DE4037211A1 - Maschine zum bearbeiten eines materials mittels laserstrahl - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Maschine zum Bearbeiten eines Materials mittels Laserstrahl (Lasergravur), der auf den Bearbeitungsbereich des relativ zu dem Laserstrahl be­ wegten Werkstücks focussiert wird, mit einer Gasdüse, durch die ein Gasstrom zum Austreiben von abzutragendem Werkstückmaterial auf den Bearbeitungsbereich gerichtet wird.

Diese für die allgemein mit "Lasergravur" bezeichnete Bearbeitung eines Werkstücks ausgelegte Maschine ist so ausgelegt, daß der Brennpunkt des Laserstrahls konti­ nuierlich oder intermittierend mit ausreichend geringer Geschwindigkeit über eine mit einer Tiefengravur zu ver­ sehene Linie auf der Werkstückoberfläche geführt wird, so daß im Bereich des Brennpunkts das Material ge­ schmolzen wird. Dabei kann der Laserstrahl durch die Mitte der Gasdüse laufen, durch die hindurch ein Gas auf den Bearbeitungsbereich gerichtet wird, damit das ausgeblasene Gas das durch den Laserstrahl abgeschmol­ zene Material austreibt. Das ausgetriebene Material kann verflüssigtes Material sein, es kann sich aber auch um gasförmiges oder noch festes, partikelförmiges Material handeln.

Wichtig ist, daß das zu entfernende Material vollständig aus der durch den beschriebenen Graviervorgang gebil­ deten Gravierfurche ausgetrieben wird und darüber hinaus kein ausgetriebenes Material in die bereits gravierte Furche gelangt; denn wenn angeschmolzenes Material in die bereits gravierte Furche zurückfällt, könnte diese lokal wieder zuschmelzen. Erstrebenswert ist es daher, wenn das geschmolzene Material in der Richtung ausge­ trieben wird, in der die Gravur voranschreitet.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Maschine der eingangs genannten Art anzugeben, bei der mit einfachen Mitteln das vom Laserstrahl geschmolzene Material derart be­ seitigt wird, daß kein Material in die bereits ent­ standene Materialvertiefung gelangen kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Gasdüse derart bezüglich des Bearbeitungsbereichs eingestellt ist, daß das abzutragende Material in eine definierte Vorzugsrichtung ausgetrieben wird.

Mit der genannten Maßnahme läßt sich erreichen, daß geschmolzenes Werkstückmaterial z. B. in Bearbeitungs­ richtung, also entgegen der bereits vorhandenen Material­ vertiefung entfernt oder ausgetrieben wird. Damit wird die bereits vorhandene Materialvertiefung (Gravierfurche) von jeglicher Verunreinigung freigehalten.

Man kann die Maschine derart ausgestalten, daß der Laserstrahl durch die Düsenöffnung tritt und dann auf den Bearbeitungsbereich auftrifft. Fallen der Brenn­ punkt des Laserstrahls und der Mittelpunkt der Düsen­ öffnung zusammen, so wird das abgetragene Material unkontrolliert in verschiedene Richtungen geschleudert, kann also auch in die bereits gezogene Furche gelangen. Deshalb ist bei einer solchen Anordnung, bei der der Laserstrahl durch die Düsenöffnung hindurchtritt, erfindungsgemäß vorgesehen, daß der Brennpunkt des Laserstrahls in Bearbeitungsrichtung gegenüber dem Mittelpunkt der Düsenöffnung versetzt ist. Bei dieser Ausführungsform kann das Gas mit der sehr nahe am Be­ arbeitungsbereich angeordneten Düse sehr genau auf den Bearbeitungsbereich gelenkt werden, wobei die genannte Versetzung des Brennpunktes gegenüber dem Mittelpunkt der Düsenöffnung für die Erzielung der Vorzugsrichtung des ausgetriebenen Materials sorgt.

Die erfindungsgemäße Maßnahme gestattet grundsätzlich das Austreiben von Werkstückmaterial in einer ge­ wünschten Vorzugsrichtung. Dadurch, daß der Brennpunkt des Laserstrahls in Bewegungsrichtung bezüglich des Werkstücks vor dem Mittelpunkt der Düsenöffnung liegt, vorzugsweise 0,5 . . . 2 mm vor dem Mittelpunkt der Düsen­ öffnung angeordnet ist, trifft der Gasstrom etwas hinter der eigentlichen Schmelzzone auf die Materialoberfläche. Das dünnflüssige geschmolzene Material liegt in Bewe­ gungsrichtung vor der Düsenöffnung-Mitte, so daß der auf das Material auftreffende Gasstrom das geschmolzene Material in Bewegungsrichtung nach vorn austreibt.

Um die genannte Versetzung zwischen dem Mittelpunkt der Düsenöffnung einerseits und dem Brennpunkt des Laser­ strahls andererseits zu erreichen, kann man eine me­ chanische Ausgestaltung der Düse vorsehen, die den Mittelpunkt der Düsenöffnung gegenüber dem Brennpunkt des Laserstrahls versetzt. Bei einer Richtungsänderung der Gravur muß nämlich auch die durch den Mittelpunkt der Düsenöffnung und dem Brennpunkt des Laserstrahls definierte Gerade entsprechend verstellt werden. Mit der genannten mechanischen Einrichtung könnte man die Düse so drehen, daß der Mittelpunkt der Düsenöffnung um den Brennpunkt des Laserstrahls verschwenkt wird. Dieses Verschwenken könnte in einfacher Weise mit der Bewegungsvorrichtung für den Laserstrahl gekoppelt werden.

Erfindungsgemäß wird jedoch bevorzugt, daß die Lage­ versetzung zwischen Brennpunkt und Mittelpunkt der Düsenöffnung durch eine dem Lasergerät nachgeordnete Ablenkeinheit einstellbar ist, abhängig von der Be­ wegungsrichtung des Laserstrahls bezüglich des Werk­ stücks. Durch diese Maßnahme läßt sich die Richtung des Materialaustriebs aus der Bearbeitungszone genauso schnell ändern, wie sich die Lage des Brennpunkts des Laserstrahls durch die (Focussier- und) Ablenkeinheit ändern läßt. Die Erfindung eröffnet die Möglichkeit, mit relativ hoher Arbeitsgeschwindigkeit hochwertige Gravuren zu erzeugen, und zwar auch an solchen Stellen, die mit herkömmlichen Graviereinrichtungen nicht mehr erreichbar sind.

Damit ist die erfindungsgemäße Maschine äußerst kompakt baubar, was entsprechend viele Einsatzmöglichkeiten zu­ läßt.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer ersten Ausführungsform einer Maschine für die Laser­ gravur,

Fig. 2 eine schematische Seitenansicht einer Maschine für die Lasergravur, und

Fig. 3 eine vergrößerte Schnittansicht entlang der Linie II-II in Fig. 1.

Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung ist in den Grund­ zügen bereits bekannt: Mit einem Laser 2 wird in die Oberfläche eines metallischen Werkstücks 4 eine Gravur in Form einer Gravierfurche 6 eingebracht. Hierzu liefert der Laser 2 einen mittels einer Focussier- und Ablenkein­ heit 8 gebündelten und gerichteten Laserstrahl 12. Der Brennpunkt 18 (Fig. 2) des Laserstrahls 12 trifft auf eine Bearbeitungszone. Durch die Energie des Laserstrahls 12 im Brennpunkt 18 wird das Material so stark aufge­ heizt, daß es schmilzt. Während des Aufheizens wird durch die Düsenöffnung 14 einer Gasdüse 10 ein Gasstrom auf den Bearbeitungsbereich gerichtet. Dazu wird gemäß Fig. 1 ein geeignetes Gas über einem Schlauch 30 in die Düsen­ öffnung 14 eingeleitet.

Die Gasdüse 10 sitzt an einer Düsenhalterung 22, an die der Schlauch 30 angeschlossen ist, und die an dem Ge­ häuse des Lasers 2 gelagert ist. Hierzu ist an dem Laser 2 ein starrer Arm 24 mit einem Gelenk 26 angeordnet, welches einen schwenkbaren Arm 28 trägt, der an der Lagerung 22 festgemacht ist.

Durch die oben beschriebene Anordnung läßt sich die Gas­ düse 10 so auf den Bearbeitungsbereich in der Nähe des Brennpunkts 18 des Laserstrahls 12 lenken, daß das abge­ tragene Material 20 in Richtung der Relativbewegung zwischen dem Laser 2 und dem Werkstück 4 (Pfeil P) aus­ getrieben wird.

Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung. Gleiche oder entsprechende Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in Fig. 1.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 tritt der Laser­ strahl 2 durch die Düsenöffnung 14 der Gasdüse 10 hin­ durch, die unten an der Focussier- und Ablenkeinheit 8 befestigt ist. Über eine seitliche Öffnung in der Gas­ düse 10 wird in Pfeilrichtung P ein geeignetes Gas in die Düsenöffnung 14 eingepumpt.

In Fig. 3 ist um den Brennpunkt 18 herum eine Schmelz­ zone 16 als Bearbeitungszone dargestellt.

Wie in Fig. 3 zu sehen ist, befindet sich der Mittelpunkt 10M der Düsenöffnung in einer gegenüber dem Brennpunkt 18 des Laserstrahls 12 versetzten Lage. In den Figuren ist die Bearbeitungsrichtung des Lasers bezüglich des hier als ortsfest angenommenen Werkstücks 4 durch ein Hohlpfeil kenntlich gemacht. In Fig. 3 sind der Mittel­ punkt 10M der Düsenöffnung 14 und der Brennpunkt 18 des Laserstrahls 12 durch eine Verbindungsgerade A gekenn­ zeichnet. Der Brennpunkt 18 liegt auf dieser Geraden A in Bearbeitungsrichtung gesehen ein Stück S vor dem Mittelpunkt 10M der Düsenöffnung.

Das angeschmolzene Material aus der Schmelzzone 16 wird durch den aus der Düsenöffnung austretenden Gasstrom (die Mittelachse des Gasstroms entspricht dem Mittelpunkt 10M der Düsenöffnung) aus der bereits gezogenen Gravierfurche 6 ausgetrieben, wobei das ausgetriebene Material 20 in Bearbeitungsrichtung fort­ fliegt. Dadurch wird erreicht, daß das Material auf jeden Fall von der bereits gezogenen Gravierfurche 6 ferngehalten wird.

Das ausgetriebene Material ist in erster Linie ge­ schmolzenes, flüssiges Metall, durch Verdampfen kann das Material auch teilweise gasförmig sein; es können auch teilweise nicht geschmolzene Fest-Partikel weg­ geblasen werden.

Würde gemäß Fig. 3 die Bearbeitungsrichtung von links nach rechts geändert auf von unten nach oben, so würde durch die Focussier- und Ablenkeinheit 8 der Laser­ strahl 12 derart abgelenkt, daß der Brennpunkt 18 in Fig. 2 oberhalb des Mittelpunkts 10M der Düsenöffnung 14 läge. Auf diese Weise wäre rasch wieder der gewünschte Zustand hergestellt, gemäß dem der Brennpunkt des Laser­ strahls in Bearbeitungsrichtung vor der Achse des Gas­ stroms liegt, also vor dem Mittelpunkt der Düsenöffnung.

Beim oben beschriebenen Beispiel hat die Düsenöffnung 14 kreisrunden Querschnitt. Es können auch andere Düsen­ querschnitte vorgesehen sein, wobei dann der Laserstrahl derart focussiert ist, daß sein Brennpunkt in Bearbei­ tungsrichtung wieder vor der Mittelachse des Gasstroms liegt.

Claims (5)

1. Maschine zum Bearbeiten eines Werkstückmaterials (4) mittels Laserstrahl (12) (Lasergravur), der auf den Bearbeitungsbereich (16) des relativ zu dem Laserstrahl (12) bewegten Werkstücks focussiert wird, mit einer Gas­ düse (10), durch die ein Gasstrom zum Austreiben von abzutragendem Werkstückmaterial (20) auf den Bearbei­ tungsbereich gelenkt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasdüse (10) derart bezüglich des Bearbeitungsbe­ reichs (16) eingestellt ist, daß das abzutragende Material in eine definierte Vorzugsrichtung ausgetrieben wird.

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasdüse etwa in Richtung der relativen Vorschubbe­ wegung des Laserstrahls bezüglich des Werkstücks (4) gerichtet ist.

3. Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Düsenöffnung (14) der Gasdüse (10) hindurch der Laserstrahl (12) auf den Bearbeitungsbereich fo­ cussiert wird, und daß der Brennpunkt (18) des Laser­ strahls (12) in Bearbeitungsrichtung gegenüber dem Mittelpunkt (10M) der Düsenöffnung (14) versetzt ist.

4. Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennpunkt (18) und der Mittelpunkt (10M) um ca. 0,5 . . . 2 mm versetzt sind.

5. Maschine nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lageversetzung zwischen Brennpunkt (18) und Mittel­ punkt (10M) durch eine dem Lasergerät (2) nachgeordnete Ablenkeinheit (8) einstellbar ist, abhängig von der Be­ wegungsrichtung des Laserstrahls (12) bezüglich des Werkstücks (4).