DE4202941A1 - Verfahren und vorrichtung zum materialabtrag an einem bewegten werkstueck - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Materialabtrag an einem bewegten Werkstück, bei dem ein gepulster, hochenergetischer, im wesentlichen fokussierter Laser­ strahl einen vorbestimmten Teilbereich des bewegten Werkstückes in mit der Bewegung des Werkstückes syn­ chronisierter Einstrahlung beaufschlagt, wobei in Echt­ zeit die jeweilige Abweichung einer physikalischen Ist- Größe des Werkstückes von ihrem Sollwert erfaßt wird und der Laserstrahl in aufeinanderfolgenden Schritten auf den Teilbereich des Werkstückes einwirkt, bis die physikalische Ist-Größe innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs an den Sollwert angenähert ist, und sie betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Eine solches Verfahren und eine solche Vorrichtung sind aus dem Buch "Industrial Applications of Lasers", John Wiley & Sons Ltd. (1984), und insbesondere aus dem Kapitel 13 "Balancing with lasers" von H. Schneider bekannt. Solche Vorrichtungen zum Auswuchten von hoch­ drehenden Teilen werden insbesondere bei kleinen hoch­ drehenden Werkstücken wie zahnärztlichen Instrumenten oder Gyroskopen für Luftfahrzeuge eingesetzt. Dort wird mit maximalen Pulsenergien im Joulebereich und einer Pulsdauer von einigen 100 Mikrosekunden je Puls ein fokussierter Laserstrahl auf den sich drehenden Körper geleitet, wodurch eine Materialmenge im Zehntel-Milli­ grammbereich am Auftreffpunkt des Laserstrahls entfernt wird. Dieses Material wird dann mit einer Absauganlage entfernt. Die sich bei jedem Puls ergebende Menge des entfernten Materials hängt von der Pulsenergie und der Fokussierung des Strahles ab. Die sich ergebenden tropfenförmigen Ausnehmungen weisen allerdings Auswürfe an ihren Rändern auf. Diese Auswürfe können sich insbe­ sondere bei hochdrehenden Teilen im Betrieb ablösen und so erneut eine Unwucht hervorrufen oder sogar das Werkstück beschädigen.

Ein Verfahren zum Auswuchten von drehenden Teilen mit Hilfe eines Lasers weist gegenüber herkömmlichen span­ abtragenden Verfahren den Vorteil auf, daß es in Echt­ zeit durchgeführt werden kann. Dies ist insbesondere bei der Beseitigung einer Unwucht bei hochdrehenden Werkstücken vorteilhaft, da eine Unwucht bei der Be­ triebsdrehzahl oder einer höheren Umdrehungszahl über­ prüft werden sollte.

Mit einem Materialabtrag mittels eines Laserstrahls wird insbesondere vermieden, daß zum Beispiel ein Gyroskop nach der Unwuchtmessung bei der Betriebsdreh­ zahl zur spanabhebenden Bearbeitung auslaufen und im Anschluß an die Bearbeitung mit dem es antreibenden Motor wieder auf die Betriebsdrehzahl gebracht werden muß, um die mit der Bearbeitung erreichte Unwuchtkor­ rektur zu messen. Daher weisen spanabhebende Verfahren, die in mehreren Schritten durchgeführt werden müssen, den Nachteil einer sehr langen Bearbeitungsdauer auf, die leicht eine Stunde pro Bearbeitungsgang erreichen kann.

Das Auswuchten mit Hilfe eines Lasers gemäß den bekann­ ten Verfahren weist dagegen den Nachteil auf, daß nur äußerst geringe Materialmengen abgetragen werden kön­ nen. Bei üblichen Laserleistungen von einigen Watt übertrifft die abgetragene Menge selten 1/10 Milli­ gramm, so daß eine hohe Anzahl von Laserpulsen notwen­ dig ist. Zudem ergeben sich immer die erwähnten nach­ teiligen Auswürfe in den Randbereichen der Bearbeitung.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfin­ dung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die ein schnelleres Auswuchten mit Hilfe von Laserstrahlung unter Vermeidung von Auswürfen am Einstich-, Ausstich- und Seitenbereich gestattet.

Diese Aufgabe wird für ein Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Einzelpulse des gepulsten Lasers unter Zuführung eines im wesentlichen Sauerstoff ent­ haltenden Prozeßgases den vorbestimmten Teilbereich des bewegten Werkstückes beaufschlagt, bis die physikali­ sche Ist-Größe innerhalb des vorgegebenen Toleranzbe­ reichs an den Sollwert angenähert ist, und daß an­ schließend eine vorbestimmte Anzahl von den besagten Einzelpulsen des Lasers unter Zuführung eines Reini­ gungsgases den zuvor beaufschlagten Materialabtragungs­ bereich beaufschlagen.

Die Verwendung des Prozeßgases Sauerstoff gestattet das Erreichen einer erhöhten Abtragrate, die anschließende Beaufschlagung des Werkstückes mit weiteren Laserpulsen unter einem Reinigungsgas, vorzugsweise einem Inertgas, z. B. Argon, schafft eine Reinigung der abgetragenen Oberfläche mit ihren seitlichen Kanten.

Für eine Vorrichtung ergibt sich die Lösung dadurch, daß mit einem gepulsten Laser ein gepulster, hochener­ getischer Laserstrahl erzeugbar ist, der mit einer Fokussiereinrichtung auf das bewegte Werkstück derart fokussierbar ist, daß die Taille des Laserstrahls in einem Bereich zwischen der beaufschlagten Werkstück­ oberfläche und einigen Millimetern oberhalb von dieser angeordnet ist, daß eine Leitungseinrichtung vorgesehen ist, mit der Prozeßgase in den Bereich der vom Laser­ strahl beaufschlagten Werkstückoberfläche einleitbar sind, daß eine Laser- und Bewegungssteuerung vorgesehen ist, mit der die gepulste Laserstrahlung in mit der Bewegung des Werkstückes synchronisierter Einstrahlung auf einen vorbestimmten Teilbereich des Werkstückes zeitlich und räumlich ausrichtbar ist, und daß minde­ stens eine Einrichtung zur zeitlichen und/oder örtli­ chen Änderung der Energiedichteverteilung des originä­ ren Laserpulses vorgesehen ist, mit der die Energie­ dichte eines Einzelpulses vergrößert werden kann.

Wenn der gepulste, hochenergetische Laserstrahl mit einer Fokussiereinrichtung auf das bewegte Werkstück derart fokussiert wird, daß der Fokus des Laserstrahls in einem Bereich zwischen der beaufschlagten Werkstück­ oberfläche und einigen Millimetern oberhalb oder unter­ halb von dieser angeordnet ist, wobei gleichzeitig ein Prozeßgas zugeführt wird, kann ein schneller Material­ abtrag mit hoher Bearbeitungsqualität erreicht werden, wenn mindestens eine Einrichtung zur zeitlichen und/oder örtlichen Änderung der Energiedichteverteilung des originären Laserpulses vorgesehen ist. Die Werkstück­ oberfläche wird dabei bei einer nachfolgenden Beauf­ schlagung des Werkstückes mit weiteren Laserpulsen unter einem Inertgas gesäubert, so daß innerhalb kurzer Zeit ein keine Auswürfe aufweisendes hochdrehendes Werkstück ausgewuchtet werden kann.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Nachstehend werden verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung bei­ spielhaft erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,

Fig. 2 ein Signal-Zeit-Diagramm zur Darstellung der Funktionsweise einer Vorrichtung nach Fig. 1,

Fig. 3 eine Darstellung eines mit der Vorrichtung nach Fig. 1 bearbeiteten rotierenden Werk­ stückes,

Fig. 4 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,

Fig. 5 eine Darstellung eines mit der Vorrichtung nach Fig. 4 bearbeiteten rotierenden Werk­ stückes, und

Fig. 6 eine Arbeitsstation für die gleichzeitige Bearbeitung mehrerer Werkstücke nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Die Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung zum Abtragen von Material eines sich drehen­ den Werkstückes mit Hilfe von Laserstrahlung.

Bei dem Laser 1 handelt es sich vorteilhafterweise um einen Festkörperlaser, vorzugsweise um einen Nd-YAG- Laser, dessen Herzstück ein Nd-YAG-Stab 2 ist. Es können aber auch Gaslaser eingesetzt werden, z. B. ein CO₂-Gaslaser.

Dieser Nd-YAG-Stab 2 ist von zwei Pump-Blitzlampen 3 umgeben, die durch gepulstes Pumpen für die entspre­ chende Besetzungsinversion der Energieniveaus innerhalb des Nd-YAG-Stabes 2 sorgen. Die Blitzlampen 3 und der Nd-YAG-Stab 2 sind Bestandteile der Oszillatorkavität 4, die zwischen einem Rückspiegel 5 und einem Auskop­ pelspiegel 6 eingeschlossen ist. Der Rückspiegel 5 und der Auskoppelspiegel 6 sind in einer für Laser 1 übli­ chen Weise zum Aufbau der Kavität 4 angeordnet, insbe­ sondere sind die Spiegel 5 und 6 in der für Nd-YAG- Laser 1 typischen und bekannten Weise teilverspiegelt, zur Ausbildung eines Resonators geeignet und entspre­ chend justiert. Innerhalb der Kavität 4 befindet sich desweiteren vorzugsweise eine Modenblende 7.

Die Blitzlampen werden von einer Leistungselektronik 8 derart angesteuert, daß der Nd-YAG-Laser 1 in einem Pulsbetrieb mit einer Frequenz zwischen vorzugsweise 1 und 500 Hertz arbeitet.

Hinter dem Rückspiegel 5 ist auf der Laserachse ein Helium-Neon-Laser 9 angeordnet, mit dem die Justage der Apparatur durchgeführt werden kann und mit dem die Fokuslage der nichtsichtbaren ND-Y-Laserstrahlung ein­ stellbar ist. Der aus dem Laser 1 heraustretende gepul­ ste Laserstrahl 10 durchquert einen Shutter oder Ab­ blendelement 11 und wird über eine Strahlaufweitung 12 und eine Strahlumlenkung 13 in eine Fokussieroptik 14 geleitet. Ein Teil der durch die Strahlumlenkung 13 hindurchtretenden Strahlung wird in einem Energiemesser 15 zur Auswertung der jeweiligen Pulsstärke verwandt.

Die sich im Laser 1 ergebende Pulsdauer eines einzigen Laserpulses liegt zwischen 60 und 10000 Mikrosekunden, wobei eine jeweilige Pulsleistung von bis zu 8 Kilowatt auftreten kann. In dem gepulsten Laser 1 ist weiterhin ein Güteschalter oder Q-Switch 16 angeordnet, bei dem es sich z. B. um einen akusto-optischen Modulator, einen elektro-optischen Modulator, eine Kerr-Zelle oder eine Pockels-Zelle handeln kann. Mit diesem Güteschalter 16 ist die Güte der Kavität 4 innerhalb eines Laserpulses so veränderbar, daß nur zu den Schaltzeiten des Güte- Schalters 16 eine Laseraktivität des Festkörperlasers 1 möglich ist. Zu den anderen Zeiten sind die durch den Güte-Schalter 16 verursachten Verluste zu groß. Der Güteschalter 16 wird vorteilhafterweise mit einer Frequenz zwischen 15 und 80 Kilohertz betrieben, so daß sich mehrere Q-Switch Laserpulse innerhalb eines einzi­ gen Lasergesamtpulses ausbilden.

Diese kurzen Laserpulse beaufschlagen über die Fo­ kussiereinrichtung 14 das sich drehende Werkstück 20. Bei der Fokussieroptik 14 handelt es sich dabei um eine im Verhältnis zu einer Linse z. B. eines Schneidlasers langbrennweitigen Linse im Bereich zwischen 80 und 500 Millimeter Brennweite, mit der der durch die Strahlauf­ weitung 12 aufgeweitete Strahl auf die Oberfläche 21 des Werkstückes 20 fokussiert werden kann. Dabei wird unter dem Begriff "fokussiert" verstanden, daß ein Laserfleck mit einem Durchmesser von z. B. 150 Mikrome­ ter erhalten wird. Der Durchmesser des Laserfleckes, der ebenfalls über die Tiefe des Abtrags entscheidet kann insbesondere zwischen 40 und 250 Mikrometern liegen. Koaxial zur Lichtausbreitung des fokussierten Laserstrahls 22 verlaufen in der schematischen Darstel­ lung der Fig. 1 nicht dargestellte Zuführungsrohre des Prozeßgases in den Bereich des Laserfleckes 21. Die Rohre verlaufen dabei im wesentlichen konvergent symme­ trisch zur Achse des Laserstrahls 22 und enden vor­ teilhafterweise in einer Höhe zwischen 0,5 und 2 Milli­ meter oberhalb der zu bearbeitenden Werkstückoberfläche 21.

Ein Puls des Festkörperlasers 1, der wie schon erwähnt in mehrere (Güte)-Pulse unterteilt ist, erreicht eine Gesamtenergie von zum Beispiel 1 Joule. Diese Energie reicht in den meisten Fällen bei weitem nicht aus, um den gewünschten zum Auswuchten notwendigen Materialab­ trag zu erhalten. Daher ist es notwendig, daß eine Serie von Pulsen die Werkstoffoberfläche 21 an defi­ niert vorbestimmten Punkten beaufschlagt. Dies wird dadurch erreicht, daß die jeweilige Position des sich drehenden Werkstückes 20 über einen Meßwertaufnehmer aufgenommen und an eine Rechnersteuerung 25 übermittelt wird.

Aus der Fig. 2 geht nun das Schaltverhalten der Rech­ nersteuerung 25 hervor. Die Fig. 2 zeigt entlang einer Zeitachse 22 vier verschiedene Signale, bei denen es sich um ein Lasersynchronisationssignal 31, um ein Lasersynchronisations-Rückmeldungssignal 32, um eine Darstellung des Laserpulses 33 sowie um eine Darstel­ lung der durch den Güteschalter 16 erhaltenen Laserpul­ se 40 (Riesenpulse) handelt. In der Rechnersteuerung 25 ist abgelegt, mit welcher Verzögerung der Laserpuls 33 nach Ansprechen der Leistungssteuerung 8 auftritt.

Der Laserpuls 33 beginnt zum Zeitpunkt 35. In der Rechnersteuerung 25 ist niedergelegt, daß in Abhängig­ keit von dem verwendeten gepulsten Laser 1 dementspre­ chend zeitlich früher ein Lasersynchronisationssignal 31 in einem Zeitabstand 36 abgegeben werden muß, um einen Puls 33 in Synchronisation mit der Bewegung des Werkstückes 20 zu erzeugen. Dieser zeitliche Abstand kann zum Beispiel 1,5 Millisekunden betragen. Zum Beispiel 0,15 Millisekunden vor Auftreten des Laserpul­ ses - hier mit dem Bezugszeichen 37 gekennzeichnet - meldet das Lasersynchronisations-Ausgangssignal 32 den unmittelbar bevorstehenden Laserpuls, der zum Zeitpunkt 35 beginnt und eine zeitliche Länge zwischen zum Bei­ spiel 60 Mikrosekunden und 10 Millisekunden haben kann. Innerhalb des Laserpulses 33 wird nun der Güteschalter 16 mit der vorbestimmten zwischen 15 und 80 Kilohertz liegenden Frequenz geschaltet, so daß sich während eines einzelnen Pulses 33 eine Vielzahl von Q-Switch- Pulsen 40 ergeben. Diese Q-Switch-Pulse 40 haben alle eine Länge zwischen 10 und 500 Nanosekunden. Diese vorbestimmte Länge ist von der Art des Güteschalters 16 sowie dem Aufbau der Kavität 4 abhängig. Sie kann auch mit dem sogenannten Mode-Locking bei entsprechender Auslegung des Resonators und des akusto-optischen bzw. des elektro-optischen Modulators erreicht werden, wobei dann noch kürzere Laserpulse möglich sind.

In dieser kurzen Zeitdauer der Güteschalt-Pulse 40 wird die Gesamtpulsenergie von 1 Joule mit nur geringen Verlusten auf die Pulse 40 verteilt. Die Anzahl der Pulse 40 kann zwischen 10 und mehreren 100 innerhalb eines Laserpulses 33 betragen. Dementsprechend kann sich damit die Impulsenergie bis auf die genannten geringen Verluste auf diese Gütepulse 40 verteilen, die so jeweils eine Pulsleistung von bis zu 1 Megawatt annehmen können. Dabei kann die Leistung der einzelnen Pulse 40, je nach Größe der Besetzungsinversion und wie in der Fig. 2 dargestellt, unterschiedlich groß sein.

Die Fig. 3 zeigt nun ein mit der Vorrichtung nach Fig. 1 beaufschlagtes Werkstück.

Das rotierende Werkstück 20 dreht sich in einer durch den Pfeil angedeuteten Richtung 42 mit einer Drehzahl von zum Beispiel 9100 Umdrehungen pro Minute. Die radiale Achse 43 entspricht der Einfallachse des Laser­ strahls 22 und ist zugleich Symmetrieachse der den Laserstrahl 22 begleitenden Prozeßgaszufuhr. Der Laser­ strahl 22 ist dabei so fokussiert, daß der Fokusfleck 46 z. B. 3 Millimeter oberhalb der Werkstückoberfläche 21 liegt. Durch die zum Beispiel 100 Gütepulse in der vorgegebenen Gesamtpulsdauer des Lasers 1 wird ein Be­ reich einer Breite 46 von zum Beispiel 9,5 Millimeter beaufschlagt. Bei dem in der Fig. 3 dargestellten Werkstück wird mit Pulsdauern 38 von einer Millisekunde gearbeitet, wobei mit dem Güteschalter 16 Q-Switch- Pulse 40 von 120 Nanosekunden Länge mit einer Wieder­ holfrequenz von 80 Kilohertz erzeugt werden. Die dabei in das Werkstück eingeleitete Pulsgesamtenergie beträgt jeweils ungefähr 2 Joule. Mit einer 125-Millimeter- Linse wird der Fokusfleck 44 in einem Abstand von 3 Millimeter oberhalb der Oberfläche 21 angeordnet, wobei die das Prozeßgas heranführenden Düsen bis in einen Abstand von 1 Millimeter über die Oberfläche 21 ragen.

Die Pulsfrequenz des Lasers 1 beträgt ungefähr 30 Hertz, so daß bei der vorgegebenen Drehzahl 42 ein Puls bei jeder vierten Umdrehung die Oberfläche 21 trifft. Zur Erzeugung der gewünschten flächigen Abtragung bei dem in der Fig. 3 dargestellten Werkstück wird das Werkstück 20 längs seiner Drehachse 50 relativ zum Laserstrahl 1 verfahren. Die indexierten Verfahrinkre­ mente betragen dabei jeweils 4 Mikrometer bei einer Radialgeschwindigkeit von 100 Mikrometer pro Sekunde. Dabei wird während der gesamten Bearbeitung eine 2 Millimeter breite Spur 51 viermal abgefahren.

Zur Vermeidung der lasertypischen Anfangspulsüberhö­ hung, die zu einer Gratbildung im Einstichbereich führen könnte, werden die ersten Laserpulse 33, bei­ spielsweise 50 Pulse, zu Beginn des Bearbeitungsvorgan­ ges bei noch geschlossenem Shutter 11 ausgelöst.

Die Oberfläche 21 des Werkstückes 20 wird zuerst mit 2000 Pulsen unter dem Prozeßgas Sauerstoff beauf­ schlagt, welches zum Beispiel mit einem Druck von 3,5 Bar aus den Düsen herausströmt. Anschließend beauf­ schlagen weitere 1000 Pulse das Werkstück 20, wobei das Prozeßgas Argon und ein Druck von 5 Bar verwendet werden. Aus dem genannten Zahlenbeispiel ergibt sich eine Bearbeitungsdauer von 90 Sekunden. Der sich dabei ergebende flächige Materialabtrag beträgt ca. 48 mg. Er weist eine Tiefe 52 von 0,3 Millimeter auf, wobei die Länge von 9,5 Millimeter durch die Pulslänge 33 des Lasers 1 vorbestimmt ist.

Durch das Beaufschlagen mit einem 3 Millimeter oberhalb der Oberfläche 21 fokussierten Laserstrahl 22 vergrö­ ßert sich der auf der Oberfläche auftreffende Laser­ fleck bei einem Abtrag des Materials, so daß sich in einer durch die Fokussierung und die Laserstrahlstärke vorgegebenen Tiefe eine im wesentlichen flache Oberflä­ che 60 ausbildet. Der Einstichbereich 61, der Ausstich­ bereich 62 sowie die Randbereiche 63 sind glatt, wobei sich auf der Oberfläche 21 in allen Bereichen 64 keine Auswürfe bilden. Nach den abtragintensiven 2000 Pulsen unter der Sauerstoffatmosphäre reinigen die nachfolgen­ den 1000 Pulse unter Argon die bereits bestehende Form mit den Flächen 60, 61, 62 und 63 von unter Umständen entstandenen verbrannten und oxidierten Metallnieder­ schlag sowie von eventuell sonstigen, lose anhaftenden Auswürfen.

Die Ränder des Abtrags sind dabei leicht in einer sich zum Boden verjüngenden Weise geneigt, da bei einem längs der Achse 50 vorgeschobenen Laserfleck 44 dieser an den Randbereichen nur eine geringe Anzahl von Laser­ pulsen 33 verbleibt, da der z. B. 100 Mikrometer aufwei­ sende Laserfleck jeweils um 4 Mikrometer seitlich verschoben wird, so daß das in der Mitte der Fläche erhaltende 25malige überstreichen der Werkstückober­ fläche 21 an den Rändern auf einige wenige Male redu­ ziert ist.

Anstelle des Beaufschlagens der Oberfläche 21 mit einem oberhalb derselben fokussierten Laserstrahls 22 kann der Fokus auch unterhalb der Oberfläche 21 angeordnet sein. Dies kann insbesondere bei kleineren Laserlei­ stungen vorteilhaft sein, da sich dann bei einem Abtrag des Materials der auf die Oberfläche auftreffende Laserfleck verkleinert, so daß der um die Abbildung des Fokusfleckes herum hohe Abtrag beidseitig der Fokusebe­ ne ausgenutzt werden kann.

Die Fig. 4 stellt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung dar, bei dem sämtliche Merkmale, wie sie in den Vorrichtungen gemäß den anderen Ausführungsbeispie­ len auftreten, mit den gleichen Bezugszeichen bezeich­ net werden. Das Herz des Festkörperlasers 1 wird wieder aus dem Nd-YAG-Stab 2 und den Blitzlampen 3 gebildet, die zwischen dem Rückspiegel 5 und dem Auskoppelspiegel 6 angeordnet sind. Weiter ist die Modenblende 7 sowie der Justierlaser 9 vorgesehen. Der aus dem Laser aus­ tretende gepulste Laserstrahl 10 wird über eine Umlenk­ vorrichtung 73 in einen Lichtwellenleiter 74 fokus­ siert. Die dazu notwendige Fokussieroptik ist in der Fig. 4 nicht dargestellt.

Bei dem Lichtwellenleiter 74 handelt es sich um einen Multimode-Lichtwellenleiter auf Silizium-Basis, der vorzugsweise einen Kerndurchmesser zwischen 500 und 1000 Mikrometer aufweist. Der durch diesen ungefähr 5 in langen Lichtwellenleiter hindurchgeleitete Laserstrahl trifft in einer plateauartigen durch den Lichtwellen­ leiter als Einrichtung zur Änderung der örtlichen Energiedichteverteilung des originären Laserstrahls bewirkten Energieverdichtung nach einer in der Fig. nicht dargestellten Abbildungsoptik analog der Fokus­ sieroptik 14 zusammen mit dem aus den Prozeßgasdüsen ausströmenden Gas auf das Werkstück 20. Bei einer Pulsdauer von zum Beispiel 900 Mikrosekunden gibt der Festkörperlaser 1 eine Pulsenergie von 1,8 Joule ab. Um diese zu erhöhen, oder falls der Festkörperlaser 1 diese Energie nicht bereitstellen kann, ist es möglich, hinter dem Auskoppelspiegel 6 eine Verstärkerkavität mit einem weiteren von Blitzlampen umgebenen Nd-YAG- Stab anzuordnen.

Die Steuerung des Lasers geschieht wiederum über eine Rechnersteuerung 25, die mit der Leistungselektronik 8 derart gekoppelt ist, daß der Laserstrahl die Oberflä­ che immer im gleichen Teilbereich trifft. Ein mit einer von der Vorrichtung nach Fig. 4 erzeugten Laserstrah­ lung beaufschlagtes Werkstück 20 ist in der Fig. 5 dargestellt, bei der gleiche Merkmale mit den gleichen Bezugszeichen wie in der Fig. 3 bezeichnet sind.

Bei dem in der Fig. 5 dargestellten Abtrag wird das Werkstück 20 mit zum Beispiel 8300 Umdrehungen pro Minute gedreht und ein Laserpuls von 900 Mikrosekunden Länge und einer Energie von 1,8 Joule durch eine 5 Meter lange 600-Mikrometer-Siliziumfaser 74 geleitet. Die Länge und Beschaffenheit der Siliziumfaser 74 muß ausreichend sein, um die plateauartige Energieverdich­ tung zu bewirken, sollte aber nicht zu lang sein, um die in ihr auftretende Absorption gering zu halten. Bei dem Lichtwellenleiter 74 handelt es sich um eine Multi­ modefaser, die wie im beschriebenen Ausführungsbeispiel eine reine Siliziumfaser sein kann. Es kann sich aber auch um einen dotierten Lichtwellenleiter handeln. Der aus der Faser 74 heraustretende Strahl wird über eine Linse von 125 Millimeter Brennweite direkt auf die Oberfläche 21 fokussiert, wobei der Düsenabstand wie­ derum 1 Millimeter von der Oberfläche 21 beträgt.

Nun werden 500 Pulse unter Sauerstoffbeaufschlagung der Oberfläche abgegeben, wobei sich bei der vorgegebenen Wiederholfrequenz innerhalb von 15 Sekunden ein Materi­ alabtrag von 14 Milligramm ergibt, der eine 7,7 Milli­ meter lange V-förmige Spur 70 erzeugt. Dabei ist für die entstehende Form der Spur 70 von Vorteil, daß während des Abtragens der Spur 70 sich der auf die Oberfläche 21 fokussierte Lichtfleck 44 im Material des Werkstückes 20 aufweitet, so daß keine lokalen Überhitzungen stattfinden können. Mit einer Vorrichtung nach Fig. 4 könnten dann zum Beispiel mehrere Spuren 70 nebeneinandergesetzt werden, um den benötigten Materi­ alabtrag zu erhalten. Es ist natürlich auch möglich, mit der Vorrichtung nach Fig. 4 einen flächigen Abtrag nach Fig. 3 zu erhalten und mit der Vorrichtung nach Fig. 1 einen V-förmigen Spurabtrag nach Fig. 5, je nach Einsatz einer Vorrichtung zur Verschiebung entlang der Achse 50.

Im Nachgang zu der mit dem Prozeßgas Sauerstoff durch­ geführten Bearbeitung des Werkstückes 20 wird die Oberfläche der Spur 70 durch eine nachgeschaltete Beaufschlagung der Spur 70 mit weiteren Laserpulsen unter einem Inertgas, z. B. Argon oder Stickstoff, behandelt und gesäubert.

Bei einem industriellen Einsatz dieses Lasersystems werden vorzugsweise mehrere Bearbeitungsstationen 81, 82 mit einem und demselben Laser 1 bedient, wie es in der Fig. 6 dargestellt ist. Die Merkmale dieser Vor­ richtung weisen die gleichen Bezugszeichen auf wie die Vorrichtungen nach Fig. 1 und Fig. 4.

Die Bearbeitungsstation 82 verfügt über eine Werkbank mit einer Fokussieroptik 14, bei der der mit dem Q- Switch 16 erzeugten Laserpulse 40 analog der Vorrich­ tung von Fig. 1 ein hochgenaues Auswuchten des Werk­ stückes 20 gestatten. Gleichzeitig oder alternativ wird mit einem oder mehreren Teilauskoppelspiegeln 85 ein Teil der Energie auf einen oder mehrere Lichtwellenlei­ ter 74 geleitet, mit dem ein in seiner Energiedichte modifizierter Strahl, der zudem mit dem Güteschalter 16 gepulst ist, auf die Oberfläche des Werkstückes 20 an der Bearbeitungsstation 81 geleitet. In dem in der Fig. 6 dargestellten Fall wird dabei die Rechnersteuerung 25 derart eingesetzt, daß die Synchronisation der sich drehenden Werkstücke 20 auf den von dem Laser abgegebe­ nen Puls eingestellt wird, so daß die zu beaufschlagen­ de Oberfläche 21 an jeder Arbeitsstation synchron zueinander verläuft.

Der Vorteil der gleichzeitigen Pulsüberhöhung mit Hilfe des Güteschalters 16 und einem Einsatz mehrerer Licht­ wellenleiter 74 liegt auch darin, daß die maximale auf den Kern eines Lichtwellenleiters 74 auftreffende Lei­ stung durch Strahlteilung kleiner als die Leistung gehalten werden kann, bei der eine Schädigung des Lichtwellenleiters 74 eintritt.

Das mit den vorstehenden Vorrichtungen ausführbare vorteilhafte Verfahren besteht darin, daß ein zu bear­ beitendes Werkstück 20 mit einem Prozeßgas, welches im wesentlichen Sauerstoff enthält, beaufschlagt wird, während eine Vielzahl von Laserpulsen 33, 40 auf die Oberfläche 21 geleitet wird. Dabei wird in Echtzeit die nach jedem Puls verbleibende Unwucht gemessen und bei Erreichen und Unterschreiten der Toleranzgrenze für die Unwucht das Prozeßgas auf das die Oberfläche reinigende Inertgas, zum Beispiel Argon, umgeschaltet und eine weitere, dann vorbestimmte Anzahl von Laserpulsen nach­ geschaltet, die nur wenig Material abtragen, dagegen aber in der oben beschriebenen Weise die Oberfläche reinigen.

Bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung zur Erzeugung eines flächigen Abtrages wird wäh­ rend der Beaufschlagung durch die Laserpulse eine seitliche, entlang der Drehachse 50 des Werkstückes 20 gerichtete Verschiebung durchgeführt, deren Frequenz klein gegen die Drehzahl des Werkstückes 20 ist. Es kann sich dabei um eine indexierte oder um eine konti­ nuierliche Bewegung handeln, die nur einmal oder eine geringe Anzahl von Oszillationen, zum Beispiel 3 bis 8 Mal, abhängig von dem geforderten Masseabtrag, durchge­ führt wird.

Dabei ist bei dem Einsatz des Güteschalters 16 darauf zu achten, daß die innerhalb eines Laserpulses 33 auftretenden Q-Switch-Pulse 40 eine Leistungsüberhöhung von vorteilhafterweise größer als 20 gegenüber dem einzelnen Puls 33 haben. Dies bedeutet, daß eine Viel­ zahl von Q-Switch-Pulsen 38 innerhalb eines Laserpulses 33 ausgebildet sein müssen, was durch eine geeignete Wahl der Verhältnis von Pulsdauer 38 und Frequenz des Güteschalters 16 erreicht werden kann.

Mit dem hier vorgestellten System ist es möglich in kleineren Bearbeitungszeiten einen ausreichenden Mate­ rialabtrag zu erhalten, so daß ein Auswuchten des Werkstückes in Echtzeit-Überprüfung des Ergebnisses innerhalb von wenigen Minuten durchführbar ist. Insbe­ sondere ist mit dem hier vorgestellten Verfahren ge­ währleistet, daß keine Grate und keine Auswürfe im Ein­ stich-, Ausstich- und Seitenbereich der ausgehobenen Nuten und Flächen auftreten. Zudem ist es möglich, einen flächigen Abtrag mit einer definierten flachen unteren Bodenfläche 60 zu erzeugen.

Die vorgestellten Verfahren und Vorrichtungen lassen sich natürlich auch auf andere technische Laseranwen­ dungen übertragen, bei den ein kontrollierter Material­ abtrag an sich bewegenden Werkstücken 20 gewünscht ist. Insbesondere wird ein Materialabtrag an Werkstücken 20 ermöglicht, die aus zwei verschiedenen Materialien bestehen, z. B. aus Keramik und aus Stahl. Der Durchmes­ ser der hier beispielhaft im Zusammenhang mit den Fig. 3 und Fig. 5 bearbeiteten Werkstücke liegt im Bereich von 20 Millimetern. Aber es sind auch erheblich kleine Strukturen bearbeitbar.

Claims (18)

1. Verfahren zum Materialabtrag an einem bewegten Werkstück, bei dem ein gepulster, hochenergetischer, im wesentlichen fokussierter Laserstrahl einen vorbestimm­ ten Teilbereich des bewegten Werkstückes in mit der Bewegung des Werkstückes synchronisierter Einstrahlung beaufschlagt, wobei in Echtzeit die jeweilige Abwei­ chung einer physikalischen Ist-Größe des Werkstückes von ihrem Sollwert erfaßt wird und der Laserstrahl in aufeinanderfolgenden Schritten auf den Teilbereich des Werkstückes einwirkt, bis die physikalische Ist-Größe innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs an den Sollwert angenähert ist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Einzelpulse des gepulsten Lasers unter Zuführung eines im wesentlichen Sauerstoff ent­ haltenden Prozeßgases den vorbestimmten Teilbereich des bewegten Werkstückes beaufschlagt, bis die physika­ lische Ist-Größe innerhalb des vorgegebenen Toleranzbe­ reichs an den Sollwert angenähert ist, und daß an­ schließend eine vorbestimmte Anzahl von den besagten Einzelpulsen des Lasers unter Zuführung eines Reini­ gungsgases den zuvor beaufschlagten Materialabtragungs­ bereich beaufschlagen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß während der Beaufschlagung unter beiden Pro­ zeßgasen eine längs der Achse der Drehbewegung ausge­ richtete langsame Verschiebung des Fokusfleckes vorge­ sehen ist, so daß in Verbindung mit dem in Drehrichtung abtragenden Laserstrahl ein flächenhafter Abtrag be­ wirkt wird.

3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Reinigungsgas ein Inertgas ist.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die besagten Gase mit einem Druck zwischen 2 und 10 bar das Werkstück im wesentli­ chen parallel zur Einfallachse des Laserstrahls beauf­ schlagen.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Fokusfleck des auf das Werkstück fokussierten Laserstrahls seine Strahltaille in einem Bereich zwischen der Werkstückoberfläche selbst und bis zu 5 Millimetern darüber aufweist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß der Fokusfleck des auf das Werkstück fokussierten Laserstrahls seine Strahltaille in einem Bereich zwischen der Werkstückoberfläche selbst und bis zu 3 Millimetern darunter aufweist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß während des Sauerstoff als Prozeßgas umfassen­ den Abtragschrittes der Abstand des Fokusfleckes von dem Werkstück nachgeführt wird, um einen größeren und konstanten Abtrag pro Zeiteinheit zu erreichen.

8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung der laserty­ pischen Anfangspulsüberhöhung die anfänglichen 20 bis 80 Laserpulse zu Beginn des Bearbeitungsvorganges bei einem noch geschlossenem Abblendelement ausgelöst werden.

9. Vorrichtung zum Materialabtrag an einem bewegten Werkstück gemäß einem Verfahren nach einem der vorste­ henden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mit einem gepulsten Laser (1) ein gepulster, hochenergetischer Laserstrahl (22) erzeugbar ist, der mit einer Fokussiereinrichtung (14) auf das bewegte Werkstück (20) derart fokussierbar ist, daß die Taille (43) des Laserstrahls in einem Bereich zwischen der beaufschlagten Werkstückoberfläche und einigen Millimetern oberhalb von dieser angeordnet ist, daß eine Leitungseinrichtung vorgesehen ist, mit der Pro­ zeßgase in den Bereich der vom Laserstrahl beauf­ schlagten Werkstückoberfläche einleitbar sind, daß eine Laser- und Bewegungssteuerung (8, 25) vorgesehen ist, mit der die gepulste Laserstrahlung (22) in mit der Bewegung des Werkstückes (20) synchronisierter Ein­ strahlung auf einen vorbestimmten Teilbereich (21) des Werkstückes (20) zeitlich und räumlich ausrichtbar ist, und daß mindestens eine Einrichtung (16, 74) zur zeit­ lichen und/oder örtlichen Änderung der Energiedichte­ verteilung des originären Laserpulses vorgesehen ist, mit der die Energiedichte eines Einzelpulses (33, 40) vergrößert werden kann.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich­ net, daß ein Güteschalter (16) zur zeitlichen Energie­ dichteänderung innerhalb der Laserkavität (4) vorge­ sehen ist, mit dem zeitlich innerhalb jedes einzelnen Laserpulses (33) des gepulsten Lasers (1) eine Vielzahl von Energie-überhöhten Gütepulsen (40) erzeugbar sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Güteschalter (16) ein elektro-opti­ scher Modulator ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Güteschalter (16) ein akusto-opti­ scher Modulator ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Güteschalter (16) eine Kerrzelle ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß zur örtlichen Energiedich­ teänderung das aus dem Laser (1) austretende Laserlicht das Werkstück (20) über einen Multimode-Lichtwellenlei­ ter (74) mit einem großen Kerndurchmesser beaufschlagt.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussieroptik (14) eine langbrennweitige Linse mit einer Brennweite von größer als 60 Millimeter umfaßt.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß dies Prozeßgase aus einem im wesentlichen koaxial zum einfallenden Laserstrahl ausgerichteten Zuleitungssystem strömen, das in einem Abstand von 0,5 bis 3 Millimeter oberhalb des Werkstük­ kes (20) endet.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der gepulste Laser (1) ein Neodym-YAG-Festkörperlaser ist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der gepulste Laser (1) ein CO₂-Gaslaser ist.