DE3114979C2

DE3114979C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Formschneiden von Werkstücken mit einem polarisierten Laserstrahl

Info

Publication number: DE3114979C2
Application number: DE3114979A
Authority: DE
Inventors: Peter Heine; Walter Dr. 6457 Maintal Scheuermann
Original assignee: Messer Griesheim GmbH
Current assignee: Scheuermann Walter Dr 4300 Essen De
Priority date: 1981-04-14
Filing date: 1981-04-14
Publication date: 1983-04-28
Also published as: DE3114979A1

Description

50

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Formschneiden von Werkstücken mit einem, in verschiedenen Koordinatenrichtungen über ein Werkstück bewegbaren polarisierten Laserstrahl, insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Formschneiden von Metallen.

Beim Schneiden von Metallen mit einem über ein Werkstück in zwei Koordinatenrichtungen bewegten Laserstrahl, der linear polarisiert ist, hat sich gezeigt, &ο daß Schneidgeschwindigkeit und Schneidqualität in den beiden verschiedenen Koordinatenrichtungen χ und y unterschiedlich sind. Es wird in diesem Zusammenhang auf DVS-Berichte Band 63, Seite 197-200 »Cutting with polarized laserbeams« verwiesen. Aus Seite 199, _b5 insbesondere F i g. 6 ergibt sich, daß bessere Schneidergebnisse dann erreicht werden, wenn keine Winkeldifferenz zwischen Polarisationsebene und Schneidrichtung vorliegt Bei einer Winkeldifferenz, d. h. die Polarisationsebene liegt unter einem bestimmten Winkel zur Schneidrichtung, sinkt die mögliche Schnittgeschwindigkeit ab und ferner wird die Schnittqualität verringert, da einerseits die Rauhtiefe der Schnittfläche zunimmt und ferner die Schnittfläche nicht mehr im angestrebten rechten Winkel zur Werkstückoberfläche steht Aus diesem Grund können Formschnitte nicht mit der optimalen Schneidgeschwindigkeit (keine Winkeldifferenz zwischen Polarisationsebene und Schneidrichtung) vorgenommen werden. Vielmehr ist es erforderlich, die Schneidgeschwindigkeit auf einen Wert einzustellen, der etwa in der Größenordnung von 50% der genannten optimalen Schneidgeschwindigkeit liegt, damit akzeptable Schnittqualitäten erreicht werden.

Weiterhin ist aus der DE-OS 26 02 330 bekannt, Tiefdruckformflächen mit Laserstrahlen zu gravieren, deren Polarisationsgrad fortlaufend steuerbar ist Dies geschieht durch die Verwendung eines elektrooptischen Modulators.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Laserstrahlschneiden zu schaffen, mit dem auch in beliebigen Koordinatenrichfungen verlaufende Formschnitte mit hohen Geschwindigkeiten, guter Schnittqualität und insbesondere rechtwinkliger Schnittkante erreichbar sind.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, daß das Werkstück mit einem elliptisch polarisierten Laserstrahl geschnitten wird.

Es hat sich gezeigt, daß mit dem vorgeschlagenen elliptisch polarisierten Laserstrahl Formschnitte herstellbar sind, deren Schnittqualität unabhängig von der Koordinatenrichtung, in welcher der Schnitt ausgeführt ist, eine gleichbleibend geringe Rauhtiefe aufweisen, darüber hinaus über die gesamte Außenkontur gesehen eine Schnittfläche erreicht wird, die im rechten Winkel zur Werkstückoberfläche liegt und ferner diese Schnittqualitäten bei Schneidgeschwindigkeiten erreicht werden, die im Bereich der Schneidgeschwindigkeit liegt, die mit einem linear polarisierten Laserstrahl nur im optimalen Fall (keine Winkeldifferenz zwischen Polarisationsebene und Schnittrichtung) erreich* werden können.

Bei einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einem Laser, in dessen Strahlengang ein Polarisator vorgesehen ist, wird eine besonders einfache Bauweise dadurch erreicht, daß der Polarisator unmittelbar der Auskoppelplatte des Lasers zugeordnet ist.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung enthält der Polarisator drei im Strahlengang des Laserstrahles hintereinanderliegende Reflexionsspiegel aus Metall, wobei die Reflexionsfläche des ersten und dritten Reflexionsspiegels unter einem Ein/Ausfallswinkel von 60° und die Reflexionsfläche des zweiten Reflexionsspiegels unter einem Ein/Ausfallswinkel von 30° angeordnet sind.

Bei einer anderen Ausführungsform der Vorrichtung weist der Polarisator vier im Strahlengang des Laserstrahles hintereinanderliegende Reflexionsspiegel aus Metall auf, deren Reflexionsflächen unter einem Ein/Ausfallswinkel von 45° zum Laserstrahl angeordnet sind.

Ein besonders günstiger Wirkungsgrad ergibt sich, wenn die Reflexionsspiegel mit einer reflexionsverstärkenden Beschichtung versehen sind.

Besonders günstig hat sich eine Beschichtung erwiesen, die aus abwechselnd übereinanderlieeenden

Einzelschichten aus Thoriumfluorid (ThF₄) und Zinksulfid (ZnS) besteht

Eine Anpassung an die Außenkontur des auszuschnei · denden Fonnwerkstückes wird vorteilhaft durch einen, während des Schneidens verdrehbareii Polarisator erreicht, der Metallspiegel aufweist, die mit dielektrischen Schutzschichten versehen sind.

In den Zeichnungen veranschaulicht

F i g. 1 eine schematische Darstellung einer Laserschneidvorrichtung mit einem Laserstrahlpolarisator;

F i g. 2, 3 und 4 verschiedene SpiegelariGrdnungen im Polarisator;

F i g. 5 ein Koordinatensystem mit Werkstück.

In F i g. 1 ist eine Vorrichtung zum Bearbeiten von Werkstücken in ihrer Gesamtheit mit 10 bezeichnet Die Vorrichtung 10 weist eine an sich bekannte Führungsmaschine 11 auf, die zwei in Doppelpfeilrichtung 12 bewegbare Längslaufwagen 13,14 enthält, die ihrerseits eine Querlaufbahn 15 tragen. An der Querlaufbahn 15 ist ein an sich bekannter CO₂-Laser 16 in Do^pelpfeilrichtung 12a verschiebbar befestigt Wie aus Fig. ί zu ersehen ist, ist dem Laser 16 ein Polarisator 17 sowie ein Schneidkopf 18 zugeordnet.

Das zu bearbeitende Werkstück ist mit 19 bezeichnet. Zum Formschneiden, das heißt zum Ausschneiden von Teilen beliebiger Form aus dem Werkstück 19 wird der aus dem Schneidkopf 18 austretende Laserstrahl 20 über das Werkstück 19 bewegt, wozu der Laser 16 einschließlich des daran befestigten Polarisators 17 und des Schneidkopfes 18 in Doppelpfeilrichtung 12a und die Führungsmaschine 11 in Doppelpfeilrichtung 12 entsprechend den Signalen einer nicht näher dargestellten fotoelektrischen bzw. numerischen Steuerung bewegt wird.

Im Polarisator 17 ist zur Erzielung eines elliptisch polarisierten Laserstrahles 20 mindestens ein Metallspiegel 21 vorgesehen, der so angeordnet ist, daß die Polarisationsebene 22 mit der Reflexionsebene 42 einen Winkel 23 einschließt, wobei der Winkel 23 in Bereich größer 0° und kleiner 90° vorzugsweise 45° liegt (F ig· 3).

Der Polarisator 17 ist bevorzugt unmittelbar der Auskoppelplatte 24 des CO₂-Lasers 16 zugeordnet und somit zwischen Auskoppelplatte 24 und Umlenkspiegel 25, der im Schneidkopf 18 vorgesehen ist, angeordnet.

Wie aus F i g. 1 und 2 hervorgeht, weist der Polarisator 17 drei im Strahlengang des Laserstrahles 20 hintereinanderliegende Reflexionsspiegel 21, 26,27 auf. Dabei sind die Reflexionsflächen 28 des ersten Spiegels 21 und 31 des dritten Spiegels 27 unter einem Ein/Ausfallswinkel 32 von 60° und die Reflexionsfläche 29 des Spiegels 26 unter einem Ein/Ausfallswinkel 33 von 30° angeordnet. Wie F i g. 1 ferner zeigt, sind dabei die drei Spiegel so angeordnet, daß die Polarisationsebene 22 mit der Reflexionsebene 42 einen Winkel 23 in der Größenordnung von 45° einschließt, so daß in der in F i g. 1 dargestellten Draufsicht die Reflexionsflächen 28,29,31 der Spiegel 21,26,27 als elliptische Flächen zu sehen sind. Die Größe des Winkels kann fest vorgegeben sein. In diesem Falle ist der Polarisator 17 entsprechend mechanisch fest gegenüber dem Laser 16 und dem Schneidkopf 18 fixiert In vorteilhafter Weiterbildung wird vorgeschlagen, den Polarisator um die Polarisationsebene 22 zur kontinuierlichen Veränderung des Drehwinkels 23 vor und/oder während des Schneidens mittels einer entsprechenden Verstelleinrichtung kontinuierlich zu verändern, wobei die Veränderung durch ein aus der fotoehktrischen oder

ίο numerischen Steuerung zum Führen des Laserstrahles 20 über dem Werkstück 19, also in Abhängigkeit von dem Verlauf der Außenkontur des auszuschneidenden Formwerkstückes abgeleitet wird. Dabei wird der Winkel 23 bevorzugt stets so verändert/verstellt daß

'5 der Winkel 23 den halben Wert des Schnittwinkels 30 aufweist Dabei ist der Schnittwinkel 30 derjenige, der durch eine, an einen beliebigen Schnittpunkt 34 der Außenkontur 35 angelegte Tangente 36 und der X-Achse gebildet wird (F i g. 5). Die Verstellung des Winkels 23 erfolgt entweder durch Drehung des Polarisators 17 um die Polarisationsebene 22 um 360° oder durch eine Schwenkbewegung des Polarisators 17 um die Polarisationsebene 22 im Bereich von 0°_45°-0°.

-⁵ In Fig.4 ist ein anderes Ausführungsbeispiel für einen Polarisator 17 veranschaulicht. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind vier im Strahlengang des Laserstrahles 20 hintereinanderliegende Reflexionsspiegel 37—40 vorgesehen. Die Reflexionsflächen 41,43,44, 45 dieser Spiegel sind jeweils unter einem Ein/Ausfallswinkel 46 von 45° zum Laserstrahl angeordnet.

Die Metallspiegel 21, 26, 27 bzw. 37-40 sind bei fester Anordnung der Spiegel in Bezug zur Polarisationsebene 22 mit einer reflektionsverstärkenden

^j5 Beschichtung versehen, die vorzugsweise aus abwechselnd übereinanderliegenden Einzelschichten aus Thoriumfluorid und Zinksulfid besteht.

Mit der in der Zeichnung dargestellten Vorrichtung wird mit Hilfe des Polarisator 17 eine aus einem Laser 16 beliebiger Bauart/Leistung austretende linear polarisierte Laserstrahlung insbesondere eine linearpolarisierte Laserstrahlung mit einer größeren Leistung (größer 300 Watt) umgeformt, so daß das Werkstück 19 von einem Laserstrahl 20 beaufschlagt wird, der elliptisch polarisiert ist. Wie eingangs ausgeführt, können mit diesem elliptisch polarisierten Laserstrahl großer Leistung nunmehr Formschnitte ausgeführt werden, bei einer Geschwindigkeit die etwa so groß ist, wie die mit einem linear polarisierten Laserstrahl erreichbare Schnittgeschwindigkeit in der Vorzugsrichtung, wobei zusätzlich zu der hohen Geschwindigkeit rechtwinklige Schnittflächen und geringere Schniltrauhigkeiten, also eine erhöhte Schnittqualität in allen Koordinatenrichtungen erreicht wird. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Laser 16 als gefalteter CO2-Laser ausgebildet. Es ist jedoch selbstverständlich auch möglich, den Polarisator 17 in Verbindung mit anderen, linearpolarisierte Strahlung emittierenden Lasern vorteilhaft einzusetzen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Formschneiden von Werkstükken mit einem in verschiedenen Koordinatenrichtungen über das Werkstück bewegbaren polarisierten Laserstrahl, insbesondere zum Formschneiden von Metallen, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück (19) mit einem elliptisch polarisierten Laserstrahl (20) geschnitten wird. ι ο

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem Laser, in dessen Strahlengang ein Polarisator vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Polarisator (17) unmittelbar der Auskoppelplatte (24) des Lasers (16) zugeordnet ist

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Polarisator (17) drei im Strahlengang des Laserstrahles (20) hintereinanderliegende Reflexionsspiegel aus Metall (21, 26, 27) enthält, wobei die Reflexionsfläche (28, 31) des ersten und dritten Reflexionsspiegels (21 bzw. 27) unter einem Ein/Ausfallswinkel (32) von 60° und die Reflexionsfläche (29) des zweiten Reflexionsspiegels (26) unter einem Ein/Ausfallswinkel (33) von 30° angeordnet ₂j sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Polarisator (17) vier im Strahlengang des Laserstrahles (20) hintereinanderliegende Reflexionsspiegel aus Metall (37-40) aufweist, deren Reflexionsflächen (41, 43, 45) unter einem Ein/Ausfallswinkel (46) von 45° zum Laserstrahl (20) angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionsspiegel (21, 26—27, 37—40) mit einer reflexionsverstärkenden Beschichtung versehen sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung aus abwechselnd übereinanderliegenden Einzelschichten aus Thoriumfluorid (ThF₄) und Zinksulfid (ZnS) besteht.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein während des Schneidens verdrehbarer Polarisator (17) Metallspiegel (21, 26, 27 bzw. 37-40) aufweist, die vorzugsweise mit dielektrischen Schutzschichten versehen sind.