DE2949953C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Herstellung von Mikroperformationen in der Oberfläche von Walzen mittels intermittierender Laserstrahlbündel gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bezeichneten Art. Gleichfalls bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung von Mikroperforationen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 5.

Nach der DE-OS 22 14 884 ist eine derartige Vorrichtung bekannt, um ein Muster oder eine Schablone durch lokalisiertes Schmelzbrennen bei einer auf einer Trommel gespannten Platte mittels der Laserstrahlung zu erzeugen. Der Laserstrahl wird zu diesem Zweck mittels einer drehbaren Teilerscheibe, die periphere Schlitze aufweist, unterbrochen, um im Anschluß hieran auf die Oberfläche der Platte auf der sich drehenden Trommel fokussiert zu werden. Das auf die Teilerscheibenfläche zwischen zwei Schlitze fallende Laserlicht wird auf eine Asbestplatte reflektiert und dort absorbiert. Es gelangt also nur ein Bruchteil der emittierten Laserstrahlung zur Fokussierung auf den Umfang der Trommel, von deren Durchmesser es abhängt, in welchem Ausmaß auf ihrer Oberfläche Ovalisierungen bzw. örtliche Intensitätsänderungen auftreten.

Bei einem Laserwerkzeug zum Schneiden von Platten ist es nach der US-PS 36 04 890 bekannt, zwei Laserstrahlen aus unterschiedlichen Richtungen auf den Arbeitsbereich der Platte zu fokussieren, so daß eine Vorerhitzungszone und eine kleine Schmelzstelle gebildet werden, um den Schnitt auszuführen. Zur Bildung der beiden Laserstrahlen wird ein Teilstrahl des Laserausgangsstrahls ausgeblendet, woraufhin jeder der beiden Strahler in einem Bearbeitungskopf ausgerichtet wird. Rotierende Teilerscheiben werden gleichfalls nach der US-PS 41 18 619 verwendet, um einen kontinuierlichen Laserstrahl in Impulsserien zwecks Perforation eines beweglichen Materials umzuwandeln. Schließlich lehrt die US-PS 40 31 351 das Schneiden von Werkstoffen mittels Laserstrahlen und einem mit Überschallgeschwindigkeit zugeführten Gas, so daß eine Vorderlinse des Lasers vor zu starker Erhitzung geschützt werden kann. Hierdurch kann man vor allen Dingen die Schneidgeschwindigkeit steigern.

Vom einleitend erörterten Stand der Technik ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabenstellung zugrunde, Mikroperforationen auf eine einfachere, schnellere und bequeme Art und Weise zu erzeugen. Die Mikroperforation soll bei Walzen oberflächlich erzeugt werden, damit diese für die Herstellung von Feinblechen geeignet sind, deren Oberfläche sie eine Beschaffenheit verleihen sollen, durch welche ihre Tiefziehfähigkeit verbessert wird.

In der erfindungsgemäßen Weise wird eine äußerst gleichmäßige Aufrauhung der Walzenoberfläche, die zu bearbeiten ist, erzielt. Die Laserstrahlung wird durch den Hilfsspiegel vollständig genutzt, um die Strahlungsenergie in Wärme umzusetzen, mittels der die örtlichen Anschmelzungen erzeugt werden, die in ihrer Gesamtheit die Oberflächenrauhigkeit der Walzen darstellen. Dies hat nicht nur wärmetechnische Vorteile, sonder erlaubt auch die Herabsetzung der Aufheizung der Gesamtvorrichtung, da keine Laserstrahlung durch Hitzeabsorption im Bereich der Vorrichtung umzusetzen ist. Vermieden wird dies durch den zur Teilerscheibe parallelen Hilfsspiegel, der sehr unterschiedliche Beschaffenheit aufweisen kann. Wesentlich ist nur, daß der Hilfsspiegel einerseits und die Öffnungen in der Teilerscheibe gemeinsam die unverändert bleibende Laserstrahlung weiterleiten.

Die Teilerscheibe gestattet eine vorteilhafte Synchronisation mit der Bewegung der zu bearbeitennden Walze auf mechanischem Wege.

Die vorgesehenen Markierungsköpfe können beide auf einen einzigen Walzenkörper ausgerichtet werden, jedoch auch jeweils einem Walzenkörper zugeordnet sein. Zur Gewährleistung einer vorgesehenen geometrischen Verteilung der Mikroperforation bestehen die Mittel aus einer Vorrichtung zum Drehen der Walzen um ihre Längsachse sowie einer Einrichtung zur Längsbewegung der Walzenkörper parallel zu ihrer Längsachse. Dabei läßt sich die Synchronisation zwischen den Mitteln zur Längsbewegung der Walzen bzw. des Markierungskopfs sowie zwischen der Einrichtung zum Drehen der Walze vornehmen. Weiterhin sind die Einrichtungen zum Drehen der Teilerscheibe und der zu bearbeitenden Walzen bezüglich einander synchronisiert.

Die Synchronisierungselemente können aus einem für beide Einrichtungen gemeinsamen Motor mit entsprechenden schlupffreien Transmissionen bestehen, wie beispielsweise Leitspindeln oder Zahnritzeln.

Das erfindungsgemäße Verfahren besteht bei Anwendung der vorgeschlagenen Vorrichtung darin, daß ein an einer Reflektionsfläche reflektierter, zweiter intermittierende Laserstrahl auf einen zur Teilerscheibe parallelen Hilfsspiegel gerichtet auf, von dem dieses durch die in Drehrichtung der Teilerscheibe dieser Reflektionsfläche benachbarte Öffnung geleitet wird, um nachfolgend auf die Oberfläche der Walze fokussiert zu werden. Man kann dieses Verfahren so ausführen, daß beide intermittierende Laserstrahlenbündel auf die Oberfläche der gleichen Walze fokussiert werden, jedoch läßt sich das Verfahren auch so gestalten, daß man das zweite intermittierende Laserstrahlenbündel auf die Oberfläche einer zweiten Walze bündelt.

Abgesehen von den jeweils gegebenen Möglichkeiten zur Ausbildung und Fertigbearbeitung von Öffnungen, kann das vom Teiler ausgesandte Laserstrahlenbündel so fokussiert werden, daß es eine Vorwärmung der jeweiligen Prägezone bzw. eine Abschreckung der nicht direkt vom konzentrierten Bündel beaufschlagten Zonen bewirkt. Diese Erscheinung stellt sich außerdem automatisch in der Zone unterhalb der in der Walzenoberfläche ausgebildeten Öffnung ein: diese Zone wird durch das die Lochung bewirkende Bündel thermisch beeinflußt und erfährt anschließend eine sehr intensive Abschreckung, wodurch ihr eine größere Härte als in den Nichteinflußzonen, und diese selbst bei einem vorher nicht vergüteten Walzenkörper, verliehen wird.

In einer weiteren Ausführungsform ist die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, daß der Markierungskopf aus zwei Teilen besteht, wobei der eine Teil als eine Ablenkvorrichtung zur Weiterleitung des Laserstrahlenbündels auf die zu bearbeitende Walze umfassendes Trägerelement ausgebildet ist und der den eigentlichen Markierungskopf bildende andere Teil die Konzentrationslinse und gegebenenfalls Blasdüse beinhaltet; daß das Trägerelement fest mit einer Vorrichtung zur Bewegung parallel zur Walzenlängsachse verbunden ist; daß der Markierungskopf als solcher so mit seinem Träger gekoppelt ist, daß der Kopf nur senkrecht zur Walzenoberfläche bewegt werden kann; und daß der Markierungskopf weiterhin mit einer auf der Oberfläche dieser Walze abrollenden Losrolle versehen ist.

Was die Konzentrationslinse anbetrifft, so läßt sich im Konzentrationspunkt einer Linse mit 60 mm Brennweite ein Bündeldurchmesser von 60 µm erzielen.

Die Brennweite der Linse bestimmt nicht nur den Bündeldurchmesser im Konzentrationspunkt, sondern auch die Feldtiefe, wobei die letztere sich mit abnehmender Brennweite verringert.

Die Anordnung einer auf der zu behandelnden Walzenoberfläche abrollenden Losrolle ermöglicht die Ausbildung von Perforationen in Walzen unterschiedlichen Durchmessers sowie in Walzen, deren Balligkeit größer ist als die Feldtiefe der Linse.

Die Spiegel, die als Ablenkvorrichtung zur Führung des Laserstrahlenbündels von der Strahlungsquelle bis zu der zu perforierenden Walzenoberfläche dienen, können beispielsweise aus poliertem Aluminium oder mit Goldbeschichtung hergestellt sein.

Zum Schutze dieser Spiegel vor Staub können sie in einem geschlossenen Raum bzw. einem Gehäuse mit Strahlungs-, Eingangs- und Ausgangsöffnungen angeordnet werden. Im Innern dieses Gehäuses erfolgt eine Beschickung mit sauberer Luft zur Erzeugung eines leichten Überdruckes, welcher dem Eindringen von Staubteilchen in diesen Innenraum entgegenwirkt.

Der Mechanismus zur Längsbewegung parallel zur Walzenlängsachse kann ein Gleitstrahl-, Rollen-, Luftkissen- oder sonstiges System vergleichbarer Art sein.

Die Walzendrehung wird vorzugsweise unter Anordnung der Walze auf Tragsegmenten, zwischen Spitzen usw. vorgenommen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist mit Synchronisierungselementen ausgestattet für die beiden vorgenannten Mechanismen, nämlich:

• - den Mechanismus zur Längsbewegung der Walze bzw. des Markierungskopfes einerseits und zur Walzendrehbewegung andererseits, und
• - den Mechanismus zur Drehbewegung der Teilerscheibe einer- und des Walzenkörpers andererseits.

Außerdem werden Bewegungsrichtung, Drehsinn und Drehgeschwindigkeit der Walze bestimmt, um die Synchronisation mit dem Drehmechanismus für die Laserbündel-Teilerscheibe zu ermöglichen.

Die Synchronisation dieser beiden Mechanismen kann über die einzelnen Motoren und Getriebe eines jeden Mechanismus erfolgen oder aber wahlweise und genauer dadurch bewirkt werden, daß die Synchronisierungselemente zweckmäßigerweise aus einen den beiden Mechanismen gemeinsamen Motor sowie entsprechenden schlupffreien Transmissionen wie beispielsweise Drehbankschlössern, Zahnritzeln usw. bestehen.

In einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens hat die abgegebene Strahlung eine Wellenlänge von etwa 10 µm (fernes Infrarot).

Nach einer zweiten Ausgestaltung liegt in solchen Fällen, wo die eingesetzte Strahlung Walzenwerkstoff zerstören soll, die Leistung zwischen 500 und 3000 W.

Schließlich beträgt in den Fällen, wo die eingesetzte Strahlung eine vorher auf die Walze aufgebrachte Beschichtung abtragen soll, die erforderliche Leistung zwischen 10 und 50 W.

Es kann zweckmäßig sein, die Löcher in variablen Abmessungen je nach Lage der jeweiligen Öffnung in der Walzenoberfläche ausbilden zu können. Zu diesem Zweck wird eine Veränderung der in den Laser eingebrachten elektrischen Leistung bewirkt, wobei eine Leistungserhöhung zu größeren Abmessungen führt. Insbesondere erfolgt eine Variierung der Größe der in der Walzenoberfläche ausgebildeten Löcher nach einer vorgegebenen Verteilung, indem die in den Laser eingebrachte elektrische Energie um einen vorgegebenen Mittelwert herum verändert wird.

Nach einer Ausführung der Erfindung erfolgt die Umwandlung der kontinuierlichen Strahlung in zwei intermittierende Strahlungen, deren eine für die eigentliche Gravierungsarbeit in der zu bearbeitenden Walze und deren andere für den einen oder anderen der folgenden Zwecke eingesetzt wird: Beginn der Perforierung, Gravur der gleichen Walze, Gravur einer zweiten Walze, Vorwärmung oder Vergütung des zu bearbeitenden Walzenkörpers, Absorption in einer entsprechenden Umgebung.

Auch wird jeweils eine relative Standphase zwischen dem Punkt der Walze, an dem die Ausbildung eines Lochs erfolgen soll, und dem Strahlenauftreffpunkt auf die Walze durch Synchronisation der Drehbewegungen von Walze und Teiler (Richtung, Drehsinn und Geschwindigkeit) sichergestellt.

Eine derartige Synchronisation setzt voraus:

• - daß die Bewegung des Walzenpunktes, an dem eine Öffnung hergestellt wird, und die Bewegung des Teilers von der Walze gesehen über die Konzentrationslinse und die zwischengeschalteten Ablenkvorrichtungen die gleiche Richtung haben;
• - daß die Richtung dieser Bewegungen in Abhängigkeit von den Eigenschaften der Konzentrationslinse und der Lage ihres Brennpunktes zur zu bearbeitenden Oberfläche gewählt wird; und
• - daß die linearen Geschwindigkeiten v₁ des Teilers und v₂ der Walze absolute Werte entsprechend der Formel sind, wobei:
  d₁= der Durchmesser des Strahlenbündels am Teilerausgang und
  d₂= der Durchmesser der gebündelten Strahlung in der Walzenebene.

Jede Ungenauigkeit in dieser Relation findet ihren Niederschlag in einer Ovalisierung der in der Walze oder im Schutzbelag ausgebildeten Öffnungen.

Ebenfalls wird die Abtastung der gesamten Walzenoberfläche auf einer regelmäßigen schraubenförmigen Bahn um die Längsachse dieser Walze herum dadurch sichergestellt, daß die Längsbewegung des Markierungskopfes bzw. der Walze und die Walzendrehbewegung synchronisiert werden.

Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung wird die Verteilung einer jeden entsprechenden Gruppe von Löchern in Form eines regelmäßigen Sechsecks bewirkt.

Eine solche Verteilung in Form eines regelmäßigen Sechsecks wird erzielt durch Synchronisation der Drehbewegungen von Teiler und Walze in der Weise, daß eine Walzenumdrehung genau dem Durchgang von n+½ Reflexionsflächen oder Hohlstellen entspricht, wobei die Steigung der Spirale dem Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Löchern angepaßt ist.

Die drei beigefügten Figuren zeigen lediglich als Beispiel ohne einschränkende Bedeutung zwei verschiedene Anwendungen der Erfindung, wobei:

Fig. 1 für die gleichzeitige Bearbeitung von zwei Walzen gilt; und

Fig. 2 und 3 die Bearbeitung einer einzelnen Walze unter Einsatz des zweiten Strahlenbündels zum Zwecke der Vorwärmung vor der Perforierung.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich tritt die dunkel gezeichnete Strahlung senkrecht aus dem Laserstrahler 1 aus, um anschließend durch den Spiegel 2 in die Horizontale umgelenkt und in den Teiler 3 eingeleitet zu werden, der eine Scheibe 4 mit einer Reihe von an ihrem Umfang angeordneten und durch Löcher voneinander getrennten Reflexionsflächen aufweist. Die Scheibe 4 ist schräg zu dem von ihr geschnittenen Strahlenbündel angeordnet und dreht mit hoher Geschwindigkeit. Durch diese Scheibe 4 wird das Strahlenbündel in zwei Teile zerlegt, wovon der eine Teil 5 durch die Öffnung hindurch geradlinig weiterverläuft und der andere Teil 6 umgelenkt wird.

Mittels der Spiegel 7 und 8 wird das Bündel parallel zur Längsachse der Walze 10 ausgerichtet, während der Spiegel 9 zur Ausrichtung des Strahlenbündels 6 parallel zur Längsachse der Walze 11 dient. Die Walzen 10 und 11 sind zwischen Spitze 12 gelagert und drehen um ihre Längsachse.

Die Vorrichtung umfaßt weiterhin zwei Markierungsköpfe 13 und 14 in zweiteiliger Ausführung, wobei der eine Teil einen Träger 15 mit einem Spiegel 16 zur Weiterleitung des Laserstrahlenbündels auf die zu bearbeitende Walze (10 bzw. 11) und der andere Teil 17 den eigentlichen Markierungskopf mit Konzentrationslinse 18 und Blasdüse 19 bildet. Der Träger 15 bewegt sich parallel zur Längsachse der zu bearbeitenden Walze. Der eigentliche Markierungskopf 17 ist über eine Verbindung 20 an seinem Träger befestigt, die eine Bewegung des Kopfes ausschließlich senkrecht zur Walzenoberfläche gestattet. Außerdem ist der eigentliche Markierungskopf mit einer Losrolle 21 versehen, welche auf der zu bearbeitenden Walzenoberfläche abrollt.

Die Bewegungen der beiden Markierungsköpfe (13, 14) sind mit der Drehung der jeweiligen Walze (10, 11) in der Drehmaschine 22, 23 über Drehbankschlösser 24, 25 synchronisiert. Ein gemeinsamer Motor 26 treibt die Scheibe 4 und die beiden Drehmaschinen 22 und 23 über schlupffreie Transmissionen 27, 28 und 29, um eine bessere Synchronisation der Bewegungsabläufe sicherzustellen.

Die Strahlungsbahnen sind durch feste Umhüllungen 30 bzw. durch Umhüllungen in teleskopischer Ausführung 31 geschützt.

Wie nunmehr aus Fig. 2 ersichtlich tritt das dunkel gezeichnete Strahlenbündel 32 senkrecht aus dem Laserstrahler 33 aus und geht in einen Teiler 34 mit einer Scheibe 35, die der Scheibe 4 gemäß Fig. 1 entspricht. Durch diese Scheibe 35 wird das Bündel 32 in zwei nahe beieinander liegende parallele Strahlenbündel 36 und 37 zerlegt, wie dies die Fig. 3 zeigt, in welcher der Teiler schematisch durch die Strichellinie 38, die den Wechsel von Öffnungen und Reflexionsflächen symbolisiert, dargestellt ist. Im Falle (a) geht die einfallende Strahlung 32 durch den Teiler und verläuft bei 36 ohne Ablenkung weiter; in der Ebene des Markierungskopfes wird dieses Bündel 36 zur Herstellung der Öffnungen in der zu bearbeitenden Walze benutzt. Im Falle (b) wird die einfallende Strahlung 32 aufeinanderfolgend durch eine Reflexionsfläche 38 der Scheibe 35 und sodann durch einen hierzu parallelen Hilfsspiegel 39 umgelenkt. Das umgelenkte Strahlenbündel passiert die Scheibe 35 durch diejenige Öffnung hindurch, die der zuvor berührten Reflexionsflächen benachbart ist, und verläuft bei 37 parallel zur einfallenden Strahlung 32 weiter. Dieses Bündel 37 wird in der Ebene des Markierungskopfes zur Durchführung einer Vorperforation herangezogen. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß auch eine andersartige Verwendung möglich ist, so beispielsweise zur Vorwärmung oder zur Weiterbearbeitung einer Vorperforation. Derartige Einsätze sind in der Tat möglich, weil die Öffnung, die das Bündel 37 passiert, durch die Synchronisation der Bewegungen von Teilerscheibe und zu bearbeitender Walze mit dem Punkt der Walze zusammenfällt, der in die Bündelungszone des nächsten Bündels 36 eintritt.

Nach erfolgtem Durchtritt durch die Scheibe 35 werden die Strahlenbündel 36 und 37 mit Hilfe des Spiegels 41 parallel zur Achse der Walze 40 ausgerichtet und auf den Markierungskopf 42 geführt. Der letztere umfaßt einen Spiegel, der die Bündel auf die Walze 40 richtet, eine Konzentrationslinse und eine Blasdüse wie bei den Köpfen 13 und 14 gemäß Fig. 1 eingesetzt.

Die Bewegung des Markierungskopfes 42 parallel zur Längsachse der Walze 40 ist mit der Drehung dieses Walzenkörpers 40 zwischen den Spitzen 43 der Drehmaschine 44 durch das Drehbankschloß 45 synchronisiert. Ein gemeinsamer Motor 46 treibt die Scheibe 35 und die Drehmaschine 44 über Transmissionen 47 und 48 wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1.

Claims (8)

1. Vorrichtung zur Herstellung von Mikroperforationen in der Oberfläche von Walzen mittels intermittierender Laserstrahlenbündel, die folgende Teile aufweist:
eine kontinuierlich arbeitende Laser-Lichtquelle,
eine drehbare Laserstrahlen-Teilerscheibe, an deren Umfang undurchsichtige, das Laserstrahlenbündel reflektierende und durch Öffnungen für das Hindurchlassen der Laserstrahlung voneinander getrennte Flächen vorgesehen sind,
Einrichtungen zum Drehen der Teilerscheibe um eine relativ zum Richtungsverlauf des kontinuierlichen Laserstrahlenbündels schräge Achse,
mindestens einen Markierungskopf für die Mikroperforationen der Walzenoberfläche, und
Einrichtungen zur geeigneten geometrischen Verteilung der jeweils in der Walzenoberfläche aufeinanderfolgenden Mikroperforationen,
gekennzeichnet durch, einen zur Teilerscheibe (4, 35) parallelen Hilfsspiegel (39), der das an einer der Reflexionsflächen (38) reflektierte Laserstrahlenbündel durch die in Drehrichtung der Teilerscheibe (4, 35) dieser Reflexionsfläche (38) benachbarte Öffnung auf die Eintrittsöffnung eines zweiten Markierungskopfes (13, 14) richtet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Gewährleistung einer vorgegebenen geometrischen Verteilung der Mikroperforationen der Oberfläche der Walzen in aufeinanderfolgender Anordnung aus einer Vorrichtung (22, 23) zum Drehen der Walzen (10, 11) um ihre Längsachsen sowie einer Einrichtung zur Längsbewegung des Walzenkörpers bzw. des Markierungskopfes parallel zur Längsachse der Walzen bestehen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Längsbewegung der Walzen (10 11) bzw. des Markierungskopfes sowie die Einrichtung zum Drehen der Walzen synchronisiert sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Drehen der Teilerscheibe (4, 35) und der zu bearbeitenden Walzen (10, 11) synchronisiert sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Synchronisierungselemente aus einem für beide Einrichtungen gemeinsamen Motor (46) und entsprechenden schlupffreien Transmissionen (27, 28, 29), wie beispielsweise Leitspindeln (24, 25) oder Zahnritzeln, bestehen.

6. Verfahren für die Herstellung von Mikroperforationen in der Oberfläche von Walzen mittels einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem aus einer kontinuierlichen Laserstrahlung zwei intermittierende Laserstrahlenbündel erzeugt werden, indem das kontinuierliche Laserstrahlenbündel mittels Teilerscheibe periodisch unterbrochen wird, und wobei mindestens eines der intermittierenden Laserstrahlenbündel auf die Oberfläche einer Walze fokussiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß das von der Teilerscheibe (4, 35) an einer der Reflexionsflächen (38) reflektierte zweite intermittierende Laserstrahlenbündel (6, 37) auf einen zur Teilerscheibe (4, 35) parallelen Hilfsspiegel (39) gerichtet wird, von dem dieses durch die in Drehrichtung der Teilerscheibe (4, 35) dieser Reflexionsfläche benachbarte Öffnung geleitet wird, um nachfolgend auf die Oberfläche der Walze fokussiert zu werden.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite intermittierende Laserstrahlenbündel (37) auf die Oberfläche der gleichen Walze wie das erste intermittierende Laserstrahlenbündel fokussiert wird.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite intermittierende Laserstrahlenbündel (6) auf die Oberfläche einer zweiten Walze gebündelt wird.