DE3801068A1 - Verfahren und vorrichtung zum abtragen mittels gebuendelter energiestrahlen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Abtragen mittels gebündelter Energiestrahlen, insbe­ sondere mittels Laser- oder Elektronenstrahlen, bei dem der Energiestrahl ggf. zusammen mit einem Gasstrahl unter einem einstellbaren Winkel auf das Werkstück gerichtet wird.

Verfahren und Vorrichtungen zur zwei- oder dreidimensiona­ len Schneidbearbeitung von Werkstücken durch gebündelte Energiestrahlen, insbesondere durch Laser- oder Elektro­ nenstrahlen, haben in den letzten Jahren an praktischer Bedeutung gewonnen, was auf die ständig zunehmenden Kennt­ nisse über die physikalischen Grundlagen der Strahlerzeu­ gung und der zu bearbeitenden Werkstücke sowie über die Handhabung der Energiestrahlen selbst zurückzuführen ist.

Aus der US-PS 46 25 093 ist beispielsweise ein Verfahren zum Herausschneiden von Werkstücksegmenten aus einem vol­ len Werkstück bekannt, bei welchem zwei Laserstrahlen un­ ter einem jeweils vorgegebenen Winkel so auf das Werkstück gerichtet werden, daß die durch eine lineare Relativbewe­ gung zwischen dem Werkstück und den beiden Laserstrahlen erzeugten Schnitte in ihrem Fuß zusammentreffen, woraufhin das auf diese Weise freigeschnittene riegelförmige Werk­ stücksegment herausgenommen werden kann. Auf entsprechende Weise sollen sich auch rotationssymmetrische Werkstücke bearbeiten lassen, indem ein Laserstrahl etwa radial und der zweite Laserstrahl axial zum rotierenden Werkstück ausgerichtet werden, wobei Ring- oder Schrauben-Segmente entstehen. Schwierigkeiten ergeben sich jedoch bei diesem Vorgehen dadurch, daß bei größeren Schnittiefen das im Fuß der Schnittlinie schmelzflüssig freigesetzte Werkstückma­ terial nicht vollständig aus dem Schnitt heraustranspor­ tiert werden kann, sondern in Form feinster Tröpfchen im Schneidspalt verbleibt und mit dem Erstarren Material­ brücken zwischen dem Werkstücksegment und dem Hauptteil des Werkstücks bildet. Dieses Phänomen tritt bei dem ge­ bräuchlichen Schneiden dünner Werkstücke nicht auf, da die maximale Schnittiefe des jeweiligen Energiestrahls größer als die Werkstückdicke ist und das verdampfte bzw. ver­ flüssigte Werkstückmaterial an der Werkstückunterseite "herausgeblasen" wird.

Eine ähnliche Vorgehensweise ist mit einer Laser-Schneid- Vorrichtung möglich, die in der DE-OS 35 03 401 beschrie­ ben ist und bei der ein Laserstrahl an Spiegeln mehrfach umgelenkt wird, so daß er unter einstellbaren Winkeln auf die Werkstückoberfläche auftrifft. Zu diesem Zweck sind die Spiegel an den Enden von gegeneinander verstellbaren Führungsrohren so angeordnet, daß bei einer Schwenkbewe­ gung zweier Führungsrohre gegeneinander der jeweilige Spiegel eine gesonderte Schwenkbewegung ausführt, deren Größe sich nach den Reflexionsgesetzen bestimmt. Mit einem derart geführten Laserstrahl können zwar in gewissen Gren­ zen Schrägschnitte und komplizierte Schnittlinien in einem Werkstück ausgeführt werden; das Herausschneiden ganzer Werkstücksegmente durch jeweils zwei in ihrem Fuß zusam­ mentreffende Schnittlinien führt jedoch zwangsläufig zu den oben erwähnten Schwierigkeiten der Brückenbildung durch unvollständig aus dem Schneidspalt herausgefördertes und wiederverfestigtes Werkstückmaterial.

Ferner ist es z. B. aus "Handbuch der Fertigungstechnik", Band 4/1 Abtragen, Beschichten/1987, S. 234 bekannt, beim Schneiden mit kontinuierlichen CO₂-Laserstrahlen einen Hilfsgasstrahl koaxial zum Laserstrahl einzusetzen, der die schmelzflüssigen Partikel aus der Schnittfuge heraus­ treiben soll. Bei oxidationsfähigen Werkstoffen kann die Schneidleistung beträchtlich vergrößert werden, wenn das Gas ein Oxidationsmittel, d. h. Sauerstoff, enthält. Für eine reine Schneidbearbeitung von dünnen Werkstücken, wie Blechen od. dgl., ist diese Vorgehensweise besonders vor­ teilhaft, weil der scharf gebündelte Gasstrahl die schmelzflüssigen Partikel in Strahlrichtung nach unten heraustreibt. Die Energie- und Kühlleistung eines solchen Hilfsgasstrahls reicht jedoch nicht aus, um die oben ge­ nannte Brückenbildung am Fuß von tieferen Schnitten im Vollmaterial zu verhindern.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Abtragen von Werkstückmaterialien aus dem Vollen aufzuzeigen, das die Herstellung auch tiefer sauberer Schnitte mit voll­ ständigem Austreiben der Materialpartikel aus dem Auf­ treffbereich des Energiestrahls ermöglicht. Ferner soll eine konstruktiv einfache und besonders wirksame Vorrich­ tung zur Materialabtragung mittels scharf gebündelter Energiestrahlen (Laser- und Elektronenstrahlen) geschaffen werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß in den Schneid- bzw. Auftreffbereich des Energiestrahls zu­ sätzlich ein gebündelter Fluidstrahl unter einem einstell­ baren Winkel zur Werkstückoberfläche bzw. zur Achse des Energiestrahlenbündels gerichtet wird.

Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung soll­ te als Fluidstrahl eine Flüssigkeit, vorzugsweise Wasser, eine wäßrige Lösung oder eine Suspension, verwendet wer­ den. Es hat sich überraschend gezeigt, daß die für die Abtragsleistung verantwortliche Wärmemenge, die durch Ab­ sorption im Auftreffbereich des Energiestrahls im Werk­ stück erzeugt wird, durch das zusätzlich in diesen Auf­ treffbereich zugeführte Fluid nur unwesentlich beeinträch­ tigt wird. Die in scharfem Strahl auf die Brennzone des Energiestrahls gerichtete Flüssigkeit bewirkt eine sehr intensive Kühlung der verdampften und verflüssigten Werk­ stückmaterialien, wobei davon ausgegangen werden kann, daß insbesondere die schmelzförmigen Partikel frühzeitig eine zumindest teilweise erstarrte Außenhaut bilden, die ein Wiederanbacken an den Fuß und/oder an die Seitenwände des Schneidspalts verhindern. Zusätzlich werden diese teilver­ festigten Partikel aufgrund der hohen kinetischen Energie des Flüssigkeitsstrahls zuverlässig aus der Brennzone des Energiestrahls und auch aus dem Schneidspalt herausgetrie­ ben. Weiter wurde festgestellt, daß sich durch die Zulei­ tung der Flüssigkeit besonders glatte Schneidflächen erge­ ben, was möglicherweise auf die effektive Kühlung des Werkstücks im Bereich der Schneidflächen sowie auch auf die hohe kinetische Energie des Flüssigkeitsstrahls zu­ rückzuführen ist.

Zur Optimierung der Abtragsleistung und der Qualität der Schneidflächen hat es sich als zweckmäßig erwiesen, wenn die horizontalen Vorschubbewegungen des Werkstücks ent­ sprechend den Betriebsparametern des Energiestrahls, wie der Leistungsdichte, der Frequenz bzw. dem Tastverhältnis eines Laserstrahls, sowie den Parametern des Fluidstrahls gewählt werden. Dies kann zweckmäßigerweise durch eine Koppelung der Vorschub-Steuereinheiten des Werkstückti­ sches, des Fluidstrahlerzeugers und der Energiestrahlen­ quelle erfolgen.

Zur formgenauen Herstellung von Hohlräumen in massiven Werkstücken hat sich eine Verfahrensweise als besonders vorteilhaft erwiesen, bei welcher das Material aus dem Werkstück nacheinander in parallelen Linien abgetragen wird, wobei der Abstand zweier benachbarter Linien etwa der Breite des Energiestrahls entspricht. Bei diesem Vor­ gehen dringt der Energiestrahl nur auf der jeweils ersten Linie in das volle Material hinein, während bei den nach­ folgenden Schnittlinien bereits eine Seite des Energie­ strahls vom Werkstoffmaterial frei ist. Bei diesem Vor­ gehen kommt die vorteilhafte Spül- und Kühlwirkung der zu­ sätzlichen Flüssigkeit in besonderem Maße zum Ausdruck, weil die beim Schneidvorgang gebildeten schmelzflüssigen Partikel vollständig vom Schneidfugenboden in teilverfe­ stigtem Zustand abtransportiert werden und sich nicht auf dem Boden der bereits geführten benachbarten Schneidfugen absetzen können. Versuche ohne die erfindungsgemäße Zufuhr eines zusätzlichen Kühl- und Spülfluids ergaben bei einer solchen Abtragung wellige und unregelmäßige Bodenflächen. Darüber hinaus mußte bei der Herstellung tieferer Hohlräu­ me und der erforderlichen zweiten oder dritten Serie von Schnittlinien die bei der jeweils vorhergehenden Serie ab­ gelagerten und verfestigten Partikel erneut aufgeschmolzen werden, was die Abtragsleistung und die Bearbeitungsquali­ tät erheblich beeinträchtigte. Wenn dagegen das erfin­ dungsgemäße zusätzliche Fluid in scharfem Strahl auf die Schneidzone gerichtet wurde, ergaben sich nahezu ebene Bodenflächen von geringem Rauhigkeitsgrad der auf diese Weise hergestellten Ausnehmungen.

Eine andere zweckmäßige Verfahrensführung zeichnet sich dadurch aus, daß aus dem Werkstück durch sich einander kreuzende Schrägschnitte Segmente herausgeschnitten und anschließend abgehoben werden. Die Form der Segmente kann entweder kegelförmig sein, wobei der unter einem spitzen Winkel zur Vertikalen auf die Werkstückoberfläche auftref­ fende Energiestrahl durch optische oder mechanische Ablen­ kung auf einem Kreis geführt wird, oder die Segmente können die Form eines langgestreckten Prismas mit drei- oder viereckigem Querschnitt haben. Im letzteren Fall ver­ laufen jeweils zwei Schnittlinien parallel zueinander un­ ter einem spitzen Winkel zur Vertikalen und stoßen an ihrem Fuß zusammen. Für eine derartige Vorgehensweise ist es jedoch zweckmäßig, wenn der Fluidstrahl beim Auftreffen auf das Werkstück etwa den gleichen Durchmesser wie die Spaltbreite hat, damit das Fluid auch ausreichend tief in den jeweils hergestellten Schneidspalt eindringen kann.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung von Hohl­ räumen in massiven Werkstücken besteht aus einer Einrich­ tung zur Erzeugung und Führung eines scharf gebündelten Energiestrahls, insbesondere eines Laser- bzw. Elektronen­ strahls, aus einem horizontal verfahrbaren Werkstücktisch mit Spannmitteln für ein Werkstück, ggf. aus einer mit einem Arbeitsgas beaufschlagbaren Strahldüse, die koaxial bzw. achsparallel zum Energiestrahl ausgerichtet ist, und aus mindestens einer programmierbaren Steuereinheit für die Antriebe des Werkstücktisches und des Energiestrahler­ zeugers, wobei erfindungsgemäß neben dem Austritt des Energiestrahls eine weitere Düse mit schräg zur Werkstück­ oberfläche in den Auftreffbereich des Energiestrahls aus­ gerichteter Längsachse angeordnet ist, die über druckfeste Leitungen an eine Druckfluid-Versorgung angeschlossen ist.

Zweckmäßig ist diese weitere Düse gegenüber dem Austritts­ kopf des Energiestrahls verstellbar ausgebildet, so daß sich der Neigungswinkel des Fluidstrahls, seine Richtung und der Abstand der weiteren Düse gegenüber dem Auftreff­ bereich des Energiestrahls einstellen läßt.

Es ist zweckmäßig, die zusätzliche Düse nachlaufend, d. h. in Vorschubrichtung hinter dem Energiestrahl, anzuordnen, weil dadurch der Fluidstrahl in Vorschubrichtung gerichtet wird und seine Spül- und Kühlwirkung in besonderem Maße wirksam wird. Insbesondere bei bogenförmigen Schneidbah­ nen sollte der Düsenhalter gegenüber dem Strahlaustritts­ kopf motorisch verdrehbar angeordnet werden, damit die je­ weilige Nachlaufstellung genau eingehalten werden kann.

Zur Optimierung der Abtragsleistung und zum Erhalt ebener Bodenflächen der hergestellten Hohlräume hat es sich als besonders zweckmäßig erwiesen, wenn die Steuereinheit des Energiestrahlerzeugers und die Steuereinheit für die Vor­ schubbewegung des Werkstücktischs miteinander verknüpft sind, so daß die Vorschubgeschwindigkeit an z. B. die Pulsfrequenz und/oder das Tastverhältnis eines Laser­ strahls angepaßt werden kann.

Im folgenden wird die Erfindung beispielhaft anhand der Zeichnung im einzelnen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch die wesentlichen Teile einer erfindungsgemäßen Abtrags-Vorrichtung im Vertikalschnitt;

Fig. 2 schematisch eine erste Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Heraus­ arbeiten eines rechteckigen Hohlraumes in einem vollen Werkstück in perspektivischer Darstellung;

Fig. 3, 4 andere Werkstücke, in denen Hohlräume durch Herausschneiden von kegelförmigen bzw. keilförmigen Segmenten hergestellt werden.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung enthält einen CO₂- Laserstrahl-Erzeuger 1 mit Führungsrohren 2, 3 und einen Umlenkspiegel 4 für einen gestrichelt dargestellten CO₂- Laserstrahl 5. Das vertikale Führungsrohr 3 ist von einer Düse 6 umgeben, der über einen Anschluß 7 ein Arbeitsgas, z. B. Sauerstoff oder Luft, aus einer nicht dargestellten Quelle zugeführt wird. Die Gasdüse 6 erstreckt sich ko­ axial zum Führungsrohr 3. Der auf diese Weise aus der Gas­ düse austretende Gasstrahl ist somit koaxial zum Laser­ strahlenbündel ausgerichtet und trifft direkt auf die Brennzone 8 im Werkstück 9, das auf den in Richtung des Pfeiles a bewegten Werkstücktisch 1 a aufgespannt ist.

Außen an der Gasdüse 6 ist ein Ringhalter in Richtung des Doppelpfeiles b axial verschiebbar und um die Längsachse verdrehbar angeordnet, an dessen abstehendem Arm 12 über ein Gelenk 13 und einen Arm 14 eine Fluidstrahldüse 15 gehaltert ist. Um die Drehachse des Gelenks 13 kann die Fluidstrahldüse 15 in Richtung der Doppelpfeile c und d verstellt werden. Die Fluidstrahldüse 15 wird mit einer unter hohem Druck stehenden Flüssigkeit beaufschlagt und erzeugt einen scharfen hochenergetischen Strahl 16, der direkt in den Brennbereich 8 des Laserstrahls 5 gerichtet ist. Zweckmäßig sollte der Durchmesser dieses Flüssig­ keitsstrahls 16 nur geringfügig größer als der vom Laser­ strahl erzeugte Brennbereich 8 sein. Dieser Flüssigkeits­ strahl 16 hat eine Doppelfunktion, und zwar einmal die möglichst schnelle Abkühlung der im Brennbereich 8 erzeug­ ten schmelzflüssigen Partikel des Werkstückmaterials und eine möglichst schnelle Abförderung dieser durch Abkühlung teilverfestigten Partikel aus dem Brennbereich, um deren Anlagerung am Boden des Schnittspalts zu verhindern.

Nach Fig. 2 wird das Werkstück 9 in Richtung des Pfeiles a durch einen nicht dargestellten Vorschubantrieb mit rela­ tiv hoher Schneidgeschwindigkeit geradlinig vorgeschoben, wobei die Vorschubgeschwindigkeit in einer Programm- Steuereinheit 2 a bestimmt und dem nicht dargestellten Vor­ schubantrieb über die Strichlinie 21 übermittelt wird. Eine Steuereinheit 22 ist über eine gestrichelte Leitung 23 mit dem Laserstrahl-Erzeuger 1 verbunden und bestimmt die Betriebsparameter des Laserstrahls, wie die Pulsfre­ quenz, das Tastverhältnis, die Lichtstärke usw. Durch die beiden Doppelpfeile d ist die Verknüpfung der beiden Steuereinheiten 2 a, 22 angegeben, durch die eine gegen­ seitige Abstimmung der Prozeßparameter auf die Vorschub­ geschwindigkeit des Werkstücks - und umgekehrt - erreicht wird. Sobald das Werkstück 9 um einen vorgegebenen Betrag vorgeschoben worden ist, wird das Werkstück in Richtung des Pfeiles e mittels der Steuereinheit 2 a und einer ge­ strichelten Leitung 24 seitlich um einen kleinen Betrag verschoben, der etwa dem Durchmesser des Laserstrahls bzw. dessen Brennbereichs 8 entspricht. Gleichzeitig erfolgt eine Verdrehbewegung der Fluidstrahldüse 15 um 180° zur Längsachse des Laserstrahls. Durch Vorschieben des Werk­ stücks 9 in Gegenrichtung zum Pfeil a kann darauf­ hin der nächste Schnitt gelegt werden. Alternativ kann das Werkstück auch nach Beendigung eines Schnittes im Schnell­ gang zurückgefahren werden, woraufhin dann die Querbewe­ gung in Richtung des Pfeiles e erfolgt. In diesem Fall ist eine Verdrehung der Düse um die Längsachse des Laser­ strahls nicht erforderlich.

Das in Fig. 3 dargestellte Werkstück läßt eine Arbeitswei­ se erkennen, bei welcher die gesamte Laserstrahlanordnung, bestehend aus dem Führungsrohr 3, der Düse 6 und der Flüs­ sigkeitsdüse 15, zur Vertikalen geneigt angeordnet ist und um diese vertikale Achse eine kreisförmige Drehbewegung ausführt. Durch dieses Vorgehen werden kegelförmige Schnittlinien erzeugt, die im Kegelursprung zusammentref­ fen. Die kegelförmigen Werkstücksegmente können nach jedem Schneidvorgang vom restlichen Werkstück abgehoben werden. Die verbleibenden Höcker im Werkstück können anschließend durch weitere Kegelschnitte herausgeschnitten werden.

Die in Fig. 4 dargestellte Vorgehensweise entspricht im wesentlichen derjenigen nach Fig. 3, wobei jedoch statt der kreisförmigen Bewegungen der Laserstrahlanordnung geradlinige Schrägschnitte erzeugt werden.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungs­ beispiele beschränkt. So kann beispielsweise der Fluid­ strahl auch wesentlich breiter als der Brennbereich ge­ wählt werden, was insbesondere bei der Arbeitsweise nach Fig. 2 zweckmäßig ist. Ferner kann die Fluidstrahldüse 15 auch an einer von der Gasdüse 6 unabhängigen Halterung verstellbar angeordnet werden. Schließlich können auch Linsensysteme zu einer Fokussierung und/oder gezielten Ablenkung des Laserstrahlenbündels 5 verwendet werden.

Claims (12)

1. Verfahren zum Abtragen mittels gebündelter Energie­ strahlen, wie Laser- oder Elektronenstrahlen, bei dem der Energiestrahl ggf. zusammen mit einem Gasstrahl unter einem einstellbaren Winkel auf das Werkstück gerichtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß in den Auftreffbereich des Energiestrahls auf das Werkstück zusätzlich ein gebündelter Fluidstrahl schräg zur Werkstückoberfläche gerichtet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Fluidstrahl eine Flüssigkeit, vorzugsweise Wasser oder wäßrige Lösung, verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Werkstück ebene oder räumliche Vorschubbewegungen ausführt, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorschubgeschwindigkeit des Werkstücks entspre­ chend den Betriebsparametern des Fluidstrahls und der Energiestrahlen eingestellt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Material aus dem Werkstück nacheinander in paral­ lelen Linien abgetragen wird, wobei der Abstand zweier be­ nachbarter Linien etwa der Breite des Energiestrahls ent­ spricht.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung von Hohlräumen, deren Tiefe größer als die maximale Schnittiefe des Energiestrahls ist, das Werk­ stück um den Betrag der Schnittiefe vertikal zugestellt und daraufhin die linienförmige Materialabtragung wieder­ holt wird, bis die gewünschte Hohlraumtiefe erreicht ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Werkstück durch sich kreuzende Schrägschnitte Segmente herausgeschnitten und danach abgehoben werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Energiestrahl ein gepulster Laserstrahl verwendet wird.

8. Vorrichtung zur Materialabtragung durch Energiestrah­ len, bestehend aus einer Einrichtung zur Erzeugung und Führung eines scharf gebündelten Energiestrahls, einem verfahrbaren Werkstücktisch, ggf. einer mit einem Hilfsgas beaufschlagbaren Strahldüse, deren Längsachse zum Auf­ treffbereich des Energiestrahls gerichtet ist, und aus mindestens einer programmierbaren Steuereinheit für die Antriebe des Werkstücktisches und für den Energiestrahler­ zeuger, dadurch gekennzeichnet, daß neben der Austrittsöffnung des Energiestrahls (5) min­ destens eine weitere Düse (15) mit schräg zur Werkstück­ oberfläche in den Auftreffbereich (8) des Energiestrahls (5) ausgerichteter Längsachse angeordnet ist, die über druckfeste Leitungen an eine Druckfluidversorgung ange­ schlossen ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Düse (15) gegenüber einem Führungsrohr (3) des Energiestrahls verstellbar angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Düse (15) entgegen der Vorschubrichtung mit veränderbarer Neigung und Abstand einstellbar ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (22) des Energiestrahlerzeugers (1) und die Steuereinheit (2 a) der Werkstücktisch-Antriebe miteinander verknüpft sind.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Laserstrahlanordnung gegenüber der Verti­ kalen verstellbar ausgebildet ist.