DE4301575C2 - Verfahren zum Schneiden von Draht- oder Bandmaterial mit Laserstrahlung und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schneiden von Draht- oder Bandmaterial mit Laserstrahlung sowie eine Vorrichtung zum Schneiden von Draht- oder Bandmaterial mit Laserstrahlung, bei der ein Zylinder vorgesehen ist, über den das Draht- oder Bandmaterial geführt wird, und bei der eine Laserfokussiereinheit vorgesehen ist, die optische Elemente zur Führung und zur Fokussierung der Laserstrahlung aufweist. Ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung finden Anwendung bei der Herstellung und Verarbeitung von Drähten und Bändern verschiedener Zusammensetzung und Geometrie. Dabei sind je nach Dicke des Endmaterials sehr hohe Verarbeitungsgeschwindigkeiten von bis zu 100 m/s und mehr zu berücksichtigen.

Stand der Technik

Bei der Herstellung von Drähten und Bändern kommt es aus wirtschaftlichen Gründen darauf an, den Produktions­ prozeß möglichst nicht zu stoppen bzw. zu verlangsa­ men. Zur Überprüfung der Draht- bzw. Bandqualität ist es jedoch notwendig, während des Produktionsprozesses Proben aus dem durchlaufenden Draht oder Band zu ent­ nehmen. Weiterhin ist für eine Konfektionierung des Drahtes oder Bandes entsprechend einer vorgegebenen Länge das Material zu schneiden, um das folgende Stück einer neuen Rolle zuzuführen. Dabei werden je nach Dicke des Endmaterials sehr hohe Verarbeitungsgeschwin­ digkeiten von bis zu 100 m/s und mehr erreicht. Daher muß das Trennen des Drahtes bzw. Bandes bei Bandge­ schwindigkeiten von 10 m/s bis 100 m/s quer zur Durch­ laufrichtung erfolgen.

Im Stand der Technik sind zur Zeit überwiegend mechani­ sche Schneidvorrichtungen bekannt, die jedoch nur Draht- und Bandgeschwindigkeiten bis etwa 7 m/s ein­ setzbar sind. Aus diesem Grund muß für einen Schneidvorgang die gesamte Produktionslinie jeweils abgebremst werden, was einen Zeitverlust und somit erhöhte Produktionskosten bedeutet.

In der DE-OS 33 34 380 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung offenbart, bei dem Drahtmaterial mittels energiereicher Strahlen, vorzugsweise Laserstrahlung, geschnitten wird und bei dem der zu schneidende Draht während des Schneidvorgangs nicht angehalten wird. Dieses Verfahren bezieht sich speziell auf das Schnei­ den von dünnen Metalldrähten, da das bevorzugte Anwen­ dungsgebiet dieser Erfindung das Schneiden von Wendel­ draht für Glühlampenwendel ist. Die offenbarte Vorrich­ tung ist speziell für diese extrem dünnen Drähte ausge­ bildet und weist hierzu speziell ausgebildete Grob- und Feinführungen sowie Halteelemente auf. Angaben über die Vorschubgeschwindigkeit des Drahtes sind dieser Druck­ schrift nicht zu entnehmen. Ferner ist diese Vorrich­ tung nicht geeignet für das Schneiden dickerer Drähte oder gar für Bandmaterial, insbesondere wenn eine Relativbewegung von Laserfokus und Drahtmaterial erfor­ derlich ist.

In der DE-OS 41 22 273 A1 ist hingegen eine Vorrich­ tung offenbart, mit der ein sich fortbewegender Streifen transversal geschnitten werden kann. Dabei ist ein Schneidaggregat vorgesehen, das eine rotierende Laser­ fokussiereinheit aufweist, die zwei sich gegenüberlie­ gende Foki erzeugt, die eine Kreisbahn beschreiben, deren Radius durch die Position der Fokussierlinse und deren Brennweite vorgegeben ist. Unterhalb des Schneidaggregats ist eine Trommel angeordnet, über die der zu schneidende Streifen bewegt und mit einer Saug­ einrichtung fixiert wird. Das Schneidaggregat und die Trommel sind so zueinander angeordnet, daß - vergleich­ bar mit einer Kreissäge, die eine Platte schneidet - im Schneidbereich die Tangentialebene des über die Walze bewegten Streifens mit der Ebene der Kreisbahn einen rechten Winkel bildet und gleichzeitig die Kreisbahn in die Tangentialebene eintaucht.

Damit ein Schnitt erzeugt wird, der orthogonal zum Rand des Streifens verläuft, muß die Drehachse der Trommel mit der Normalen der Kreisbahnebene einen von 90° abweichenden Winkel einschließen, dessen Betrag u. a. von der Breite des Streifens und den Rotationsfre­ quenzen der Laserfokussiereinheit und der Trommel abhängt.

Diese bekannte Vorrichtung hat den Hauptnachteil, daß der Laserfokus nur an zwei Punkten der Schnittstelle seine maximale Energiedichte hat, während die übrigen Bereiche der Schnittstelle, je nach Radius der Kreis­ bahn des Laserfokus mehr oder weniger weit außerhalb der Brennweite liegen. Daher muß zum einen die Laser­ leistung höher eingestellt werden als sie für einen Schnitt im Fokus ausreichend ist, und zum anderen variiert die Schnittbreite eines Schnittes entsprechend der Breite des Laserflecks auf dem Streifen. Darüber­ hinaus eignet sich diese bekannte Vorrichtung nicht für hohe Geschwindigkeiten des zu schneidenden Bandmateri­ als, da dann das Band innerhalb der Schneidzeit einen relativ großen Weg auf der Trommel zurücklegt, so daß die Trommel gegenüber der Kreisbahn der Foki noch mehr verkippt werden muß und damit der Schnittfleck der Laserstrahlung noch weiter außerhalb der Brennweite liegt.

Aus der US 4,302,654 geht eine Perforiervorrichtung von vorzugsweise Zigarettenpapier hervor, das über Hohlzylinderrollenpaare geführt wird, deren Mantelflächen Öffnungsschlitze aufweisen, durch die von der Innenseite der Hohlzylinder ein Laserstrahl auf die Zigarettenpapiere gerichtet ist. Durch das leicht entzündliche Zigarettenpapier werden die kurzzeitig mit Laserlicht beaufschlagten Stellen des Zigarettenpapiers vollständig abgetragen. Bereits bei weniger leicht entzündlichen, zu perforierenden Materialen ist es notwendig die Relativgeschwindigkeit, mit der sich das bandförmige Material relativ zum ortsfest eingestellten Laserstrahl bewegt, erheblich zu verlangsamen, wodurch sich aber die Herstellungszeiten verlängern und die damit verbundenen Kosten steigen.

Eine der vorgenannten Anordnung sehr ähnliche Vor­ richtung zur Perforation von bandförmigen Materialien ist aus der GB 2 118 882 bekannt. Hier wird das Bandmaterial ohne Schlupf über wenigstens eine Öffnung in einer Mantelfläche eines um seine Achse rotierenden Hohlzylinders geführt und von einer im Inneren des Hohlzylinders angeordneten Laserstrahlfokussiereinheit mit einer kontinuierlichen oder gepulsten Laserstrahlung beaufschlagt.

Aus der US 37 57 077 geht eine Vorrichtung zum Schneiden von textilartigen Bandmaterialien hervor, bei der ein Laserstrahl ortsfest und ohne Eigenbewegung bezüglich des abzulängenden und bewegten Materials positioniert wird. Ein ähnlicher Aufbau geht aus der DE-OS 14 61 216 hervor, der zusätzlich zur Fokussierung der Laserstrahlung eine Zylinderlinse vorsieht.

Ferner wird in der DE 23 35 565 C2 ein Verfahren und eine Vorrichtung beschrieben, die einen in einem Hohlzylinder axial und rotatorisch beweglichen Laserfokussierkopf aufweist. Mit dieser Vorrichtung werden fest stehende Hohlzylinder von innen mit Laserlicht beaufschlagt, so daß von diesen Hülsenteile abgetrennt werden können.

Darstellung der Erfindung

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem die zuvorgenannten Nachteile vermieden werden, und das sowohl für Draht- als auch für Bandmaterial geeignet ist. Ferner hat die Erfindung zur Aufgabe ein Verfahren anzugeben, das zwar auch für langsame Verarbeitungsgeschwindigkeiten ein­ setzbar ist, aber besonders für hohe Bandgeschwindig­ keiten und hohe Verarbeitungsgeschwindigkeiten bis 100 m/s und mehr geeignet ist und somit eine schnellere und damit wirtschaftlichere Konfektionierung von Draht- oder Bandmaterial als bisher ermöglicht.

Schließlich liegt der Erfindung das Problem zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben, mit der das Grundprinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens durchgeführt werden kann, sowie Vorrichtungen anzugeben, mit denen die verschiedenen Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens entsprechend den jeweiligen Schneidbedingungen wie z. B. Materialstärke, -zusam­ mensetzung, -form, vorgegebene Schnittlänge, gewünschte Schnittgeschwindigkeit, o. ä. durchgeführt werden kön­ nen.

Eine erfindungsgemäße Lösung ist für das Verfahren im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 und für die Vor­ richtung im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 18 angegeben. Weitere Ausgestaltungen und Weiterentwick­ lungen für die verschiedenen Anwendungsgebiete sind in den Unteransprüchen 2 bis 18 und 20 bis 40 angegeben.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schneiden von Draht- oder Bandmaterial mit Laserstrahlung, mit einem Hohlzylinder, über dem das Draht- oder Bandmaterial geführt wird und dessen Zylindermantelfläche mindestens eine Öffnung auf­ weist, über die das Draht- oder Bandmaterial geführt wird, und mit einer im Innern des Hohlzylinders angeordneten Laserfokussiereinheit, die optische Elemente zur Führung und Fokussierung der Laserstrahlung aufweist und die Laserstrahlung radial nach außen in Richtung der Zylinderfläche auf eine der Öffnungen richtet, derart ausgebildet, daß die Laserfokussiereinheit zumindest während der für das Schneiden des Draht- und Bandmaterials benötigten Zeitspanne eine Rotation um die Zylinderlängsachse ausführt, so daß in Vor­ schubrichtung des Draht- und Bandmaterials keine Re­ lativbewegung zwischen diesem und der Laserfokussiereinrichtung auftritt.

So es ist bei nicht zu hohen Verarbeitungsgeschwindig­ keiten und geringer Materialstärke ausreichend, wenn das zu schneidende Draht- oder Bandmaterial nur in einem Kreisbogen mit einem Zentriwinkel von 90° über dem Hohlzylinder liegt. Dabei ist es u. U. auch ausre­ ichend, wenn der Hohlzylinder nicht mitrotiert, wenngleich die Führung des Draht- oder Bandmaterials ohne Schlupf über den rotierenden Hohlzylinder eine leichtere Führung mit geringerer Zugkraft erlaubt. Je nach Stärke und Breite des zu schneidenden Draht- und Bandmaterials findet das erfindungsgemäße Verfahren in unterschiedlich ausgestalteter Weise Anwendung.

So es ist bei relativ dünnen Drähten und schmalen Bändern ausreichend, wenn die Laserfokussiereinheit an einer geeigneten Stelle im Hohlzylinder positioniert und aus dieser Position heraus die Schnittstelle mit der Laserstrahlung beaufschlagt wird, wobei bei ent­ sprechend geringer Materialstärke ein Puls geeigneter Pulsdauer und Pulsstärke ausreichend ist, während bei dickerem und/oder breiterem Material die Schnittstelle während der Schnittdauer eine zu große Positionsänderung erfährt, so daß der Laserfokus nachgeführt werden muß.

Demgegenüber ist es bei dickeren Drähten und breiten Bändern erforderlich, daß die Laserfokussiereinheit neben der Rotation auch eine Bewegung ausführt, die im wesentlichen senkrecht zur Bewegung des Draht- oder Bandmaterials verläuft. In der Regel ist es dabei ausreichend, wenn die Laserfokussiereinheit parallel zur Zylinderachse verschoben wird. Bei sehr hohen Draht- oder Bandgeschwindigkeiten kann es ja nach Material und Materialstärke erforderlich sein, den Draht oder das Band schraubenförmig über den Hohlzylinder zu führen. Durch die Bewegung des Laserstrahls senkrecht zur Bandlaufrichtung, das heißt parallel zur Zylinderachse, wird bei jeder Umdrehung ein Teilschnitt durchgeführt, bis am Ende der schraubenförmigen Umschlingung das Draht- oder Bandmaterial gänzlich durchtrennt ist.

Bei breiterem Bandmaterial ist es zudem erfor­ derlich, daß das Band zur Vermeidung von Überlappungen in Schraubenlinien mit relativ großem Versatz über den Hohlzylinder geführt wird. Um in diesem Fall einen Schnitt zu erreichen, der möglichst senkrecht zur Bandkante verläuft, muß die Achse, entlang derer die Laserfokussiereinheit verschoben wird, in geeigneter Weise gegenüber der Zylinderachse verkippt sein. In der Regel wird das Draht- und Bandmaterial in mehreren einen Abstand A aufweisenden Wicklungen über den Hohlzylinder geführt. Die Geschwindigkeit, mit der die Laserfokussiereinheit dabei axial verschoben werden muß. Bei geringeren Draht- oder Bandgeschwindigkeiten kann u. U. auf die Rotation der Laserfokussiereinheit verzichtet werden und die axiale Verschiebung der Laserfokussiereinheit ist ausreichend.

Durch die bzgl. der Rotation kraftschlüssige Verbindung der Laserfokussiereinheit mit dem Hohlzylin­ der über eine Führungsschiene weist die Laser­ fokussiereinheit dieselbe Rotationsfrequenz wie der Hohlzylinder selbst auf, so daß mit einer Antriebsein­ richtung nur die axiale Verschiebung vorgenommen werden muß.

Vorteilhafterweise sind die Öffnungen in der Hohlzylin­ dermantelfläche als parallel zur Zylinderachse verlau­ fende Spalte geeigneter Breite ausgebildet und die Führung des Draht- oder Bandmaterials über den Hohlzylinder erfolgt mit in der Hohlzylindermantel­ fläche verlaufenden Nuten. Die Nuten sind bei einfacher Bandführung d. h. ohne Schraubenlinien nicht notwendig.

Damit das Bedienungspersonal nicht von durch die Öffnungen austretende Laserstrahlung geschädigt wird, sind Abschirmeinrichtungen über den Öffnungen anzu­ bringen, die die Laserstrahlung absorbieren oder in den Hohlzylinder zurückreflektieren.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungs­ beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exem­ plarisch beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 schematische Darstellung der Schneidvorrichtung für das Schneiden von Draht- oder Bandmaterial bei Führung des Draht- oder Bandmaterials in weniger als einer Wicklung.

Fig. 2 schematische Darstellung der Schneidvorrichtung für das Schneiden von Draht- oder Bandmaterial bei mehreren Wicklungen.

Fig. 3 Längsschnitt durch die Schneidvorrichtung von Fig. 2.

Fig. 4 Querschnitt durch die Schneidvorrichtung von Fig. 2.

Bester Weg zur Ausführung der Erfindung

Fig. 1 zeigt schematisch die erfindungsgemäße Schneidvorrichtung in der Ausgestaltung wie sie insbe­ sondere für relativ dünne Drähte und schmale Bänder geeignet ist und für relativ geringe Schneidgeschwindigkeiten. Dabei wird der Draht (1) oder das Band (1). über den Hohlzylinder (2) geführt. Die Zylindermantelfläche weist in dem Bereich, in dem der Draht über den Hohlzylinder (2) geführt wird, mehrere, in diesem Fall spaltförmig ausgebildete Öffnungen (9), auf, durch die der Laserstrahl (8) hindurchtreten kann, um den Schnitt vorzunehmen. Form, Anzahl und Anordnung der Öffnungen (9) hängen von den Vorgaben ab, die dem Schneidprozeß zugrundeliegen. Bspw. kann in Fig. 1 anstelle mehrerer achsparalleler Spalte (9) der Draht in einer Nut geführt werden, die als orthogonal zur Zylinderachse umlaufender Spalt ausgebildet ist, der stegförmige Unterbrechungen aufweist. Diese Ausfüh­ rungsform ist in Fig. 1 mit dem Bezugszeichen (9′) andeu­ tungsweise dargestellt.

Die für die Bewegung des Drahtes oder Bandes erforder­ lichen bekannten Einrichtungen sind der einfachheithal­ ber nicht dargestellt. Der Hohlzylinder (2) ist an eine Antriebseinheit (3) angeschlossen, mit der der Hohlzylinder (2) in Rotation versetzt werden kann. Innerhalb des Hohlzylinders (2) ist die Laser­ fokussiereinheit (4) angeordnet und mit einem als Zugrohr ausgebildeten Verbindungselement (5) an die für die Laserfokussiereinheit (4) vorgesehene Antriebsein­ heit (6) angeschlossen. Die Antriebseinheit (6) weist auf ihrer dem Hohlzylinder (2) abgewandten Seite eine Eintrittsöffnung (7) auf, durch die der Laser­ strahl (8) über das Zugrohr (5) der Laser­ fokussiereinheit (4) zugeführt wird. Ferner ist die Antriebseinheit (6) mit geeigneten Einrichtungen für die Rotation und die axiale Verschiebung der Laser­ fokussiereinheit (4) ausgestattet. Zur Durchführung des Schnitts wird die Laserfokussiereinheit (4) von der Antriebseinheit (6) entlang der Zylinderachse in die Position verschoben, in der der Laserfokus im Bereich der Zylindermantelfläche auf den Draht treffen kann.

Der Laser ist in Abhängigkeit von der Bewegung des Drahtes und einer evtl. zusätzlichen Rotation des Hohlzylinders so zu steuern, daß er nur im Bereich einer vom Draht überspannten Öffnung aktiviert ist.

Zur Vermeidung unerwünschter Reibungskräfte zwischen dem Draht (1) und der Zylindermantelfläche und damit zur Entlastung der Einrichtungen zur Bewegung des Drahtes, wird der Hohlzylinder (2) von der Antriebsein­ heit (3) in Rotation versetzt, wobei die Rotationsfre­ quenz vorteilhafterweise einen solchen Wert aufweist, daß der Draht ohne Schlupf über die Zylindermantelflä­ che geführt wird. Soll die Schneidvorrichtung nur für das Schneiden von dünnen Drähten oder schmalen Bändern eingesetzt werden, und dabei das Draht- oder Bandmate­ rial nur, wie in Fig. 1 dargestellt, ohne volle Wick­ lung über den Hohlzylinder geführt werden, kann die Antriebseinheit entfallen und zur Verringerung der zuvor genannten Reibungskräfte bspw. bei der Ausbildung der Nut (9′) die Stege drehbar gelagert werden.

Während bei dünnen Drähten eine kurze Einwirkzeit des Laserfokus auf den Draht für den Schnitt ausreichend ist, z. B. ein Laserpuls geeigneter Stärke und Dauer, ist mit zunehmender Materialstärke bzw. Materialbreite je nach Materialzusammensetzung eine längere Einwirk­ zeit der Laserstrahlung erforderlich. In diesem Fall muß die Laserfokussiereinheit (4) von der Antriebsein­ heit (6) in Rotation versetzt werden. Damit der Laser­ fokus auf den Draht während der Schnittdauer eine feste Position hat, muß die Rotationsfrequenz derart eingestellt sein, daß im Bereich der Zylindermantel­ fläche die Bahngeschwindigkeit des Laserfokus gleich der Bahngeschwindigkeit des Drahtes ist. Falls der Draht (1) ohne Schlupf über den Hohlzylinder (2) geführt wird, sind die Rotationsfrequenzen des Hohlzylinders (2) und der Laserfokussiereinheit (4) identisch.

Für den Fall, daß der Durchmesser des Drahtes oder die Breite des Bandes im wesentlichen kleiner oder gleich dem Durchmesser des Laserfokus ist, kann die Laser­ fokussiereinheit bzgl. der Zylinderachse eine feste Position behalten und bei Bedarf in Rotation versetzt werden.

Wenn jedoch der Durchmesser des Drahtes oder die Breite des Bandes den Durchmesser des Laserfokus übersteigen, ist für einen sauberen Schnitt erforderlich, daß der Laserfokus während der Schnittdauer quer (im wesentli­ chen orthogonal) zum Draht bzw. Band über dieses hinweg bewegt wird. Hierzu wird die Laserfokussiereinheit (4) von der Antriebseinheit (6) axial entlang der Zylinder­ achse verschoben. Da sich in diesem Fall das Draht- oder Bandmaterial während der Schnittdauer eine be­ stimmte Strecke fortbewegt, muß der Laserfokus durch Rotation der Laserfokussiereinheit (4) nachgeführt werden, so daß es zu einer Überlagerung der axialen Verschiebung und der Rotation der Laserfokussiereinheit kommt. Falls der Draht ohne Schlupf über den Hohlzylin­ der geführt wird, sind die Rotationsfrequenzen des Hohlzylinders und der Laserfokussiereinheit gleich.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform be­ schreibt der Laserfokus während der Schnittdauer nur einen kleinen Kreisbogen. Daher kann die Rotation der Laserfokussiereinheit sowohl in vollen Umläufen als auch in abschnittsweisen Vorwegsbewegungen (Pfeilrichtung) und Rückkehr in die Ausgangsposition erfolgen.

Zur Erzielung eines nicht orthogonalen Schnittes relativ zur Bandlaufrichtung kann die Umlaufgeschwindigkeit und somit die Rotationsfrequenz des Laserstrahls größer oder kleiner als die Bandlaufgeschwindigkeit sein.

Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens sieht vor, daß das Draht- oder Bandmaterial in mehreren Wicklungen über den Hohlzylinder (2) geführt wird. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn während der Schnittdauer die Laserfokussiereinheit mehrere Umdrehungen durchführen und gleichzeitig axial verschoben werden muß, weil bspw. die Materialstärke relativ groß ist und/oder die Draht- bzw. Bandgeschwin­ digkeit relativ hoch ist, so daß die Ausführungsform gemäß Fig. 1 nicht mehr eingesetzt werden kann.

Dieses Verfahren wird anhand der in den Fig. 2 bis 4 dargestellten Vorrichtungen erläutert. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile, wie sie auch in Fig. 1 dargestellt sind, so daß auf deren Erläuterung verzichtet werden kann.

In Abweichung von Fig. 1 ist in Fig. 2 der Draht (1) in mehreren Wicklungen über den Hohlzylinder (2) geführt. Im Inneren des Hohlzylinders (2) ist die Laser­ fokussiereinheit (4) angeordnet, die über ein als Zugrohr ausgebildetes Verbindungselement (5) an die Antriebseinheit (6) angeschlossen ist. Der Hohlzylinder (2) wird von der Antriebseinheit (3) in Rotation ver­ setzt und der Draht (1) vorzugsweise schlupffrei über den Hohlzylinder (2) geführt. Dies ist in der Regel aufgrund der mehreren Wicklungen per se gegeben, wobei zusätzlich noch geeignete Spann- oder Klemmvorrichtun­ gen (10) vorgesehen werden können, mit denen der Draht auf der Zylindermantelfläche fixiert werden kann. In diesem Fall sind keine zusätzlichen Einrichtungen er­ forderlich, die den Draht über den Hohlzylinder bewe­ gen, so daß lediglich der zu schneidende Draht zu- und der abgeschnittene Draht abgeführt werden müssen. Damit der Fokus des Laserstrahls während des Schneidvorgangs eine konstante Position gegenüber dem Draht oder dem Band in dessen Längsrichtung hat, muß der Laserfokus die gleiche Umlaufgeschwindigkeit aufweisen, wie der auf dem Hohlzylinder aufgewickelte Draht. Da der Draht ohne Schlupf über den Hohlzylinder (2) geführt wird, muß die Laserfokussiereinheit (4) somit die gleiche Rotationsfrequenz aufweisen wie der Hohlzylinder (2). Hierfür kann die Laserfokussiereinheit von der Antriebs­ einheit (6) in eine Rotation versetzt werden, die die gewünschte Frequenz - also dieselbe wie der Hohlzylin­ der - aufweist. Eine elegantere Ausführungsform sieht jedoch vor, daß auf der Innenseite der Zylindermantel­ fläche Führungsschienen (11) angeordnet sind, über die die Laserfokussiereinheit (4) axial verschoben werden kann und mit denen sie bzgl. der Rotation kraftschlüssig verbunden ist, so daß durch die Rotation des Hohlzylin­ ders (2) die Laserfokussiereinheit (4) automatisch mit derselben Frequenz rotiert. Damit muß die Antriebsein­ heit (6) nur für die axiale Verschiebung der Laser­ fokussiereinheit (4) ausgestattet sein. Dies soll an­ hand von Fig. 3 näher erläutert werden.

Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch den Hohlzylinder (2) entlang der Zylinderachse (B) um die der Hohlzylinder rotiert. Der Draht (1) liegt in Nuten (12), die einen Versatz A zueinander aufweisen. Im oberen Bereich der Fig. 3 weist der Hohlzylinder (2) eine als Spalt ausge­ bildete Öffnung (9) auf, durch die der fokussierte Laserstrahl (8) hindurch auf den Draht (1) auftrifft. Auf der Innenseite der Zylindermantelfläche sind Füh­ rungsschienen (11) angeordnet, auf denen die Laser­ fokussiereinheit (4) koaxial zur Zylinderachse (B) ver­ schiebbar gelagert ist. Bei Rotation des Hohlzylinders (2) wird die Laserfokussiereinheit (4) über die Füh­ rungsschiene (11) ebenfalls in Rotation versetzt und rotiert somit mit der gleichen Frequenz wie der Hohlzy­ linder selbst.

Die Laserfokussiereinheit (4) weist in ihrem Inneren einen Spiegel (13) auf, der den koaxial zur Zylinder­ achse einfallenden Laserstrahl (8) in radialer Richtung reflektiert. Davon beabstandet ist eine Linse (14) oder ein fokussierender Spiegel angeordnet, die den Laserstrahl (8) fokussiert, wobei die Linse (14) in Abhängigkeit von ihrer Brennweite so positioniert sein muß, daß der Fokus im Bereich der äußeren Zylindermantelfläche, also im Bereich des Draht- oder Bandmaterials liegt.

Über ein als Zugrohr aus gebildetes Verbindungselement (5) ist die Laserfokussiereinheit (4) an die in Fig. 3 nicht darstellbare Antriebseinheit (6) angeschlossen, die das Zugrohr mit einer Geschwindigkeit VA axial verschiebt. Dabei ist die Laserfokussiereinheit (4) bzgl. des Verbindungselements (5) mittels Lager (15) drehbar gelagert. Die Geschwindigkeit VA, mit der der Laserstrahl (8) axial bewegt wird, resultiert aus dem Versatz des Drahtes oder Bandes, der/das schraubenlini­ enförmig auf dem Hohlzylinder aufgewickelt ist und der Rotationsgeschwindigkeit des Hohlzylinders sowie additiv aus der Geschwindigkeit, die für den Laser­ schneidprozeß notwendig ist.
Mit
A: Versatz m
VB: Draht- bzw. Bandgeschwindigkeit m/s
r: Radius der Rolle m
VS: Schneidgeschwindigkeit m/s
folgt für VA:

Beispielsweise ergibt sich für einen Rollendurchmesser von 0,5 m bei einem Versatz des Drahtes von 20 mm und einer Drahtgeschwindigkeit von VB = 100 m/s sowie bei einer Schneidgeschwindigkeit von VS = 12 m/min eine Ausgleichsgeschwindigkeit von VA = 88,4 m/min.

Bei geeignet dünnen Drähten oder schmalen Bändern muß der Draht bzw. das Band nur mit dem Laserfokus beauf­ schlagt werden, so daß in diesem Fall die Schneidgeschwindigkeit VS = 0 ist.

Bei Bedarf wird der Laserschneidprozeß zusätzlich durch einen Gasstrahl unterstützt, der koaxial zum Laser­ strahl über eine Düse zum Draht oder Band zugeführt wird. Die Zuführung des Schneidgases zur rotierenden Laserfokussiereinheit erfolgt dabei über eine Gasdrehdurchführung (16).

Während des Schneidprozesses wird der Draht (1) oder das Band (1) von einer mitgeführten Spann- oder Klemmvorrichtung (10) gehalten. Nach Beendigung des Schneidprozesses wird die Klemmvorrichtung (10) an einer festgelegten Position gelöst und der Draht- bzw. Bandanfang wird von einem Fänger bzw. Trichter aufge­ nommen und weitergeführt.

Bei breitem Bandmaterial ist es zur Vermeidung von Überlappungen erforderlich, daß das Band in Schrauben­ linien mit relativ großem Versatz über den Hohlzylinder geführt wird. In diesem Fall führt die koaxiale Bewe­ gung der Laserfokussiereinheit zu einem Schnitt, der nicht orthogonal zur Bandkante verläuft. Zur Vermeidung dieses Nachteils muß die Achse, entlang derer die Laserfokussiereinheit verschoben wird, derart gegenüber der Zylinderachse verkippt sein, und im Bereich der Schneidstelle mit dieser einen solchen Winkel ein­ schließen, daß sie bei radialer Projektion in Richtung des Laserfokus auf der Zylindermantelfläche mit dem Vektor der Bahngeschwindigkeit des Draht- oder Bandma­ terials einen rechten Winkel bildet. In diesem Fall muß die Laserfokussiereinheit von dem Hohlzylinder (2) losgelöst sein und wird von der Antriebseinheit (6) sowohl in Rotation versetzt als auch axial verschoben. Dabei ist die axiale Verschiebung auf einen relativ kleinen Bereich begrenzt. Da die Verschiebungsachse und die Zylinderachse nicht mehr koaxial verlaufen, bewegt sich die Laserfokussiereinheit von der Innenseite des Hohlzylinders weg, so daß im Bereich der Zylinderman­ telfläche der Durchmesser des Fokus variiert.

Bei geringen Bandgeschwindigkeiten ist die Verschiebung der Laserfokussiereinheit (4) derart gering, daß den­ noch ein guter Schnitt möglich ist. Um auch bei höheren Bandgeschwindigkeiten noch einen guten und sauberen, möglichst orthogonalen Schnitt zu erhalten, muß ein Hohlzylinder mit ausreichend großem Radius verwendet werden. Bei genügend großem Radius kann dann auch bei breitem Bandmaterial auf eine Verkippung der Verschie­ bungsachse verzichtet werden, so daß die Vorrichtung gemäß Fig. 2 bis 4 verwendet werden kann.

Um das Schneiden des Draht- oder Bandmaterials mög­ lichst automatisiert durchführen zu können, ist eine Datenverarbeitungsanlage vorgesehen, mittels derer die Schnittlänge rechnergesteuert anhand bestimmter Vorga­ ben festgelegt wird. Unter Verwendung geeigneter Sensoren wird die Schnittstelle des Draht- oder Bandma­ terials ermittelt und die Laserstrahlung zur Durchfüh­ rung des Schnittes an dieser Stelle rechnergesteuert eingestrahlt und geregelt.

Schließlich kann der Hohlzylinder (2) im Bereich der Öffnungen (9) mit Abschirmeinrichtungen versehen wer­ den, die das Austreten der Laserstrahlung in den Raum verhindern sollen, so daß somit das Bedienungspersonal vor direkter oder gestreuter Laserstrahlung geschützt wird. Bspw. können diese Abschirmeinrichtungen als parallel zur Zylindermantelfläche verlaufende und mit Stegen bzgl. dieser beabstandete Platten ausgebildet sein, die an ihrer Innenseite eine reflektierende oder absorbierende Beschichtung aufweisen. Vorteilhafter­ weise sind zur Vermeidung von Unwuchten bei der Rotation des Hohlzylinders auf der gegenüberliegenden Seite der Abschirmeinrichtung Ausgleichsmassen anzuord­ nen.

Mit der vorliegenden Erfindung können alle Arten von Draht- und Bandmaterial geschnitten werden, die sich mittels Laserstrahlung schneiden lassen.

Claims (40)

1. Verfahren zum Schneiden von Draht- oder Bandmaterial mit Laserstrahlung, mit einem Hohlzylinder, über den das Draht- oder Bandmaterial geführt wird und dessen Zylindermantelfläche mindestens eine Öffnung auf­ weist, über die das Draht- oder Bandmaterial geführt wird, und mit einer im Innern des Hohlzylinders angeordneten Laserfokussiereinheit, die optische Elemente zur Führung und Fokussierung der Laserstrahlung aufweist und die Laserstrahlung radial nach außen in Richtung der Zylinderfläche auf eine der Öffnungen richtet, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserfokussiereinheit zumindest während der für das Schneiden des Draht- und Bandmaterials benötigten Zeitspanne eine Rotation um die Zylinderlängsachse aus­ führt, so daß in Vorschubrichtung des Draht- und Bandmaterials keine Relativbewegung zwischen diesem und der Laserfokussiereinrichtung auftritt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Draht- oder Bandmaterial in einer oder mehreren zueinander versetzten Wicklungen schraubenlinienförmig über den Hohlzylinder geführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlzylinder um seine Zylinderachse drehbar gelagert ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Draht- und Bandmaterial ohne Schlupf über den rotierenden Hohlzylinder geführt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß für das Schneiden von dün­ nen Drähten, deren Durchmesser im wesentlichen kleiner oder gleich dem Durchmesser des Laserfokus ist, oder von schmalem Bandmaterial, dessen Breite im wesentli­ chen kleiner oder gleich dem Durchmesser des Laserfokus ist, die Laserfokussiereinheit bezogen auf den Hohlzy­ linder parallel zur Zylinderachse axial verschoben und an einer geeigneten Stelle positioniert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung gepulster Laserstrahlung ein Puls geeigneter Pulsdauer und Puls­ stärke vorgesehen ist.

7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotation der Laser­ fokussiereinheit und die Rotation des Hohlzylinders dieselbe Frequenz aufweisen.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Führung des Drahtes oder Bandes mit Schlupf die Rotation der Laser­ fokussiereinheit eine solche Frequenz aufweist, daß im Bereich der Zylindermantelfläche die Bahngeschwindig­ keit des Laserfokus gleich der Geschwindigkeit ist, mit der der Draht oder das Band über den Hohlzylinder ge­ führt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß für das Schneiden von Drähten, deren Durchmesser größer als der Durchmesser des Laserfokus ist, oder für das Schneiden von Bandma­ terial, dessen Breite größer als der Durchmesser des Laserfokus ist, die Laserfokussiereinheit während der für das Schneiden benötigten Zeitspanne gleichzeitig eine Rotation um die Zylinderachse ausführt und paral­ lel zur Zylinderachse verschoben wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß für das Schneiden von Drähten, deren Durchmesser größer als der Durchmesser des Laserfokus ist, oder für das Schneiden von Bandmaterial, dessen Breite größer als der Durchmesser des Laserfokus ist, die Laserfokussiereinheit während der für das Schneiden benötigten Zeitspanne gleichzei­ tig eine Rotation um eine Achse ausführt, die im Be­ reich der Schneidstelle mit der Zylinderachse einen solchen Winkel einschließt, daß sie bei radialer Pro­ jektion in Richtung des Laserfokus auf der Zylinderman­ telfläche mit dem Vektor der Bahngeschwindigkeit des Draht- oder Bandmaterials einen rechten Winkel bildet und entlang dieser Achse verschoben wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Geschwindigkeit, mit der die Laserfokussiereinheit entlang der Rota­ tionsachse verschoben wird, als Summe der Schneidge­ schwindigkeit und der durch die schraubenlinienförmigen Bewegung des Draht- oder Bandmaterials auf der Zylindermantelfläche bedingten Geschwindigkeits­ komponente parallel zur Zylinderachse ergibt.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß bei Führung des Draht- oder Bandmaterials über den Hohlzylinder in weniger als einer vollen Wicklung die Geschwindigkeit, mit der die Laserfokussiereinheit entlang der Rotationsachse ver­ schoben wird, gleich der Summe aus der Schneidge­ schwindigkeit und des Anteils der Bahngeschwindigkeit parallel zur Rotationsachse ist.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß bei Führung des Draht- oder Bandmaterials über den einen äußeren Radius r aufwei­ senden Hohlzylinder mit mehr als einer vollen Wicklung und einem parallel zur Zylinderachse verlaufenden Abstand A der Wicklungen die Geschwindigkeit VA, mit der die Laserfokussiereinheit entlang der Rotationsachse verschoben wird, folgende Beziehung erfüllt: wobei
A: Versatz [m]
VB: Draht- bzw. Bandgeschwindigkeit [m/s]
r: Radius der Rolle [m]
VS: Schneidgeschwindigkeit [m/s].

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserstrahlung koaxial zur Zylinderachse des Hohlzylinders der Laser­ fokussiereinheit zugeführt wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein geeignetes Gas- oder Gasgemisch zur Unterstützung des Schneidprozesses und/oder zur Beseitigung von Schneidabfällen oder sonstigen Nebenprodukten zur Schneidstelle geführt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas- oder Gasgemisch über die Laserfokussiereinheit der Schneidstelle zuge­ führt wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnittlänge rechnerge­ steuert festgelegt wird, daß unter Verwendung von Sensoren die Schnittstelle des Draht- oder Bandmaterials ermittelt wird und daß die Laser­ strahlung zur Durchführung des Schnittes an dieser Stelle rechnergesteuert eingestrahlt und geregelt wird.

18. Vorrichtung zum Schneiden von Draht- oder Bandmate­ rial mit Laserstrahlung, mit einem Hohlzylinder, über den das Draht- oder Bandmaterial geführt wird und dessen Zylindermantelfläche mindestens eine Öffnung auf­ weist, über die das Draht- oder Bandmaterial führbar ist, und mit einer im Innern des Hohlzylinders angeordneten Laserfokussiereinheit, die optische Elemente zur Führung und Fokussierung der Laserstrahlung aufweist, so daß die Laserstrahlung von der Laserfokussiereinheit radial nach außen in Richtung der Zylindermantelfläche auf eine der Öffnungen gerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserfokussiereinheit drehbar um die Zylinderachse angeordnet ist und zumindest während der für das Schneiden des Draht- und Bandmaterials benötigten Zeitspanne eine Rotation um die Zylinderlängsachse aus­ führt, so daß in Vorschubrichtung des Draht- und Bandmaterials keine Relativbewegung zwischen diesem und der Laserfokussiereinrichtung auftritt.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Draht- oder Bandma­ terial in weniger als einer vollen Wicklung über den Hohlzylinder führbar ist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Draht- oder Bandma­ terial in einem solchen Kreisbogen über den Hohlzylinder führbar ist, daß sich ein Zentrierwinkel von weniger als 90° ergibt.

21. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Draht- oder Bandmateri­ al in einer oder mehreren zueinander versetzten Wick­ lungen schraubenlinienförmig über den Hohlzylinder führbar ist.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlzylinder um die Zylinderachse rotiert.

23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Draht- oder Bandmateri­ al ohne Schlupf über den rotierenden Zylinder führbar ist.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserfokussiereinheit mittels eines Verbindungselements an eine Antriebsein­ richtung angeschlossen ist, mit der die Laser­ fokussiereinheit längs der Zylinderachse verschiebbar ist und um diese Achse in Rotation versetzbar ist.

25. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinrichtung die Laserfokussiereinheit in eine Rotation mit einer varia­ bel einstellbaren Frequenz versetzt.

26. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß bei schlupffreier Führung des Draht- oder Bandmaterials die Rotation der Laser­ fokussiereinheit und die Rotation des Hohlzylinders dieselbe Frequenz aufweisen.

27. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß bei Führung des Drahtes oder Bandes mit Schlupf die Rotation der Laser­ fokussiereinheit eine solche Frequenz aufweist, daß im Bereich der Zylindermantelfläche die Bahngeschwindig­ keit des Laserfokus gleich der Geschwindigkeit ist, mit der der Draht oder das Band über den Hohlzylinder führbar ist.

28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 24 dadurch gekennzeichnet, daß die Laserfokussiereinheit mit dem Hohlzylinder bezüglich der Rotation um die Zylinderachse kraftschlüssig verbunden ist.

29. Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß auf der inneren Zylinder­ mantelfläche wenigstens eine parallel zur Zylinderachse verlaufende Führungsschiene angeordnet ist, auf der die Laserfokussiereinheit verschiebbar gelagert ist, und daß die Laserfokussiereinheit mit einem Ver­ bindungselement an eine Antriebseinrichtung angeschlos­ sen ist, mit der die Laserfokussiereinheit entlang der Führungsschiene verschiebbar ist, wobei die La­ serfokussiereinheit bezüglich des Verbindungselements drehbar und das Verbindungselement mit der Antriebsein­ richtung nichtdrehbar oder die Laserfokussiereinheit bezüglich des Verbindungselements nichtdrehbar und das Verbindungselement bezüglich der Antriebseinrichtung drehbar gelagert sind.

30. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungselement als Rohr ausgebildet ist und daß die Laserstrahlung inner­ halb des Rohres koaxial zur Zylinderachse der Laser­ fokussiereinheit führbar ist.

31. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß als Öffnung in der Zylin­ dermantelfläche wenigstens ein Spalt mit einer für den Durchlaß der Laserstrahlung geeigneten Breite vorgese­ hen ist.

32. Vorrichtung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Spalt parallel zur Zylinderachse verläuft.

33. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Zylindermantelflä­ che Führungen für das Draht- oder Bandmaterial vorgese­ hen sind.

34. Vorrichtung nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungen als in der Zylindermantelfläche verlaufende Nuten ausgebildet sind.

35. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 34, dadurch gekennzeichnet, daß an der Zylindermantel­ fläche Spann- oder Klemmvorrichtungen vorgesehen sind, die das Draht- oder Bandmaterial auf der Zylinderman­ telfläche arretieren.

36. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 35, dadurch gekennzeichnet, daß eine Leitung vorgesehen ist, die ein geeignetes Gas- oder Gasgemisch zur Unterstützung des Schneidprozesses und/oder zur Beseitigung von Schneidabfällen oder sonstigen Neben­ produkten zur Schneidstelle führt.

37. Vorrichtung nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung in das Verbin­ dungselement zwischen der Laserfokussiereinheit und der Antriebseinrichtung integriert ist und zwischen sich gegeneinander drehenden Teilen eine Gasdrehdurchführung vorgesehen ist.

38. Vorrichtung nach Anspruch 36 oder 37, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserfokussiereinheit mit einer Düse versehen ist, die das Gas- oder Gasgemisch der Schneidstelle zuführt.

39. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 38, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Öffnungen, über die das Draht- oder Bandmaterial führbar ist und in deren Bereich das Draht- oder Bandmaterial mit der Laserstrahlung beaufschlagbar ist, eine oder mehrere Abschirmeinrichtungen vorgesehen sind, die die Ausbrei­ tung der Laserstrahlung in den Raum verhindern.

40. Vorrichtung nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung von Un­ wuchten bei der Rotation des Hohlzylinders Ausgleichs­ massen vorgesehen sind.