DE3801068C2

DE3801068C2 -

Info

Publication number: DE3801068C2
Application number: DE3801068A
Authority: DE
Inventors: Werner 8962 Pfronten De Babel; Peter Dr.-Ing. 8959 Rieden De Grund; Guenter Dr.-Ing. 8963 Waltenhofen De Eberl
Original assignee: Maho AG
Current assignee: LCTEC LASER- UND COMPUTERTECHNIK GMBH, 87459 PFRON
Priority date: 1988-01-15
Filing date: 1988-01-15
Publication date: 1991-01-24
Also published as: DE3801068A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen von Hohlräumen in massiven Werkstücken mittels Laserstrahls der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung sowie auf eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 2.

Verfahren und Vorrichtungen zur zwei- oder dreidimensionalen Schneidbearbeitung von Werkstücken durch gebündelte Energie strahlen, insbesondere durch Laser- oder Elektronenstrahlen, haben in den letzten Jahren an praktischer Bedeutung gewonnen, was auf die ständig zunehmenden Kenntnisse über die physikali schen Grundlagen der Strahlerzeugung 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 vollen Werkstück bekannt, bei welchem zwei Laserstrahlen unter einem jeweils vorgegebenen Winkel so auf das Werkstück gerichtet werden, daß die durch eine lineare Relativbewegung zwischen dem Werkstück und den beiden Lasertrahlen erzeugten Schnitte in ihrem Fuß zusammentreffen, woraufhin das auf diese Weise freige schnittene riegelförmige Werkstücksegment herausgenommen werden kann. Auf entsprechende Weise sollen sich auch rotationssymmetri sche Werkstücke bearbeiten lassen, indem ein Laserstrahl etwa radial und der zweite Laserstrahl axial zum rotierenden Werk stück ausgerichtet werden, wobei Ring- oder Schrauben-Segmente entstehen. Schwierigkeiten ergeben sich jedoch bei diesem Vor gehen dadurch, daß bei größeren Schnittiefen das im Fuß der Schnittlinie schmelzflüssig freigesetzte Werkstückmaterial nicht vollständig aus dem Schnitt heraustransportiert werden kann, son dern in Form feinster Tröpfchen im Schneidspalt verbleibt und mit dem Erstarren Materialbrücken zwischen dem Werkstücksegment und dem Hauptteil des Werkstücks bildet. Dieses Phänomen tritt bei dem gebräuchlichen Schneiden dünner Werkstücke nicht auf, da die maximale Schnittiefe des jeweiligen Energiestrahls größer als die Werkstückdichte ist und das verdampfte bzw. verflüssigte Werkstückmaterial an der Werkstückunterseite "herausgeblasen" wird.

Eine ähnliche Vorgehensweise ist mit einer Laser-Schneid- Vorrichtung möglich, die in der DE-OS 35 03 401 beschrieben 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 ge geneinander verstellbaren Führungsrohren so angeordnet, daß bei einer Schwenkbewegung 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 Grenzen Schräg schnitte und komplizierte Schnittlinien in einem Werkstück ausgeführt werden; das Herausschneiden ganzer Werkstücksegmente durch jeweils zwei in ihrem Fuß zusammentreffende 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 ko axial zum Laserstrahl einzusetzen, der die schmelzflüssigen Par tikel aus der Schnittfuge heraustreiben soll. Bei oxidationsfähigen Werkstoffen kann die Schneidleistung beträchtlich vergrößert wer den, wenn das Gas ein Oxidationsmittel, d. h. Sauerstoff, ent hält. 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 genannte Brückenbildung am Fuß von tieferen Schniten im Vollmaterial zu verhindern.

Aus der JP-OS 59-47 086 ist ein gattungsgemäßes Verfahren zum Herstellen von flachen Gravur-Ausnehmungen bekannt, bei dem ein Laserstrahl in dicht nebeneinanderliegenden Bahnen über die Werkstückoberfläche geführt und dabei das Material unter gleich zeitiger Zufuhr eines Hilfsgases abgetragen wird. Zur Herstellung von tieferen Hohlräumen mit zur Werkstückoberfläche senkrechten Seitenwänden und ebenem Boden ist dieses Verfahren jedoch nicht ohne weiteres geeignet, weil das gasförmige und schmelzflüssige Material nicht ausreichend schnell und intensiv aus dem Bearbei tungspunkt entfernt werden kann. Als Ergebnis würden unebene Bodenflächen und nach innen geneigte Seitenwände entstehen.

Eine Vorrichtung mit den Gattungsmerkmalen ist aus der DE-30 37 981 A1 bekannt. Diese Vorrichtung ist jedoch nicht zur Herstellung von Hohlräumen, sondern zum Brennschneiden geeignet.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen von taschen- bzw. kammerförmigen Hohlräumen in massiven Werk stücken mittels Laserstrahl aufzuzeigen, das ein vollständiges Austreiben der Materialpartikel aus dem Auftreffbereich des Laserstrahls und damit die Bildung ebener Flächen ermöglicht. Ferner soll eine konstruktiv einfache und besonders wirksame Vorrichtung zur Materialabtragung mittels eines scharf gebündel ten Energiestrahls geschaffen werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche 1 bzw. 2 gelöst.

Es hat sich überraschend gezeigt, daß die für die Abtragsleistung verantwortliche Wärmemenge, die durch Absorption im Auftreffbe reich des Energiestrahls im Werkstück erzeugt wird, durch die zusätzlich in diesen Auftreffbereich zugeführte Flüssigkeit prak tisch nicht beeinträchtigt wird. Die in scharfem Strahl auf die Brennzone des Laserstrahls gerichtete Flüssigkeit bewirkt eine sehr schnelle Abkühlung der verdampften und verflüssigten Werk stückmaterialien, wobei die schmelzflüssigen Partikel frühzeitig eine zumindest teilweise erstarrte Außenhaut bilden, die ein Wie deranbacken an den Fuß und/oder an die Seitenwände des Schneidspalts verhindern. Zusätzlich werden diese teilverfestigten Partikel aufgrund der hohen kinetischen Energie des Flüssigkeits strahls zuverlässig und schnell aus der Brennzone des Laser strahls und auch aus dem Schneidspalt herausgetrieben. Weiter wurde festgestellt, daß sich durch die Zuleitung eines scharfen Flüssigkeitsstrahls besonders glatte Schneidflächen ergeben, was auf die hohe kinetische Energie des Flüssigkeitsstrahls zurück zuführen ist. Aufgrund der vollständigen Abführung der Material parikel wird ihre Anlagerung an den Boden und damit ihr sonst notwendiges erneutes Aufschmelzen beim nächstfolgenden Abtrags vorgang vermieden.

Im folgenden wird die Erfindung beispielhaft anhand der Zeich nung im einzelnen erläutert. Es zeigt

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

Fig. 2 schematisch die Herstellung eines recht eckigen Hohlraumes in einem vollen Werkstück in perspektivischer Darstellung.

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 Gas düse 6 umgeben, der über einen Anschluß 7 ein Arbeitsgas, z. B. Sauerstoff oder Luft, aus einer nicht dargestellten Quelle zuge führt wird. Die Gasdüse 6 erstreckt sich koaxial zum Führungs rohr 3. Der auf diese Weise aus der Gasdüse austretende Gas strahl ist somit koaxial zum Laserstrahl ausgerichtet und trifft direkt auf den Brennbereich 8 im Werkstück 9, das auf den in Richtung des Pfeiles a bewegten Werkstücktisch 10 aufgespannt ist.

Außen an der Gasdüse 6 ist ein Ringhalter in Richtung des Doppelpfeiles b axial verschiebbar und um die Längsachse ver drehbar angeordnet, an dessen abstehendem Arm 12 über ein Ge lenk 13 und einen Arm 14 eine Flüssigkeitsdüse 15 gehaltert ist. Um die Drehachse des Gelenks 13 kann die Flüssigkeitsdüse 15 in Richtung der Doppelpfeile c und d verstellt werden. Die Düse 15 wird mit einer unter hohem Druck stehenden Flüssigkeit beauf schlagt und erzeugt einen scharfen hochenergetischen Strahl 16, der direkt in den Brennbereich 8 des Laserstrahls 5 gerichtet ist. Zweckmäßig sollte der Durchmesser dieses Flüssigkeitsstrahls 16 nur geringfügig größer als der vom Laserstrahl erzeugte Brennbe reich 8 sein. Dieser Flüssigkeitsstrahl 16 hat eine Doppelfunktion, und zwar einmal die möglichst schnelle Abkühlung der im Brenn bereich 8 erzeugten dampfförmigen bzw. schmelzförmigen 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 relativ hoher Schneidgeschwindigkeit geradlinig vorgeschoben, wobei die Vor schubgeschwindigkeit in einer Programm-Steuereinheit 20 bestimmt und dem nicht dargestellten Vorschubantrieb über die Strichlinie 21 übermittelt wird. Eine Steuereinheit 22 ist über eine gestri chelte 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 20, 22 angegeben, durch die eine gegenseitige Abstimmung der Prozeß parameter auf die Vorschubgeschwindigkeit des Werkstücks - und umgekehrt - erreicht wird. Wenn das Werkstück 9 durch eine Vor schubbewegung in Pfeilrichtung a den vorgegebenen Endpunkt an der Querwand der Ausnehmung erreicht hat, wird es in Richtung des Pfeiles e mittels der Steuereinheit 20 und einer gestrichelten Leitung 24 seitlich um einen kleinen Betrag verschoben, der etwa dem Durchmesser des Laserstrahls bzw. dessen Brennbereichs 8 entspricht. Gleichzeitig erfolgt eine Verdrehbewegung der Flüssigkeitsdüse 15 um 180° zur Längsachse des Laserstrahls. Durch Vorschieben des Werkstücks 9 in Gegenrichtung zum Pfeil a kann daraufhin der nächste linienförmige Abtragsvorgang durch geführt werden. Alternativ kann das Werkstück auch nach Beendi gung eines Schnittes im Schnellgang zurückgefahren werden, woraufhin dann die Querbewegung in Richtung des Pfeiles e er folgt. In diesem Fall ist eine Verdrehung der Düsen um die Längs achse des Laserstrahls nicht erforderlich. Wenn die Hohlraumkon tur vollständig abgefahren worden ist, wird das Werkstück 9 um den Betrag der Schnittiefe vertikal zugestellt und der linien förmige Abtragsvorgang wiederholt, um weitere Materialschichten abzutragen.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. So kann beispielsweise der Flüssigkeitsstrahl auch wesentlich breiter als der Brennbereich gewählt werden. Ferner kann die Flüssigkeitsdüse 15 auch an einer von der Gasdüse 6 unabhängigen Halterung verstellbar angeordnet werden.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen von Hohlräumen in massiven Werk stücken mittels eines Laserstrahls, bei dem der Laserstrahl ggf. zusammen mit einem Gasstrahl unter einem einstellbaren Winkel auf das Werkstück gerichtet wird und das Werkstück Vorschubbe wegungen mit einer an die Betriebsparameter des Laserstrahls angepaßten Vorschubgeschwindigkeit ausführt, wobei das Material aus dem Werkstück in parallelen Linien abgetragen wird, deren Abstand etwa der Breite des Laserstrahls entspricht, dadurch gekennzeichnet,
daß das während des linienförmigen Abtragsvorgangs verdampfte bzw. verflüssigte Material durch einen schräg zur Werkstückfläche gerichteten Flüssigkeitsstrahl aus dem Hohlraum ausgetrieben wird und
daß nach dem linienförmigen Abtragen einer Materialschicht das Werkstück um den Betrag der Schnittiefe des Laserstrahls vertikal zugestellt und daraufhin die linienförmige Materialabtragung wie derholt wird, bis die gewünschte Hohlraumtiefe erreicht ist.

2. Vorrichtung zur Materialabtragung durch einen Laserstrahl, bestehend aus einer Laseranlage mit Leit- und Fokussierelementen, einem motorisch verfahrbaren Werkstücktisch, mindestens einer programmierbaren Steuereinheit für die Laseranlage und für die Antriebe des Werkstücktischs, einer mit einem Hilfsgas beauf schlagten Hilfsgasdüse, deren Längsachse zum Auftreffbereich des Laserstrahls gerichtet ist, und mit mindestens einer neben der Austrittsöffnung des Laserstrahls angeordneten weiteren Düse mit schräg zur Werkstückoberfläche in den Auftreffbereich des Laser strahls ausgerichteter Längsachse, die über druckfeste Leitungen an eine Druckflüssigkeitsversorgung angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Düse (15) gegenüber dem Führungsrohr (3) des Laserstrahls entgegen der Vorschubrichtung des Werkstücks (9) mit veränderbarer Neigung und veränderbarem Abstand einstellbar ist.