls erfolgt dabei jedoch generell unter vollständiger Berücksichtigung der Vorschubbewegung, d. h., es wird sowohl die Bewegungs­ richtung, wie auch die Geschwindigkeit der Vorschub­ bewegung berücksichtigt, so daß der Strahlfleck des ausgelenkten Laserstrahls für die gewählte Zeit dem jeweilig ausgewählten Punkt folgt.

Nachdem der definierte Wärmeeintrag an einem Punkt erfolgt ist, kann der Laserstrahl in eine Ausgangs­ lage zurückgeführt oder auf einen neuen Punkt auf der Oberfläche des entsprechenden Werkzeuges gerichtet werden und an dem entsprechend neuen Punkt die Kom­ pensation und ein Wärmeeintrag, wie beschrieben, wie­ derholt werden.

Da die verschiedenen Werkstücke nicht nur geradlinig bewegt werden, bzw. die mit einem Wärmeeintrag zu beaufschlagenden Punkte nicht auf einer Linie paral­ lel zur Vorschubbewegungsrichtung liegen, ist es er­ forderlich, den Laserstrahl in mindestens zwei Ach­ sen, die orthogonal zueinander ausgerichtet sind, auszulenken.

Vorteilhaft ist es außerdem, den auf die Werkstück­ oberfläche gerichteten Laserstrahl mittels einer Strahlformungseinheit dem jeweiligen Abstand des vor­ gegebenen Punktes entsprechend zu fokussieren, so daß die Größe des Strahlfleckes konstant gehalten werden kann. Dies ist einmal erforderlich, wenn durch eine entsprechende Gestaltung der Werkstückoberfläche un­ terschiedliche Abstände ausgeglichen werden müssen und zum anderen, wenn die Lage des Punktes durch ei­ nen entsprechenden Materialabtrag, wie er bei der Ausbildung einer Bohrung auftritt, ausgeglichen wer­ den muß. Im letztgenannten Fall wird der Laserstrahl gleichzeitig ausgelenkt und neu fokussiert. Es ist jedoch nicht in jedem Fall erforderlich, den Brenn­ punkt so zu beeinflussen, daß er mit dem Strahlfleck auf der Werkstückoberfläche übereinstimmt.

Günstigerweise wird der Abstand mit einem entspre­ chenden Abstandssensor für jeden einzelnen Punkt be­ stimmt und das gemessene Abstandssignal beeinflußt eine Steuerung, die wiederum die Strahlformungsein­ heit entsprechend beeinflußt, um die Fokussierung in der gewünschten Form einzustellen.

Für die Auslenkung des Laserstrahls kann mindestens ein Umlenkspiegel, bevorzugt jedoch zwei solcher Um­ lenkspiegel (auch Scannerspiegel genannt) verwendet werden, die mit einem galvanometrischen Antrieb, je­ weils um eine Achse verschwenkt werden können, wobei die Antriebe für die Umlenkspiegel ebenfalls von der Steuerung, die auch die Strahlformungseinheit beein­ flußt, aktiviert werden können. Wird bei dem erfin­ dungsgemäßen Verfahren ein gepulster Laserstrahl ver­ wendet, ist es vorteilhaft den bzw. die Umlenkspiegel in bestimmten Winkeln stufenweise zu verschwenken, wobei die Schwenkbewegung entsprechend der Pulsfre­ quenz des Laserstrahls unter Berücksichtigung der Vorschubbewegungsgeschwindigkeit synchronisiert wird.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren besteht die Mög­ lichkeit, in einem Werkzeug, das aus den verschieden­ sten Materialien bestehen und das auch die verschie­ densten Formen aufweisen kann, mindestens eine Boh­ rung auszubilden, die als Durchgangsbohrung oder als sogenanntes Sackloch ausgebildet sein kann, wobei trotz der Vorschubbewegung eine Bohrung hergestellt werden kann, die über ihre gesamte Tiefe einen nahezu konstanten Innendurchmesser aufweist und nur eine äußerst geringe kelchförmige Aufweitung in Richtung Werkstückoberfläche zu verzeichnen ist. Außerdem kann eine solche Bohrung mit ihrer Längsachse orthogonal zur Werkstückoberfläche ausgerichtet, ausgebildet werden.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung können auch mehrere Bohrungen achsparallel zueinander ausgerichtet in einem solchen Werkstück ausgebildet werden. Dadurch ist die Möglichkeit gegeben, in den verschiedensten Konturen eine Sollbruchstelle vorzugeben, so daß ein bestimmter Teil des Werkstückes entsprechend der Kon­ tur, bei Überschreiten einer definiert vorgebbaren Kraft, aus dem Werkstück herausgebrochen werden kann.

Aus dekorativen Gründen kann es erforderlich sein, daß solche Bohrungen nicht durch das gesamte Werk­ stück, in der gesamten Dicke geführt sind, sondern ein bestimmter Materialanteil unbeeinflußt bleibt, so daß die Bohrungen, wie die sogenannten Sacklöcher ausgebildet sind. In diesem Fall ist es günstig, daß gleichzeitig die Tiefe der jeweiligen Bohrung gemes­ sen wird, so daß eine bestimmte Bohrtiefe eingehalten werden kann.

Für Werkstücke, die in Abtragsrichtung eine unter­ schiedliche Dicke aufweisen, ist es zweckmäßig, auch die Dicke eines solchen Werkstückes ortsaufgelöst an dem jeweilig vorgegebenen Punkt bzw. Bohrung zu be­ stimmen, so daß die Restmaterialdicke durch unter­ schiedliche Bohrungstiefen mehrerer Bohrungen kon­ stant gehalten werden kann, was sich insbesondere für den Fall der Ausbildung einer gezielten Sollbruch­ stelle an einem Werkstück vorteilhaft auswirken kann.

Ein entsprechender Anwendungsfall besteht darin, daß in einer Instrumententafel eines Kraftfahrzeuges ein Airbagöffnungsbereich ausgebildet werden soll. Hier­ bei werden der Kontur des Airbagöffnungsbereiches entsprechend in gleichmäßigen Abständen parallele Bohrungen in eine solche Instrumententafel einge­ bracht, wobei es aus Sicherheitsgründen erforderlich ist, daß die Abstände, die Innendurchmesser und die verbleibende Restmaterialdicke an jeder Bohrung kon­ stant gehalten ist. Dies bedeutet, daß die Bohrungs­ tiefe in Abhängigkeit der lokal zu verzeichnenden Werkstückdicken einer solchen Instrumententafel zu berücksichtigen ist, so daß bei Auslösen eines Air­ bags der Airbagöffnungsbereich ohne weiteres aus der Instrumententafel durch Bruch der mit den Bohrungen vorgegebenen Sollbruchstelle erfolgen kann. Bei die­ sem Anwendungsfall kann die verbleibende Restmateri­ aldicke an einer Kante des Airbagöffnungsbereiches geringfügig, durch Variation der Bohrtiefen in diesem Kantenbereich größer sein, als an den anderen Kanten­ bereichen, so daß diese Kante Scharnierfunktion über­ nehmen kann.

Vorteilhaft können für jedes bearbeitete Werkstück die Positionskoordinaten der entsprechenden einzelnen Punkte und zumindest die gemessene Tiefe der einzel­ nen Bohrungen in digitalisierter Form in ein elektro­ nisches Speichermedium eingegeben werden, so daß ein entsprechender Nachweis nachträglich für jedes bear­ beitete Werkstück erbracht werden kann.

Mit der Erfindung kann ein Wärtmeeintrag in Werk­ stücke mit hoher Präzision und Reproduzierbarkeit erfolgen, so daß eine gezielte Bearbeitung bzw. Be­ einflussung eines Werkstückes oder des Werkstoffes ortsaufgelöst erreichbar ist.

Nachfolgend soll die Erfindung an Beispielen näher beschrieben werden.

Dabei zeigen:

Fig. 1 ein einfaches Beispiel einer Vorrichtung zur Ausbildung von achsparallelen Bohrungen in einem geradlinig bewegten Werkstück;

Fig. 2 in drei Bewegungsschritten, die Ausbildung einer Bohrung in einem geradlinig bewegten Werkstück;

Fig. 3 schematisch den Querschnitt einer Bohrung, die mit drei Laserpulsen ohne Vorschubbewe­ gungskompensation in einem Werkstück ausge­ bildet wird;

Fig. 4 eine schematische Darstellung für die Aus­ bildung einer Bohrung, mit ebenfalls drei Laserpulsen, jedoch mit Vorschubbewegungs­ kompensation;

Fig. 5 den schematischen Aufbau einer Vorrichtung, mit der in ein geradlinig bewegtes, eine gewölbte Oberfläche aufweisendes Werkstück einer vorgegebenen Kontur folgend, Bohrun­ gen ausgebildet werden können.

Fig. 6 zwei durch Punktschweißung verbundene Werk­ stücke.

In der Fig. 1 ist ein sehr einfaches Beispiel darge­ stellt, bei dem mit einer Vorrichtung in einem trans­ latorisch geradlinig bewegten Werkstück 1 Bohrungen 11 ausgebildet werden können. Ein aus einer Laser­ lichtquelle 9 über einen um eine Achse verschwenkba­ ren Umlenkspiegel 4 gerichteter Laserstrahl wird so auf die Oberfläche des Werkstückes 1 gerichtet. Die hier gepulst betriebene Laserlichtquelle 9 ist mit einer elektronischen Steuerung 10, z. B. einem her­ kömmlichen Personalcomputer verbunden, mit dem z. B. die Pulsfrequenz der Laserlichtquelle 9 entsprechend beeinflußt werden kann. Die elektronische Steuerung 10 ist außerdem mit dem Antrieb des Umlenkspiegels 4 verbunden, so daß dieser, bevorzugt bei gepulstem Betrieb der Laserlichtquelle 9, in bestimmten Winkel­ schritten verschwenkt werden kann.

Für die Ausbildung einer Bohrung, im translatorisch bewegten Werkstück 1, wobei der links eingezeichnete Pfeil die Vorschubbewegung erkennen läßt, wird ein Laserpuls des Laserstrahls 2 auf die Oberfläche ge­ richtet. Im Anschluß daran der Umlenkspiegel 4 um einen bestimmten Winkelbetrag verschwenkt, so daß der folgende Laserpuls wieder auf den gleichen Punkt der Werkstückoberfläche des Werkstückes 1 gerichtet wird, wie dies bei dem ersten Laserpuls der Fall der war. Dieser Vorgang kann so oft wiederholt werden, bis die Bohrung 11 in der gewünschten Tiefe ausgebildet ist. Zu diesem Zeitpunkt wird der Umlenkspiegel 4 wieder in die Ausgangsstellung zurückverschwenkt und der Vorgang kann für die Ausbildung einer nächstfolgenden Bohrung 11, die achsparallel zu den vorhergehenden Bohrungen 11 angeordnet ist, wiederholt werden.

Dieses Vorgehen ist schematisch in drei Stufen, für drei Laserpulse zur Ausbildung einer Bohrung 11, bei fortschreitendem Werkstück 1 dargestellt.

Bei den in den Fig. 1 und 2 gezeigten einfachen Beispielen, wird auf eine Korrektur der Fokussierung des Laserstrahls entsprechend des veränderten Abstan­ des, infolge des Materialabtrages, nach jedem Laser­ puls verzichtet. Eine entsprechende Korrektur ist jedoch für viele Anwendungsfälle zweckmäßig, worauf nachfolgend noch zurückzukommen sein wird.

In der Fig. 3 ist schematisch dargestellt, wie die Form einer solchen Bohrung 11, ohne eine entsprechen­ de Kompensation der Vorschubbewegung des Werkstückes 1 ausgebildet wird. Dabei ist in der oberen Darstel­ lung erkennbar, wie der Innendurchmesser einer so hergestellten Bohrung sukzessive sich in Richtung auf die Oberfläche des Werkstückes, bei einem gepulsten Laserstrahl in Stufen kelchförmig erweitert, da jeder Laserpuls auch Material infolge der Vorschubbewegung des Werkstückes 1 abträgt. Dabei ist der obere Teil der Bohrung mit dem größten Innendurchmesser infolge des Einflusses der drei nacheinander auf die Oberflä­ che des Werkstückes 1 gerichteten Laserpulse, der mittlere Teil mit dem mittleren Innendurchmesser durch zwei Laserpulse und der Teil mit dem kleinsten Innendurchmesser durch einen und zwar den letzten Laserpuls, erhalten worden.

Demgegenüber kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren der Wärmeeintrag auf einen Punkt des Werkstückes 1 so beeinflußt werden, daß eine Bohrung 11 erhalten wer­ den kann, wie sie schematisch in der Fig. 4 darge­ stellt ist. Insbesondere in der unteren Darstellung ist erkennbar, daß die Abweichung des Innendurchmes­ sers im unteren Teil vom Innendurchmesser an der Oberfläche des Werkstückes 1 sehr gering ist, so daß gegenüberliegende Seiten der Bohrung 11, nahezu parallel ausgerichtet sind und gleichzeitig die Längsachse der so hergestellten Bohrung 11 nahezu orthogonal zur Oberfläche des Werkstückes ausgerich­ tet werden kann.

In der Fig. 5 ist ein Beispiel einer erfindungsgemä­ ßen Vorrichtung dargestellt, mit der ein komplexer geformtes Werkstück 1, hier eines mit gekrümmter Kon­ tur, bearbeitet werden kann.

Das Werkstück 1 ist hier auf einer nicht dargestell­ ten Werkzeugaufnahme fixiert, die mittels einer eben­ falls nicht dargestellten CNC-Steuerung entlang einer Achse translatorisch bewegt werden kann. Es handelt sich in dieser Darstellung um die y-Achse, die mit einem Doppelpfeil dargestellt ist.

Zur Verkürzung der Standzeiten einer solchen Vorrich­ tung können auch zwei solcher Werkzeugaufnahmen, wie dies in Fig. 5 mit dem gezeigten zweiten Werkstück 1 angedeutet ist, verkürzt werden, da der Austausch eines fertig bearbeiteten Werkstücke 1 gegen ein noch nicht bearbeitetes Werkstück an einer Werkzeugaufnah­ me erfolgen kann, während das andere Werkstück 1 auf der anderen Werkzeugaufnahme bearbeitet wird.

Der Laserstrahl 2, einer hier ebenfalls nicht darge­ stellten Laserlichtquelle, die bevorzugt ein gepuls­ ter CO₂-Laser sein kann, wird über einen starren Um­ lenkspiegel 13 auf einen Umlenkspiegel 4 gerichtet, der jedoch um eine Achse verschwenkt werden kann. Mit dem Umlenkspiegel 4 wird der Laserstrahl 2 auf einen zweiten Umlenkspiegel 5, der bei diesem Beispiel in einem Bearbeitungskopf 8 aufgenommen ist, gerichtet und mit dem Umlenkspiegel 5 auf die Oberfläche des Werkstückes 1 gerichtet.

Eine Strahlformungseinheit 3 kann bei diesem Beispiel als Teleskop zwischen dem starren Umlenkspiegel 13 und dem schwenkbaren Umlenkspiegel 4 ausgebildet sein. Die Strahlformung kann aber auch durch entspre­ chende Bewegung des Bearbeitungskopfes 8, in der Fig. 5 in Richtung der x-Achse oder der z-Achse durch­ geführt werden.

Da bei diesem Beispiel ein gekrümmtes Werkstück 1 bearbeitet werden soll, ist es zweckmäßig, den jewei­ ligen Abstand der Werkstückoberfläche mit einem Ab­ standssensor 6 ortsaufgelöst zu messen, so daß die Strahlformungseinheit 3 oder der Bearbeitungskopf 8 entsprechend manipuliert werden können, so daß die Größe des Strahlfleckes auf der Oberfläche des Werk­ stückes 1 unabhängig vom jeweiligen Abstand konstant gehalten werden kann.

Am Bearbeitungskopf 8 ist außerdem ein Bohrtiefensen­ sor 12 angeordnet, mit dem die jeweilige Bohrtiefe einer Bohrung 11 gemessen und die Laserlichtquelle in Verbindung mit Umlenkspiegel 4 und Bearbeitungskopf 8 entsprechend gesteuert werden kann, so daß eine vor­ gegebene Bohrtiefe jeder einzelnen Bohrung 11 einge­ halten werden kann.

Der hier dargestellte Bearbeitungskopf 8 hat mehrere Freiheitsgrade, außer den bereits in x-Achsen und z- Achsen erwähnten. Er kann zusätzlich um die c-Achse und um die b-Achse verschwenkt werden, wobei das Ver­ schwenken um die b-Achse auch durch ein entsprechen­ des Verschwenken des Umlenkspiegels 5, der im Bear­ beitungskopf 8 aufgenommen ist, erfolgen kann.

Die CNC-Steuerung kann nicht nur die Bewegung des Werkstückes 1 beeinflussen, sondern es ist zweckmä­ ßig, auch die Steuerung der Laserlichtquelle, der optischen Elemente für die Auslenkung und Formung des Laserstrahls 2 mittels der CNC-Steuerung zu realisie­ ren. Dadurch kann auf die Messung der Vorschubge­ schwindigkeit bzw. des Vorschubweges verzichtet wer­ den. Außerdem können die Meßsignale der Sensoren 6, 7 und 12 in der CNC-Steuerung verarbeitet und berück­ sichtigt werden.

Bei dem in Fig. 5 gezeigten Beispiel ist ein zweiter Abstandssensor 7 erkennbar, der von der anderen Seite auf die entsprechende Oberfläche des Werkstückes 1 gerichtet ist. Mit diesem kann in Verbindung mit dem erstgenannten Abstandssensor 6, der hier am Bearbei­ tungskopf 8 angeordnet ist, die jeweilige Dicke des Werkstückes 1 ortsaufgelöst bestimmt werden. Dadurch können zum einen Werkstückdickenschwankungen, auch solche die infolge Werkstücktoleranzen oder infolge Werkstückgestaltung vorhanden sind, berücksichtigt werden. Dies wirkt sich, wie bereits im allgemeinen Teil der Beschreibung erwähnt, insbesondere dann vor­ teilhaft aus, wenn Bohrungen 11 in einem Werkstück 1 hergestellt werden sollen, die eine bestimmte Restma­ terialdicke bis zur unbearbeiteten Oberfläche eines solchen Werkstückes 1 sichern müssen.

Bei den in Fig. 5 gezeigten Werkstücken 1 sollen eine Vielzahl von Bohrungen, die einer bestimmten Kontur folgen sollen, hier in Form annähernd eines Rechteckes, ausgebildet werden. Dabei muß bei der Bearbeitung beachtet werden, daß sich die Vorschubge­ schwindigkeit des Werkstückes 1 immer dann stark än­ dert, wenn die Bohrungen nicht parallel zur Bewe­ gungsrichtung des Werkstückes 1 ausgebildet werden sollen, sondern deren Lage in z-Achsenrichtung abwei­ chen muß. Dabei sind insbesondere die Eckbereiche kritisch, da dort gleichzeitig eine Vorschubbewegung in y-Achse des Werkstückes und eine gezielte Auslen­ kung des Strahlflecks in z-Achsenrichtung erfolgt. In diesem Fall muß die elektronische Steuerung, insbe­ sondere die Laserpulsfrequenz entsprechend synchroni­ sieren.

Um entstehende Gase oder Dämpfe aus dem Einflußbe­ reich des Laserstrahls 2 oberhalb der Oberfläche des Werkstückes 1 zu halten, kann vorteilhaft eine oder mehrere Düsen verwendet werden, mit denen Druckluft oder ein inertes Gas eingeblasen wird, so daß eine Absorption durch die Gase bzw. Dämpfe des Laser­ strahls 2 vermieden werden.

Erfolgt der Materialabtrag im Werkstück 1 nicht durch Verdampfen, sondern es wird, wie beim Laserschweißen, so verfahren, daß mit dem Laserstrahl 2 eine Schmelze erzeugt wird, kann diese mit einem entsprechenden Druckgasstrahl weggeblasen werden, wobei jedoch zu beachten ist, daß feste oder flüssige abgeblasene Materialpartikel die optischen Elemente nicht negativ beeinflussen können.

Es besteht auch die Möglichkeit, die Führung des La­ serstrahles 2 mit Hilfe eines Armes eines Industrie­ roboters zumindest zu unterstützen. Dabei kann der Industrieroboterarm z. B. die Bewegung bei der Bear­ beitung eines großflächigen Werkstückes 1 unterstüt­ zen und die feinere Auslenkung in der beschriebenen Form mittels der Umlenkspiegel 4, 5 vorgenommen wer­ den.

In der Fig. 6 ist wiederum eine andere Möglichkeit dargestellt, wie die Erfindung günstigerweise einge­ setzt werden kann. Hierbei werden zwei Werkstücke 1 und 1' durch eine Punktschweißverbindung miteinander verbunden. Dabei kann wiederum durch die Überlagerung der Vorschubbewegung der Werkstücke 1 und 1' mit der Auslenkung des Laserstrahls 2 die Bearbeitungsge­ schwindigkeit beträchtlich erhöht werden. Durch das erfindungsgemäße Vorgehen ist es aber besonders vor­ teilhaft, daß der Wärmeeintrag für jeden einzelnen Schweißpunkt gleich gehalten werden kann, so daß im­ mer eine gleichbleibende und homogene Verbindung für jeden einzelnen Schweißpunkt erreicht werden kann und demzufolge die Festigkeit der einzelnen Schweißpunktverbindungen an den beiden Werkstücken 1 und 1' konstant zu halten ist.

Außerdem kann die Wärmebeeinflussung der beiden Werk­ stücke 1 und 1' lokal begrenzt, immer exakt um die einzelnen Schweißpunkte herum verteilt gehalten wer­ den, was sich für viele Einsatzzwecke als günstig erwiesen hat.

Claims (24)

1. Verfahren für einen lokal gezielten, punktweisen Wärmeeintrag mit einem Laserstrahl auf die Ober­ fläche von translatorisch und/oder rotatorisch bewegten Werkstücken, bei dem die Vorschubbewe­ gung des/der Werkstücke(s) durch eine dieser Vorschubbewegung nachfolgende Auslenkung des Laserstrahls (2) kompensiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlfleck auf einem vorgebbaren Punkt gehalten wird, so daß eine Relativbewegung zwi­ schen vorgebbarem Punkt auf dem/den Werkstück(en) (1, 1') und dem Strahlfleck über einen vorgegebenen Zeitraum, für einen definier­ ten Wärmeeintrag, verhindert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Kompensierung der Vorschubbewegung des/der Werkstücke(s) (1, 1') in vorgebbaren Zeit-Intervallen durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Laserstrahl (2) nach Been­ digung des Wärmeeintrages an einem Punkt in eine Ausgangslage zurückgeführt oder auf einen neuen Punkt auf der Oberfläche gerichtet und die Kom­ pensation an einem neuen Punkt wiederholt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl (2) in mindestens zwei Achsen ausgelenkt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl (2) mittels einer Strahlformungseinheit (3) dem je­ weiligen Abstand des Punktes entsprechend fokus­ siert wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß der Abstand des/der Werkstücke(s) (1, 1') mittels mindestens eines Abstandssensors (6) gemessen und mit dem gemes­ senen Abstand über eine Steuerung (10) die Strahlformungseinheit (3) beeinflußt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß für die Auslenkung des Laserstrahls (2) mindestens ein Umlenkspiegel (4, 5) verwendet wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß für die Auslenkung eines gepulsten Laserstrahls (2) der/die Umlenk­ spiegel (4, 5) in bestimmten Winkeln stufenweise verschwenkt wird/werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich­ net, daß die Pulsfrequenz des Laserstrahls (2) mit der Geschwindigkeit der Vorschubbewegung synchronisiert wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß in einem Werkstück (1) mindestens eine Bohrung (11) ausgebildet wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Bohrungen (11) achsparallel zueinander ausgebildet werden.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich­ net, daß die Tiefe der Bohrung (11) gemessen wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des/der Werkstücke(s) (1, 1') gemessen wird.

14. verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Instrumen­ tentafel eines Kraftfahrzeuges ein Airbagöff­ nungsbereich ausgebildet wird, in dem der Kontur des Airbagöffnungsbereiches folgend in gleichmä­ ßigen Abständen parallele Bohrungen eingebracht werden.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß für jede einzelne Bohrung (11) die Positionskoordinaten und die gemessene Tiefe der Bohrung (11) in digitali­ sierter Form in ein elektronisches Speichermedi­ um eingegeben werden.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß zwei Werkstücke (1, 1') durch Punktschweißung miteinander verbunden werden.

17. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Werkstück (1) auf einer translatorisch bewegbaren Werkstückaufnahme oder einem Drehteller angeordnet ist und ein Laser­ strahl (2) einer Laserlichtquelle (9) über mindestens einen Umlenkspiegel (4, 5) auf die Oberfläche des Werkstückes (1) gerichtet ist, wobei der Umlenkspiegel (4) um eine Achse ent­ sprechend der Vorschubgeschwindigkeit des Werk­ stückes (1) gleichförmig oder in vorgebbaren Winkelschritten verschwenkbar ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl (2) über einen zweiten Umlenkspiegel (5), dessen Schwenkachse orthogonal zur Schwenkachse des ersten Umlenkspiegels ausgerichtet ist, auf das Werkstück (1) gerichtet ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß ein, über eine elek­ tronische Steuerung (10) eine Laserstrahlfor­ mungseinheit (3) beeinflussender Abstandssensor (6) vorhanden ist.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Sensor (7) zur Bestimmung der ortsaufgelösten Dicke des Werkstückes (1) vorhanden ist.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß ein annähernd par­ allel zum Laserstrahl (2) ausgerichteter Sensor (12) zur Bestimmung der Bohrungstiefen vorhan­ den ist.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß Werkstückaufnahme oder Drehteller mit einer CNC-Steuerung verbun­ den sind.

23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß Antriebe für den/­ die Umlenkspiegel (4, 5) und die Strahlformungs­ einheit (3) mit der CNC-Steuerung verbunden sind.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß ein Umlenkspiegel (5) in einem Bearbeitungskopf (8) aufgenommen ist, der in mindestens einer Achse translato­ risch bewegt oder um mindestens eine Achse ver­ schwenkt werden kann.