DE4418845C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Materialbearbeitung mit Hilfe eines Laserstrahls - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Materialbearbeitung mit Hilfe eines Laserstrahls

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten eines Materials mittels eines Lasers, welches auf einer Einkopplung des Laserstrahls in einen Flüssigkeitsstrahl beruht, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Die Laserstrahlung wird in vielfältiger Weise zur Bearbeitung eines Materials herangezogen, in der industriellen Materialbearbeitung unter anderem zum Schneiden, Bohren, Schweißen, Markieren und Abtragen von Stahl, Stahllegierungen, NE-Metallen, Kunststoffen und Keramiken.
Bei nahezu all diesen Verfahren wird der Laserstrahl mittels eines optischen Elementes, wie zum Beispiel einer Linse, auf das zu behandelnde Material fokussiert, um im Brennpunkt eine für das Erwärmen, Aufschmelzen oder Verdampfen des Materials ausreichende Intensität der Laserstrahlung zu erlangen. Damit ist in den meisten Fällen ein Bearbeiten auf den Bereich um den Brennpunkt beschränkt. Desweiteren ist die Konizität des Strahls um den Brennpunkt häufig ein störender Einfluß. Dieses Verfahren wird im folgenden herkömmliche Strahlfokussierung genannt.
Aus der Schrift DE 36 43 284 A1 ist ein Verfahren zum Schneiden eines Materials mittels Laserstrahlung bekannt, bei dem vor der Austrittsstelle der Laserstrahlung aus einem Lichtleiter ein unmittelbar an diesen anschließender, kompakter Strahl einer für die Laserstrahlung durchlässigen Flüssigkeit erzeugt und dieser Strahl auf das zu schneidende Material gerichtet wird. Dieses Verfahren erfordert, daß die Düse einen größeren Durchmesser hat als der Lichtleiter, so daß der kleinstmögliche Flüssigkeitsstrahldurchmesser bedingt durch Strahleinschnürung in etwa gleich dem Lichtleiterkerndurchmesser ist. Es ist jedoch erstrebenswert, einen noch kleineren Flüssigkeitsstrahl­ durchmesser zu erzeugen, da dieser die Intensität des Laserlichtes und damit die Abtragungseffizienz bestimmt. Ein zum Beispiel um die Hälfte kleinerer Flüssigkeitsstrahldurchmesser vervierfacht die Intensität des Laserlichtes. Einer Verkleinerung des Lichtleiterkerndurchmessers sind Grenzen gesetzt, da bei hohen Übertragungsleistungen die Eintrittsfläche des Lichtleiters leicht Schaden nehmen kann.
Ein weiterer Nachteil der in der Schrift DE 36 43 284 A1 beschriebenen Vorrichtung ist die Tatsache, daß das Lichtleiterende in den freien Strahl hineinragt. Es bildet sich unterhalb des Lichtleiterendes ein Totwassergebiet aus, welches die Strömung im weiteren Verlauf stark beeinträchtigt. Dieses Totwassergebiet verursacht Störungen in der Strömung, die mit der Strahllänge exponentiell anwachsen und schließlich zum Zertropfen führen. Daher ist es mit dieser Anordnung unmöglich, laminare, kompakte Strahllängen von über 30 mm zu erzeugen.
Bedingt durch die Integration des Lichtleiters in die Düse gestaltet sich ein Austauschen des Lichtleiters oder der Düse schwierig.
Es ist Gegenstand der Erfindung, ein gattungsgemäßes Verfahren derart zu verbessern, daß die Arbeitslänge, das heißt die Länge des Laserstrahls, welche eine für die Bearbeitung ausreichende Intensität der Laserstrahlung hat, deutlich vergrößert wird.
Erfindungsgemäß wird dies durch ein Verfahren mit den Merkmalen des PA1 erreicht.
Fig. 1 dient der Erläuterung dieses Verfahrens. Der Laserstrahl (1) wird in eine Düse (3) fokussiert, welche einen glatten Strahl (2) einer für die Laserstrahlung durchlässigen Flüssigkeit (4) erzeugt. Der Brennpunkt (5) des Laserstrahls liegt dabei im Düsenkanal (6) oder in unmittelbarer Nähe des Düsenkanals, dessen Durchmesser Brennpunktdurchmesser ist. Die Strahlachse und die Achse des Düsenkanals sind identisch.
Die Laserstrahlung wird nach dem Prinzip eines Lichtleiters in dem Flüssigkeitsstrahl geführt, da die unterschiedlichen Brechungsindices der Flüssigkeit und der Umgebungsluft eine Totalreflexion an deren Grenzfläche hervorrufen, so daß der Laserstrahl aus dem Flüssigkeitsstrahl nicht austreten kann, sofern der Flüssigkeitsstrahl glatt ist und die Divergenz des fokussierten Laserstrahls einen Grenzwinkel nicht überschreitet, welcher durch die Brechungsindices der Flüssigkeit und der Umgebungsluft bestimmt wird. Die einzigen Verluste der Laserstrahlung in diesem als Lichtleiter verwendeten Flüssigkeitsstrahl sind die Absorption der Laserstrahlung in der Flüssigkeit, welche vor allem von der verwendeten Flüssigkeit und der Wellenlänge der Laserstrahlung abhängt, sowie Verwirbelungen im Flüssigkeitsstrahl, welche zu einer Streuung des Laserlichts führen. Diese Verwirbelungen, hervorgerufen durch die ruhende Umgebungsluft, treten nach einer gewissen Länge des Flüssigkeitsstrahls auf, welche unter anderem von der Viskosität und der Geschwindigkeit der Flüssigkeit abhängt. Im Fall einer Flüssigkeit mit einer geringen Absorption bei der Wellenlänge der verwendeten Laserstrahlung und eines ausreichenden Druckes der Flüssigkeit vor der Düse ergibt sich mit diesem Verfahren eine Arbeitslänge von bis zu 200 mm.
Am Auftreffpunkt des Flüssigkeitsstrahls wird die Laserstrahlung von dem zu bearbeitenden Material absorbiert, wo sie zu einer Erwärmung, zu einer Aufschmelzung oder zu einer Verdampfung des bestrahlten Materials führt, je nach Material, Wellenlänge und Intensität der Laserstrahlung.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren bietet sich insbesondere für die industrielle Materialbearbeitung an und weist die folgenden Vorteile auf.
Bei Verwendung eines Lichtleiters bildet ein optisches System das Lichtleiterende auf einen Brennpunktdurchmesser ab, welcher wesentlich kleiner sein kann als der Lichtleiterkerndurchmesser. Der folglich kleinere Düsen- respektive Flüssigkeitsstrahldurchmesser führt zu einer höheren Leistungsdichte des Laserstrahls im Flüssigkeitsstrahl und schließlich zu einer höheren Abtragungsleistung.
Die vorgeschlagene Anordnung erlaubt kompakte Strahllängen von über 200 mm. Wird nämlich eine störungsfreie Strömung am Einlauf in die Düse gewährleistet, kann der Druck gesteigert werden und die kompakte Strahllänge steigt auf ein bestimmtes Maximum an, welches vor allem von der verwendeten Flüssigkeit und dem Düsendurchmesser abhängt. So ergibt sich zum Beispiel für Wasser und einen Düsendurchmesser von 150 µm eine maximale kompakte Strahllänge von 150 mm bei 80 bar Flüssigkeitsdruck. Da bei einer Flüssigkeit mit einer geringen Absorption des Laserlichtes die Arbeitslänge, also die Länge des im Flüssigkeitsstrahl eingekoppelten Laserstrahles, die zu einer Bearbeitung des Materials herangezogen werden kann, fast ausschließlich von der kompakten Strahllänge abhängt, ergeben sich mit der in dieser Schrift beschriebenen Vorrichtung weitaus größere Arbeitslängen, welche einen bedeutenden Vorteil für die Materialbearbeitung darstellen.
Durch die räumliche Trennung von Lichtleiter und Düse ist ein Austauschen dieser Elemente sehr einfach. Ein Wechseln des Lichtleiters kann bei Zerstörung der Lichtleitereintrittsfläche oder Bruch des Lichtleiters nötig sein, ein Austauschen der Düse zwecks Anpassung des Laserstrahldurchmessers respektive Düsendurchmessers an die Anforderungen des zu bearbeitenden Materials.
Gegenüber der konventionellen Strahlfokussierung ergeben sich noch folgende zusätzliche Vorteile.
Zunächst steht zur Bearbeitung eine um ein Vielfaches vergrößerte Arbeitslänge von bis zu 500 mm zur Verfügung. Damit werden mehrschichtige Objekte, zum Beispiel ein Objekt, welches aus zwei Glasplatten mit einem Luftabstand besteht, sowie komplizierte Profile bearbeitbar, da der Flüssigkeitsstrahl, aus einer Schnittfuge oder einem Loch austretend, seine Eigenschaften als Lichtleiter weitgehend behält.
Darüberhinaus erlaubt der in dem Flüssigkeitsstrahl geführte Laserstrahl parallele Schnittkanten, und es sind höhere Materialstärken bearbeitbar.
Durch die Einkopplung des Laserstrahls in den Flüssigkeitsstrahl spielt die Strahlqualität des Lasers eine untergeordnete Rolle. Dadurch sinken die Kosten des Lasers, und es kann ein Lichtleiter zur Strahlführung zwischen Laserquelle und Einkopplung problemlos verwendet werden. Der Gebrauch eines Lichtleiters hat nämlich in der konventionellen Strahlfokussierung zu einer noch kürzeren Arbeitslänge führt. Die Verwendung des Lichtleiters, die geringen Ausmaße des Einkopplungssystem und die fort fallende präzise Kontrolle des Abstandes zwischen Fokussieroptik und zu bearbeitendem Objekt führen zu einer einfachen Vorrichtung zur Verschiebung des Flüssigkeitsstrahls gegenüber dem zu bearbeitenden Material.
Die bei der konventionellen Strahlfokussierung auftretende Gefahr einer Verschmutzung der Fokussieroptik und das damit verbundene Auswechseln eines Schutzglases oder einer Linse entfallen, wodurch die Standzeit erhöht wird.
Der Flüssigkeitsstrahl gewährt ein sehr effizientes Kühlen der Bearbeitungszone, so daß keine thermische Belastung des Objekts auftritt und sich das Material zum Beispiel beim Schneiden schmaler Stege nicht verzieht. Außerdem führt die Kühlung durch die Flüssigkeit zu einer geringeren Aufhärtung der Bearbeitungszone, wodurch ein Nachbearbeiten, zum Beispiel ein nachträgliches Gewindeschneiden, vereinfacht wird.
Gleichzeitig wird die Gas- und Staubentwicklung vermieden, da die verwendete Flüssigkeit die entstehenden Abgase und Stäube bindet, wodurch Abluftfilteranlagen entfallen.
Daneben werden die Abbranderscheinungen durch die Flüssigkeit verringert und somit die Bearbeitungsqualität verbessert.
Je nach Wahl der Flüssigkeit bietet sie einen Korrosionsschutz bei oxidierbaren Materialien.
Im Gegensatz zum Wasserstrahlschneiden, welches ein Verfahren ist, bei dem ein Wasserstrahl, erzeugt durch einen sehr hohen Druck und vermischt mit Abrasivstoffen, verwendet wird, um harte Materialien zu bearbeiten, führt der geringe Flüssigkeitsdruck des hier beschriebenen Verfahrens zu einem einfachen Hydrauliksystem mit flexiblen Hydraulikleitungen und folglich einem einfachen Verschiebesystem. Desweiteren entfallen der Verschleiß der Düsen und das Abbremsen des Flüssigkeitsstrahls auf der der Düse abgewandten Seite des Objekts.
Im folgenden wird eine Vorrichtung mit Bezug auf die Fig. 2 erläutert, welche beispielhaft die Durchführung dieses Verfahrens erlaubt.
Die Laserquelle (7) kann ein beliebiger Laser sein, vorzugsweise ein Nd:YAG Laser in der Grundfrequenz, welche einer Wellenlänge von 1.064 µm entspricht, oder in höheren harmonischen Frequenzen. Die Wahl der Wellenlänge und damit der Laserquelle (7) richtet sich nach der verwendeten Flüssigkeit (4) und dem zu bearbeitenden Material (13), da die Flüssigkeit eine möglichst geringe und das zu bearbeitende Material eine möglichst hohe Absorption bei der Wellenlänge des Lasers haben soll.
Der an der Laserquelle (7) austretende Laserstrahl (1) wird zunächst in einen Lichtleiter (9), welcher einen typischen Kerndurchmesser von 100 µm bis 400 µm hat, mit Hilfe einer Fokussieroptik (8) eingekoppelt. Der am Lichtleiterende austretende Strahl wird anschließend mit einer weiteren Optik (10) in eine Düse (3) derart fokussiert, daß zum einen die Strahlachse und die Achse des Düsenkanals (6) zusammenfallen und zum anderen der Brennpunkt sich in der Düsenmitte beziehungsweise in ihrer unmittelbaren Nähe befindet. Dabei passiert der fokussierte Laserstrahl ein Fenster (11) und eine mit Flüssigkeit (4) gefüllte, unter einem Überdruck von 1 bis 50 bar stehende Kammer (12), welche sich vor der Düse (3) auf der der Optik (10) zugewandten Seite befinden. Der Durchmesser des Düsenkanals (6), welcher die Intensität der Laserstrahlung bestimmt, beträgt zwischen 50 µm und 200 µm.
Der aus der Düse (3) austretende Flüssigkeitsstrahl (2) leitet den Laserstrahl bis zum Auftreffpunkt auf dem zu bearbeitenden Objekt (13), wo er voll wirksam werden kann.
Die aus der Schnittfuge oder dem Loch austretende Flüssigkeit wird in einem Auffangbecken (16) gesammelt, anschließend in einem Filter (17) von abgetragenen Materialpartikeln befreit und einem Speicher (18) zugeführt, welcher mit der drucklosen, beziehungsweise saugenden Seite der Hydraulikpumpe (14) verbunden ist. Die Pumpe (14) besitzt eine Durchflußregelung zur Geschwindigkeitseinstellung des Flüssigkeitsstrahls (2). Ein Überdruckventil (19) dient der Sicherheit des Hydrauliksystems. Die Druckseite der Pumpe (14) ist schließlich über Hydraulikleitungen (15) mit der Kammer (12) verbunden.
Das Einkopplungssystem (20), welches hauptsächlich aus dem Lichtleiter (9), der Fokussieroptik (10), der Kammer (12), der Düse (3) sowie der Hydraulikleitung (15) besteht, kann problemlos in ein Verschiebesystem, zum Beispiel ein Doppelschiebetisch, ein Knickarmroboter oder ein Portalroboter, integriert werden.
Bei der Wahl einer Flüssigkeit, welche bei einer vorgegebenen Wellenlänge eine nicht zu vernachlässigende Absorption hat, so zum Beispiel im Fall von Wasser und der Verwendung eines Nd:YAG Lasers mit einer Wellenlänge von 1.064 µm als Laserquelle, hat der Abstand zwischen dem Fenster (11) und der Düse (3), welche mit der Länge der durchstrahlten, flüssigkeitsgefüllten Kammer (12) parallel zur Strahlachse identisch ist, eine entscheidende Bedeutung. Eine Länge von über 2 mm, ein Brennpunktdurchmesser von unter 200 µm und eine Energie der Laserstrahlung von über 200 mJ haben nämlich in diesem Fall die Erzeugung einer thermischen Linse vor der Düse auf der der Optik zugewandten Seite zur Folge, welche auf einer lokalen Brechungsindexänderung in der Flüssigkeit beruht, bedingt durch die Absorption der Laserstrahlung und der daraus resultierenden Erwärmung der Flüssigkeit. Dieser Effekt führt schließlich zu einer Aufweitung des Laserstrahls vor der Düse und zu erheblichen Einkoppelverlusten bis hin zu einer Zerstörung der Düse. Wird jedoch der Abstand auf eine Länge zwischen Düsendurchmesser und ungefähr 2 mm reduziert, wird der Effekt der thermischen Linse vermieden. Das beschriebene Verfahren ist somit auch für Flüssigkeiten, welche bei der verwendeten Wellenlänge eine nicht zu vernachlässigbare Absorption haben, durchführbar.
Die Düse besteht vorzugsweise aus einem Material, welches von der Laserstrahlung nur wenig absorbiert wird, zum Beispiel Quarz oder Saphir. Liegt der Brechungsindex der Flüssigkeit unter dem des Düsenmaterials, ist die Bedingung der Totalreflexion im Düsenkanal nicht gegeben, und dessen Länge ist so zu wählen, daß der Laserstrahl den Düsenkanal seitlich nicht berührt, da ansonsten Verluste bei der Übertragung der Laserenergie auftreten. Dies ist zum Beispiel der Fall bei der Verwendung von Wasser als Flüssigkeit und Saphir als Düsenmaterial. Wird jedoch zum Beispiel ein Öl aus der Gruppe der Silikonöle, etwa ein Polydimethylsiloxan oder ein Polymethylphenylsiloxan, als Flüssigkeit und Quarz als Düsenmaterial benützt, kann sich das Verhältnis der Brechungsindices umkehren und der Düsenkanal erhält die Eigenschaften eines Lichtleiters. Damit ist die Länge und die Form des Düsenkanals unkritisch, und es können lange und gebogene Düsenkanäle realisiert werden.
Desweiteren ist die Absorption eines solchen Öls in einem weiten Wellenlängenbereich niedriger als die von Wasser, so daß zum einen die Arbeitslänge nicht mehr durch die Absorption in der Flüssigkeit beschränkt wird, und zum anderen der Effekt der thermischen Linse vor der Düse vermieden wird. Gleichzeitig ist die Schutzwirkung vor Oxidation während und nach der Bearbeitung des Materials von Bedeutung.
Ein Silikonöl besitzt eine ganze Reihe besonderer Merkmale, welche dessen problemlose Verwendung als Flüssigkeit für das hier beschriebene Verfahren ermöglichen. Silikonöl hat eine ausgezeichnete Oxidations-, Hydrolyse- und Witterungsbeständigkeit sowie eine chemische Indifferenz, welche die Korrosionsgefahr ausschließt, außerdem zeichnet es sich durch eine äußerst geringe Brennbarkeit und eine hohe Kompressibilität aus.

Claims (8)

1. Verfahren zum Bearbeiten eines Materials mit Hilfe eines Laserstrahls, welcher in einem auf das zu bearbeitende Material gerichteten Strahl einer für die Laserstrahlung durchlässigen Flüssigkeit geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl mittels einer Fokussieroptik in eine einen Flüssigkeitsstrahl erzeugende Düse, eine mit der unter Druck stehenden Flüssigkeit gefüllten Kammer passierend, derart fokussiert wird, daß die Achse des Düsenkanals und die Achse des fokussierten Laserstrahls zusammenfallen sowie der Brennpunkt sich im Düsenkanal oder in dessen unmittelbarer Nähe befindet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Flüssigkeit ein Silikonöl, insbesondere ein Silikonöl der Gruppe der Polymethylsiloxane, verwendet wird.
3. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die aus der Schnittfuge oder dem Loch des bearbeiteten Materials aus tretende Flüssigkeit in einem Auffangbecken gesammelt, anschließend in einem Filter von Materialpartikeln gereinigt und durch eine Pumpe über Hydraulikleitungen der Kammer vor der Düse zugeführt wird.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Patentansprüche 1-3 mit einem Laser, dessen Strahl mittels einer Fokussieroptik (10) in eine einen Strahl (2) einer für die Laserstrahlung durchlässigen Flüssigkeit (4) erzeugende Düse (3), eine mit der unter Druck stehenden Flüssigkeit gefüllten Kammer (12) passierend, derart fokussiert ist, daß die Achse des Düsenkanals (6) und die Achse des fokussierten Laserstrahls zusammenfallen, sowie der Brennpunkt sich im Düsenkanal (6) oder in dessen unmittelbarer Nähe befindet.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der den Laser verlassende Strahl in einen Lichtleiter (9) eingekoppelt ist, bevor er in die Düse fokussiert wird.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der flüssigkeitsgefüllten Kammer (12) parallel zur Strahlachse einen Wert zwischen dem halben Durchmesser des Düsenkanals (6) und 2 mm beträgt, um den Effekt der thermischen Linse in der Flüssigkeit vor der Düse (3) zu vermeiden.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4-6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Auffangbecken (16) die aus der Schnittfuge oder dem Loch des bearbeiteten Materials (13) austretende Flüssigkeit sammelt und eine Pumpe (14) die in einem Filter (17) von Materialpartikeln gereinigte Flüssigkeit der Kammer (12) zuführt.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4-7, dadurch gekennzeichnet, daß das Einkopplungssystem (20), welches aus der Fokussieroptik (10), der Kammer (12) und der Düse (3) besteht, in ein Verschiebesystem, insbesondere ein Knickarmroboter, integriert ist.
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