DE19945285A1

DE19945285A1 - Introducing gas during laser beam cutting of thin materials comprises producing a working gas as a laminar gas flow on the surface of the material to be cut

Info

Publication number: DE19945285A1
Application number: DE19945285A
Authority: DE
Inventors: Werner Schmidt
Original assignee: PANATEC FLUGTECHNISCHE ENTWICK
Current assignee: PANATEC FLUGTECHNISCHE ENTWICK
Priority date: 1999-09-22
Filing date: 1999-09-22
Publication date: 2001-03-29

Abstract

Introducing gas during laser beam cutting of thin materials comprises producing a working gas as a laminar gas flow on the surface of the material to be cut. An Independent claim is also included for a device for carrying out the process comprising one or more nozzles (1) arranged on one side of the working area (A) and one or more suction nozzles (2) on the opposite-lying side of the working region.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Gasführung beim Laserstrahlschneiden vorzugsweise großflächiger, dünner Materialien.The invention relates to a method and a device for gas guidance during laser beam cutting preferably large, thin materials.

Bekannt sind Verfahren und verschiedene Vorrichtungen zur Gasführung beim Laserstrahlschneiden, bei denen der Gasstrahl parallel zum Laserstrahl auf die Schnittfuge gelenkt wird. Typische Anordnungen sind in der DE-OS 197 35 354 A1 (Verfahren zum Schneiden oder Schweißen mittels Laser) und DE-OS 197 25 256 A1 (Düsenanordnung für das Laserstrahlschneiden) dargestellt. Bei diesen Anordnungen wird der Laserstrahl durch die Öffnung der Gasdüse geführt, so daß der Gasstrahl mit dem Fokus des Laserstrahles gemeinsam auf dem Material auftrifft. Nachteilig bei diesem Verfahren ist, daß eine optische Auslenkung des Laserstrahles für schnelle Bearbeitungsverfahren durch das erforderliche Nachführen der Gasdüse nicht möglich ist. Ein weiterer Nachteil ist, daß dünne Materialien wegen der umgelenkten Gasströmung angehoben werden, so daß Ungenauigkeiten in der Strahlfokussierung auftreten.Methods and various devices for gas guidance during laser beam cutting are known, where the gas jet is directed onto the kerf parallel to the laser beam. Typical Arrangements are described in DE-OS 197 35 354 A1 (methods for cutting or welding Laser) and DE-OS 197 25 256 A1 (nozzle arrangement for laser beam cutting) shown. At These arrangements, the laser beam is passed through the opening of the gas nozzle, so that the Gas jet with the focus of the laser beam hits the material together. A disadvantage of This method is that an optical deflection of the laser beam for fast Machining process is not possible due to the necessary tracking of the gas nozzle. Another The disadvantage is that thin materials are raised due to the deflected gas flow, so that Inaccuracies in beam focusing occur.

In der DE-OS 39 25 646 A1 ist ein Verfahren und Vorrichtung zum Formabtragen von Werkstoff beschrieben, bei der die Gasdüse neben dem Laserstrahl angeordnet ist. Dieses Verfahren hat bei dünnem Material den Nachteil, daß der an der Materialoberfläche umgelenkte Gasstrom durch Wandeffekte zu einem Anheben des Materials und damit zu einer schlechten Fokussierung des Laserstrahles führt. Zusätzlich ist die Gasführung nur auf einen kleinen Arbeitsbereich begrenzt, so daß es auch nur bedingt für eine Materialbearbeitung mit optisch ausgelenktem Laserstrahl geeignet ist. Beiden beschriebenen Verfahren haftet der Nachteil an, daß beim Laserstrahlschneiden entstehende Abprodukte insbesondere bei organischen Materialien nicht aufgefangen werden, so daß deren umweltgerechte Entsorgung nicht gewährleistet werden kann.DE-OS 39 25 646 A1 describes a method and device for removing material from the mold described, in which the gas nozzle is arranged next to the laser beam. This procedure has thin material the disadvantage that the gas flow deflected on the material surface through Wall effects to raise the material and thus to poorly focus the Laser beam leads. In addition, the gas flow is limited to a small working area, so that it is only partially suitable for material processing with an optically deflected laser beam is. Both methods described have the disadvantage that laser cutting resulting waste products are not collected, especially with organic materials, so that their environmentally friendly disposal cannot be guaranteed.

In der DE-OS 197 34 294 A1 ist eine Absauganlage für die Laserbearbeitung von Werkstücken vorgestellt, bei der Hilfsgas und Abprodukte abgeführt werden. Die Anordnung besitzt ebenfalls den wesentlichen Nachteil einer kleinen Arbeitsfläche des Laserstrahles und der starken Gasumlenkung konzentrischer Düsenanordnungen. Die Darstellung gilt in gleicher Weise für die in der DE-OS 197 47 841 A1 beschriebenen Anordnung zur Lasermaterialbearbeitung.DE-OS 197 34 294 A1 describes an extraction system for the laser processing of workpieces presented, in which auxiliary gas and waste products are removed. The arrangement also has the essential disadvantage of a small working surface of the laser beam and the strong gas deflection concentric nozzle arrangements. The presentation applies in the same way to that in the DE-OS 197 47 841 A1 described arrangement for laser material processing.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Gasführung beim Laserstrahlschneiden vorzugsweise großflächiger, dünner Materialien zu schaffen, bei dem auf einer größeren Arbeitsfläche eine Materialbearbeitung mit optisch abgelenktem Laserstrahl möglich ist, eine definierte Gasführung die Druck- und Strömungsverhältnisse an der Materialoberfläche über den Arbeitsbereich stabil hält, eine möglichst geringe Vermischung des Arbeitsgases mit der umgebenen Atmosphäre auftritt und das vom Laser beaufschlagte Material kontrollierbar abführt wird.The object of the invention is to provide a method and a device for guiding gas Laser beam cutting preferably to create large-area, thin materials in which on a a larger work surface, a material processing with optically deflected laser beam is possible defined gas flow the pressure and flow conditions on the material surface over the Keeps the work area stable, the least possible mixing of the working gas with the surrounding Atmosphere occurs and the material impacted by the laser is removed in a controllable manner.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren laut Oberbegriff des Hauptanspruches durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Auslegungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.This task is carried out on the basis of a method according to the preamble of the main claim its characteristic features solved. Advantageous further developments and interpretations result itself from the subclaims.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Arbeitsgas beim Laserstrahlschneiden als laminare Gasströmung an der Oberfläche des zu bearbeitenden Materials geführt. Dadurch kann einerseits eine Vermischung des Arbeitsgases mit der Umgebungsluft vermindert werden, so daß sowohl das Arbeitsgas als auch mitgeführte Abprodukte wieder zurückgewonnen werden können. Andererseits kann eine größere Fläche mit einem optisch abgelenkten Laserstrahl bearbeitet werden. Die Laminarströmung stabilisiert außerdem die Druck- und Strömungsverhältnisse an der Oberfläche dünner Materialien.In the method according to the invention, the working gas in laser beam cutting is laminar Gas flow on the surface of the material to be processed. This can on the one hand Mixing of the working gas with the ambient air can be reduced, so that both Working gas and entrained products can be recovered. On the other hand a larger area can be processed with an optically deflected laser beam. The Laminar flow also stabilizes the pressure and flow conditions on the surface thinner materials.

Vorteilhaft ist es, bei dünnen Materialien den Gasstrom auf beiden Seiten zu erzeugen und ihn an der dem Laser abgewandten Seite so zu beeinflussen, daß die Druckdifferenz an den Materialflächen minimiert wird bzw. ausreicht, das Material auf eine geeignet gestaltete Auflage zu ziehen.It is advantageous to generate the gas flow on both sides with thin materials and at the to influence the side facing away from the laser so that the pressure difference on the material surfaces is minimized or sufficient to pull the material onto a suitably designed support.

Eine sehr einfache Vorrichtung zur Umsetzung des Verfahrens ergibt sich aus der parallelen oder im flachen Winkel zur Materialoberfläche ausgerichteten, sehr dicht an der Oberfläche gelegenen Anordnung einer oder mehrerer Anströmdüsen (1) und einer oder mehrerer Absaugdüsen (2) auf der dem Laser zugewandten Seite des Materials jeweils an den gegenüberliegenden Begrenzungslinien des Laser-Arbeitsbereiches. Diese Anordnung ermöglicht die Erzeugung einer flachen, laminaren Gasströmung an der Materialoberfläche.A very simple device for implementing the method results from the arrangement of one or more inflow nozzles ( 1 ) and one or more suction nozzles ( 2 ) on the side of the laser facing the laser, very close to the surface, parallel or at a flat angle to the material surface Material at the opposite boundary lines of the laser work area. This arrangement enables a flat, laminar gas flow to be generated on the material surface.

Eine erste Verbesserung der Vorrichtung entsteht, wenn der Gasstrom zusätzlich an den offenen Seiten des Arbeitsbereiches durch Gasleitflächen (3) begrenzt wird, so daß die Gasströmung in den Randbereichen des Arbeitsbereiches stabilisiert wird.A first improvement of the device arises if the gas flow is additionally limited on the open sides of the working area by gas guiding surfaces ( 3 ), so that the gas flow is stabilized in the peripheral areas of the working area.

Eine Vorrichtung zur Gasführung, die vorzugsweise beim Schneiden sehr dünner Materialien eingesetzt wird, ergibt sich, wenn in gleicher Weise wie auf der dem Laser zugewandten Seite Anströmdüsen (1) und Absaugdüsen (2) sowie bedarfsweise Gasleitflächen (3) auf der dem Laser abgewandten Seite des Materials angeordnet werden.A device for gas guidance, which is preferably used when cutting very thin materials, is obtained if, in the same way as on the side facing the laser, inflow nozzles ( 1 ) and suction nozzles ( 2 ) and, if necessary, gas guiding surfaces ( 3 ) on the side facing away from the laser of the material can be arranged.

Eine Verbesserung der Anordnung mit beidseitig vom Material angeordneten Anströmdüsen (1) und Absaugdüsen (2) ergibt sich, wenn auf der dem Laser abgewandte Seite zusätzlich zu den Düsen (1) und (2) und den bedarfsweise vorhandenen Gasleitflächen (3) ein Abdeckblech (4) den Gasstrom begrenzt, so daß sich in Verbindung mit dem zu bearbeitenden Material (M) ein Gaskanal ergibt. Wird der Querschnitt des sich ergebenen Gaskanales von der Einströmseite (1) zur Abströmseite (2) verringert, wird durch die entsprechende Gasbeschleunigung ein zusätzlicher Unterdruck an der Materialseite aufgebaut, der die Materiallage stabilisieren kann. Die Stabilisierung der Materiallage wird insbesondere bei großen Arbeitsflächen zusätzlich verbessert, indem in den Gasstrom auf der dem Laser abgewandten Seite weitere Gasleitflächen (5) angeordnet werden, auf denen sich das Material zusätzlich abstützen kann.An improvement in the arrangement with inflow nozzles ( 1 ) and suction nozzles ( 2 ) arranged on both sides of the material is obtained if, on the side facing away from the laser, in addition to the nozzles ( 1 ) and ( 2 ) and the gas guiding surfaces ( 3 ) that are required, 4 ) limits the gas flow, so that a gas channel results in connection with the material (M) to be processed. If the cross section of the resulting gas channel is reduced from the inflow side ( 1 ) to the outflow side ( 2 ), an additional vacuum is built up on the material side by the corresponding gas acceleration, which can stabilize the material layer. The stabilization of the material layer is additionally improved, in particular in the case of large work surfaces, by arranging further gas guide surfaces ( 5 ) on the side facing away from the laser, on which the material can be additionally supported.

Die vorliegende Erfindung wird anhand der Ausführungsbeispiele in den nachfolgenden Figuren näher erläutert.The present invention is illustrated by the exemplary embodiments in the following figures explained.

Fig. 1 zeigt die Darstellung einer einfachen Anordnung zur Erzeugung einer laminaren Gasströmung auf der Oberfläche eines mit einem Laser zu schneidenden Materials (M), bestehend aus den Anströmdüsen (1) und den Absaugdüsen (2) an den beiden Seiten des Laserarbeitsbereiches (A). Fig. 1, the illustration shows a simple arrangement for producing a laminar gas flow on the surface of a laser material to be cut (M), consisting of the flow nozzles (1) and the suction nozzles (2) on both sides of the laser operating range (A) .

Fig. 2 zeigt die Verbesserung der Gasführung einer Anordnung nach Fig. 1 durch zusätzliche Gasleitflächen (3) an den Seiten des Arbeitsbereiches, so daß die Gasströmung im Randbereich der Arbeitsfläche stabilisiert wird. Fig. 2 shows the improvement of the gas flow of an arrangement according to Fig. 1 by additional gas baffles ( 3 ) on the sides of the work area, so that the gas flow in the edge area of the work surface is stabilized.

Fig. 3 zeigt die Anordnung einer Gasführung auf beiden Seiten des zu bearbeitenden Materials (M), wobei auf der dem Laser zugewandten Seite die Anströmdüsen (1) und die Absaugdüsen (2) sowie die seitlichen Gasführungsflächen (3) gezeigt sind. Auf der dem Laser abgewandten Seite ist die Gasführung durch eine Abdeckung (4) abgeschlossen, so daß sich mit der Materialoberfläche (M) ein geschlossenen Gaskanal ergibt. Dargestellt ist auch eine mögliche Gestaltung der Abdeckung, die den Gasstrahl im Gaskanal beschleunigt und so das Material M anzieht. Fig. 3 shows the arrangement of a gas guide on both sides of the material to be processed (M), the inflow nozzles ( 1 ) and the suction nozzles ( 2 ) and the lateral gas guide surfaces ( 3 ) are shown on the side facing the laser. On the side facing away from the laser, the gas flow is closed off by a cover ( 4 ), so that a closed gas channel results with the material surface (M). A possible design of the cover is also shown, which accelerates the gas jet in the gas channel and thus attracts the material M.

Fig. 4 zeigt eine Erweiterung der Anordnung nach Fig. 3 in einer Ansicht auf die mögliche Ausbildung der Anströmdüsen (1). Insbesondere durch die Erweiterung der Gasleitflächen (5) kann das zu schneidende Material noch besser geführt werden. FIG. 4 shows an extension of the arrangement according to FIG. 3 in a view of the possible design of the inflow nozzles ( 1 ). The material to be cut can be guided even better, in particular by expanding the gas guide surfaces ( 5 ).

Claims

1. A method for gas guidance during laser beam cutting, preferably large-area, thin materials, characterized in that the working gas is generated and guided as a laminar gas flow on the surface of the material to be cut.

2. The method according to claim 1, characterized in that the working gas on both sides of the material to be processed is generated and guided as a laminar gas flow.

3. Device for implementing the method according to claim 1, characterized in that on the laser-facing side of the material to be processed (M) aligned parallel or at a flat angle to the surface and at a very short distance from the surface one or more inflow nozzles ( 1 ) on one side of the work area (A) and one or more suction nozzles ( 2 ) on the opposite side of the work area (A).

4. The device according to claim 3, characterized in that gas guide surfaces ( 3 ) between the inflow nozzles ( 1 ) and suction nozzles ( 2 ) lying open sides of the work area (A).

5. Apparatus for implementing the method according to claim 2, characterized in that a device according to claim 3 or 4 is arranged on both sides of the material (M).

6. The device according to claim 5, characterized in that the gas duct facing away from the laser is closed by a cover plate ( 4 ), so that gas guide surfaces ( 3 ), cover plate ( 4 ) and material (M) form a gas channel, the design of the Distance between cover plate ( 4 ) and material (M) the pressure and flow conditions on the material surface can be influenced.

7. The device according to claim 7, characterized in that on the side of the material facing away from the laser in the gas guide parallel to the gas guide surfaces ( 3 ) additional gas guide surfaces ( 5 ) are arranged such that the gas guide surfaces ( 3 ) and ( 5 ) with the inflow nozzles ( 1 ) and the suction nozzles ( 2 ) form a support plane for the material to be processed (M).