WO2014060091A1

WO2014060091A1 - Laserschneidmaschine und verfahren zum schneiden von werkstücken unterschiedlicher dicke

Info

Publication number: WO2014060091A1
Application number: PCT/EP2013/003094
Authority: WO
Inventors: Tim Hesse; Tobias Kaiser
Original assignee: Trumpf Werkzeugmaschinen Gmbh + Co. Kg
Priority date: 2012-10-19
Filing date: 2013-10-15
Publication date: 2014-04-24
Also published as: US20150217402A1; DE102012219074A1; CN112388157A; EP2908976B1; CN104781035A; US10300555B2; EP2908976A1; PL2908976T3

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Laserschneidmaschine (1) zum Schneiden eines Werk-stücks (2a) mit einer ersten Dicke (D1) mittels eines ersten Bearbeitungslaserstrahls (3a) mit einer ersten Laserstrahlcharakteristik und eines Werkstücks (2b) mit einer anderen zweiten Dicke (D2) mittels mindestens eines zweiten Bearbeitungslaserstrahls (3b) mit einer anderen zweiten Laserstrahlcharakteristik, aufweisend : eine Laserquelle (4), insbesondere ein Festkörperlaser, zur Erzeugung eines Rohlaserstrahls (5) mit einer Laserwellenlänge kleiner 4 μm, einen Bearbeitungskopf (6) und eine Einrichtung (7), die aus dem Rohlaserstrahl (5) die Bearbeitungslaserstrahlen (3a, 3b) mit der ersten und mit der zweiten Laserstrahlcharakteristik bildet, und eine Steuerung (8), die die Einrichtung (7) in Abhängigkeit von der Dicke (D1, D2) des zu schneidenden Werkstücks (2a, 2b) ansteuert. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Schneiden von Werkstücken (2a, 2b) unterschiedlicher Dicke (D1, D2) mittels eines Bearbeitungslaserstrahls (3a, 3b), wobei wahlweise Werkstücke (2a) mit einer ersten Dicke (D1) mittels eines ersten Bearbeitungslaserstrahls (3a) mit einer ersten Laserstrahlcharakteristik bearbeitet werden und Werkstücke (2b) mit einer anderen Dicke (D2) mittels mindestens eines zweiten Bearbeitungslaserstrahls (3b) mit einer anderen zweiten Laserstrahlcharakteristik bearbeitet werden.

Description

Laserschneidmaschine und Verfahren zum Schneiden von Werkstücken unterschiedlicher Dicke

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laserschneidmaschine und ein Verfahren zum Schneiden von Werkstücken unterschiedlicher Dicke mittels eines Laserstrahls

Die industrielle Laserbearbeitung metallischer Werkstücke hat sich in den letzten Jahren aufgrund des technischen Fortschritts in diesem Bereich rasch weiter entwickelt. Mit dieser Entwicklung sind die Erwartungen bzw. Ansprüche an die zu bear- beitenden Werkstücke stetig gestiegen, sodass heute von den Kunden in immer kürzerer (Produktions- )Zeit immer individuellere, komplexer gestaltete Produkte bzw. Werkstücke gefordert werden. Damit geht auch einher, dass zu fertigende Werkstücke immer häufiger eine aufwändige Gestalt mit mindestens zwei oder mehr unter- schiedlichen Werkstückdicken aufweisen oder dass einzelne Werkstücke jeweils mit einer definierten Werkstückdicke in immer kleineren Serien in kürzerer Zeit hergestellt werden müssen und insbesondere eine hohe Schneidqualität aufweisen sollen.

Zum Schneiden eines Werkstücks mit einer vergleichsweise großen Dicke (Dickble- che) ist in der Regel ein vergleichsweise großer Fokusdurchmesser des Bearbeitungslaserstrahls erwünscht, damit der Schnittspalt so breit ist, dass bei der Werkstückbearbeitung entstehende Schlacke ausgeblasen werden kann. Hingegen ist bei der Bearbeitung von Werkstücken mit vergleichsweise geringen Dicken (Dünnblechen), insbesondere zum schnellen Laserschneiden, ein vergleichsweise kleiner Fokusdurchmesser erwünscht.

Eine fortlaufende Umrüstung von Laserbearbeitungsmaschinen (von Maschinen mit kleinen Fokusdurchmessern hin zu Maschinen mit vergleichsweise größeren Fokusdurchmessern) ist jedoch aufgrund des unverhältnismäßig großen Aufwands keine gangbare Lösung, um den vorbeschriebenen Anforderungen an die Werkstückproduktion gerecht zu werden. Auch die schrittweise Bearbeitung eines Werkstücks mit unterschiedlichen Dicken auf zunächst einer ersten Laserbearbeitungsmaschine (z.B. eine Laserschneidmaschine mit einem kleinem Fokusdurchmesser) sowie anschließend (nach einem zwischenzeitlichen Transfer des Werkstücks) auf einer zweiten Laserbearbeitungsmaschine (mit einem vergleichsweise größeren Fokusdurchmesser) stellt keine wirtschaftlichere Alternative dar.

Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Laserschneidmaschine und ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, durch die das

Schneiden von Werkstücken unterschiedlicher Dicke mittels eines Laserstrahls in sicherer, qualitativ hochwertiger, wirtschaftlicher und insbesondere schneller Art und Weise möglich ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Laserschneidmaschine zum Schneiden eines Werkstücks mit einer ersten Dicke mittels eines ersten Bearbeitungslaserstrahls mit einer ersten Laserstrahlcharakteristik und eines Werkstücks mit einer anderen zweiten Dicke mittels mindestens eines zweiten Bearbeitungsla- serstrahls mit einer anderen zweiten Laserstrahlcharakteristik, aufweisend: eine Laserquelle, insbesondere ein Festkörperlaser, zur Erzeugung eines Rohlaserstrahls mit einer Laserwellenlänge kleiner 4 μηι, einen Bearbeitungskopf und eine Einrichtung, die aus dem Rohlaserstrahl die Bearbeitungslaserstrahlen mit der ersten und mit der zweiten Laserstrahlcharakteristik bildet, und eine Steuerung, die die Einrich- tung in Abhängigkeit von der Dicke des zu schneidenden Werkstücks ansteuert. Durch die erfindungsgemäße Laserschneidmaschine wird die Laserstrahlcharakteristik (die Strahlqualität der Bearbeitungslaserstrahlen) in vorteilhafter Weise in Abhängigkeit von der Dicke des zu bearbeitenden Werkstücks verändert. Durch diese Veränderung der Laserstrahlcharakteristik, die vor Ort (in situ) und während der Werkstückbearbeitung erfolgen kann, entfällt ein umständliches Umrüsten der Laserschneidmaschine oder ein Transferieren des zu bearbeitenden Werkstückes von einer ersten Laserschneidmaschine in eine zweite Laserschneidmaschine.

Erfindungsgemäß wird eingangs bestimmt, in welche Dickenkategorie ein zu bear- beitendes Werkstück fällt. Beispielsweise können so genannte Dünnbleche mit einer Werkstückdicke kleiner als 20 mm in eine erste Dickenkategorie eingestuft und mittels des ersten Bearbeitungslaserstrahls bearbeitet werden. Entsprechend können so genannte Dickbleche mit einer Werkstückdicke größer als 20 mm in die zweite Dickenkategorie eingestuft und mittels des zweiten Bearbeitungslaserstrahls bear- beitet werden. Die Einrichtung, die die Bearbeitungslaserstrahlen unterschiedlicher Lasercharakteristik bildet, kann entweder durch die Steuerung, die in Abhängigkeit von der Werkstückdicke den Bearbeitungslaserstrahl mit der geeigneten Lasercharakteristik auswählt, angesteuert oder alternativ auch manuell betätigt werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Laserschneidmaschine eine Schneidgasdüse, die einen Düsendurchmesser von mindestens 3 mm aufweist. Durch eine derartige Schneidgasdüse, die vorzugsweise nach dem Nebenstromprin- zip arbeitet und im Betrieb einen vergleichsweise geringen Volumenstrom erfordert, ist in vorteilhafter Weise ein Laserschnitt mit hoher Schnittqualität (Schönschnitt) möglich. Durch das Laserschneiden mit einer Schneidgasdüse, die einen Düseninnendurchmesser größer 3 mm aufweist, wird eine größere Abdeckung des Schnittspalts erreicht. Zur weiteren Steigerung der Qualität des Schnittergebnisses wird die Schneidgasdüse bevorzugt während des Laserschneidens in einem Arbeitsabstand von weniger ais 1 mm eingesetzt. Ferner kann zur weiteren Steigerung der Schnittqualität der Düsendurchmesser bei kleinen Werkstückdicken (z.B. Dicke kleiner als 20 mm) kleiner gewählt werden als bei großen Werkstückdicken (z.B. Dicke größer als 20 mm). Somit wird das Schneidgas optimal in den Schnittspalt eingekoppelt. Insbesondere können mit einer derartigen Laserschneidmaschine auch bei Dickble- chen solch hohe Schnittqualitäten erzielt werden.

Bevorzugt ist auch eine Ausführungsform, bei der die Einrichtung durch eine verstellbare Ablenkoptik und eine Mehrfachfaser mit mehreren Fasern ausgebildet ist, und wobei der Rohlaserstrahl an dem einen Faserende der Mehrfachfaser durch die Ab- lenkoptik wahlweise in eine oder mehrere Fasern einkoppelbar und am anderen Faserende als Bearbeitungslaserstrahl mit unterschiedlicher Laserstrahlcharakteristik auskoppelbar ist. Durch die Mehrfachfaser und die Ablenkoptik kann erfindungsgemäß die Strahlqualität bzw. die Laserstrahlcharakteristik des Bearbeitungslaserstrahls in Abhängigkeit von der Dicke des zu bearbeitenden Werkstücks auf dem Strahlweg zwischen dem Erzeugungsort (der Laserquelle) und dem Bearbeitungsort (am Werkstück) verändert werden. Die Mehrfachfaser erübrigt die Anordnung einer beweglichen Linsen-Optik zur Fokusdurchmesserverstellung im Laserbearbeitungskopf, wodurch ein deutlich kleinerer (kompakterer) und leichterer Aufbau des Bearbeitungskopfs und somit höhere Bearbeitungsgeschwindigkeiten realisiert werden können. Gleichzeitig bleibt das komplette Bearbeitungsspektrum (Dick-/Dünnblech, Brenn-/ Schmelzschnitt) erhalten. Zur Einkopplung des Rohlaserstrahls in die Mehrfachfaser kann die Ablenkoptik beispielsweise als bewegbares Prisma bzw. als eine Keilplatte ausgebildet sein. Bei einer bevorzugten Weiterbildung der vorhergehenden Ausführungsform weist die Mehrfachfaser eine innere Kernfaser und zumindest eine äußere Mantelfaser auf. Zur Erzeugung der unterschiedlichen Laserstrahlcharakteristiken wird der Rohlaserstrahl wahlweise entweder zumindest in eine innere Kernfaser der Mehrfachfaser oder zumindest in mindestens eine äußere Mantelfaser der Mehrfachfaser eingekoppelt. Durch ein Kern-Mantel-Lichtleitkabel (so genanntes Doppelclad-LLK) als Lichtleiter kann beispielsweise dicker Baustahl (Blechdicken größer als 20 mm) in sehr guter Qualität geschnitten werden. Besonders bevorzugt weist die Kernfaser einen Faserkerndurchmesser kleiner 100μηη auf, sodass insbesondere Dünnbleche besonders schnell und mit einer qualitativ besonders hochwertigen Schneidqualität bearbeitet werden können. Besonders bevorzugt weist des Weiteren die Mantelfaser einen Außendurchmesser auf, der größer als der dreifache Faserkerndurchmesser der Kernfaser ist. Bei einer anderen bevorzugten Weiterbildung weist die Mehrfachfaser mehrere Einzelfasern mit unterschiedlich großen Querschnittsflächen und/oder

Querschnittsformen auf. Zur Erzeugung der unterschiedlichen Laserstrahlcharakteristiken wird der Rohlaserstrahl wahlweise in eine oder mehrere der Einzelfasern mit unterschiedlich großen Querschnittsflächen und/oder Querschnittsformen

eingekoppelt.

Bevorzugt ist ferner eine Weiterbildung, bei der die Mehrfachfaser mindestens vier Einzelfasern aufweist, von denen zwei erste Einzelfasern (nahezu) gleich große Querschnittsflächen mit jeweils unterschiedlichen Querschnittsformen aufweisen und von denen die anderen zwei zweiten Einzelfasern andere (nahezu) gleich große

Querschnittsflächen mit jeweils unterschiedlichen Querschnittsformen aufweisen. Die zwei ersten Einzelfasern weisen jeweils erste gleich große Querschnittsflächen auf. Die zwei zweiten Einzelfasern weisen ebenfalls jeweils zwei gleich große

Querschnittsflächen auf, wobei deren Querschnittsflächen größer (anders) als die Querschnittsflächen der ersten zwei Einzelfasern sind. Somit sind die ersten zwei Einzelfasern bzw. der durch diese Einzelfasern jeweils gebildete Bearbeitungslaserstrahl beispielsweise für Dünnbleche und die zweiten zwei Einzelfasern bzw. der durch diese Einzelfasern jeweils gebildete Bearbeitungslaserstrahl für Dickbleche einsetzbar. Dadurch, dass die ersten zwei und zweiten zwei Einzelfasern ferner je- weils unterschiedliche Querschnittsformen (zum Beispiel runde und rechteckige oder runde und ovale Querschnittsformen) aufweisen, können ferner Spezialanwendungen, wie zum Beispiel ein schnellerer Laserschnitt oder eine weiter gesteigerte Schneidqualität durchgeführt werden. Beispielsweise kann durch den mittels einer runden Einzelfaser erzeugten Bearbeitungslaserstrahl eine richtungsunabhängige Bearbeitung von dicken oder dünnen Werkstücken vorgenommen werden. Rechteck- förmige Einzelfasern können hingegen für vergleichsweise schnelle Laserschnitte eingesetzt werden. Hierzu ist der Rohlaserstrahl entsprechend in die jeweiligen Einzelfasern einzukoppeln.

Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Einrichtung durch ein Strahlformungselement oder durch mehrere unterschiedliche Strahlformungselemente gebildet, die im Bearbeitungskopf angeordnet und wahlweise in den Strahlengang des Laserstrahls bewegbar sind. Das Strahlformungselement oder die mehreren unterschiedlichen Strahlformungselemente führen jeweils zu einer anderen Laserstrahlcharakteristik. Im Falle eines einzigen Strahlformungselements ist dieses entweder im oder außerhalb des Strahlengangs vorgesehen, wodurch ebenfalls zwei unterschiedliche Laserstrahlcharakteristiken bereitgestellt sind. Bevorzugt sind die Strahlformungselemente als diffraktive und/oder refraktive optische Elemente ausge- bildet.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß auch gelöst durch ein Verfahren zum Schneiden von Werkstücken unterschiedlicher Dicke mittels eines Bearbeitungslaserstrahls, wobei wahlweise Werkstücke mit einer ersten Dicke mittels eines ersten Bearbei- tungslaserstrahls mit einer ersten Laserstrahlcharakteristik bearbeitet werden und Werkstücke mit einer anderen Dicke mittels mindestens eines zweiten Bearbeitungslaserstrahls mit einer anderen zweiten Laserstrahlcharakteristik bearbeitet werden, und wobei die beiden Bearbeitungslaserstrahlen aus einem Rohlaserstrahl gebildet werden. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ergeben sich im Wesentlichen die- selben Vorteile wie durch die erfindungsgemäße Laserschneidmaschine. Es versteht sich, dass das erfindungsgemäße Verfahren nicht auf einen ersten und zweiten Bearbeitungslaserstrahl beschränkt ist, sondern gegebenenfalls weitere Bearbeitungslaserstrahlen mit weiteren Laserstrahlcharakteristiken zur Bearbeitung weiterer Dickenkategorien eingesetzt werden können.

Bei einer bevorzugten Verfahrensvariante wird der Rohlaserstrahl an dem einen Faserende einer Mehrfachfaser wahlweise in eine oder mehrere Fasern eingekoppelt und als Bearbeitungslaserstrahlen mit unterschiedlichen Laserstrahlcharakteristiken aus dem anderen Faserende ausgekoppelt. Diese Variante stellt eine besonders ein- fache und effektive Möglichkeit der Veränderung der Laserstrahlcharakteristiken (bzw. des Wechsels zwischen zwei Laserstrahlcharakteristiken) zur Bearbeitung von Werkstücken mit unterschiedlichen Dicken dar. Durch die wahlweise Einkopplung in eine oder mehrere Fasern werden auskoppelseitig unterschiedliche Laserstrahlcha- rakteristiken (zum Beispiel unterschiedliche Strahldurchmesser oder Fokuslagen) der Bearbeitungslaserstrahlen zur Verfügung gestellt. Die Einkopplung der Rohlaserstrahlen in die Mehrfachfaser kann räumlich entfernt von dem unmittelbaren Bearbeitungsbereich des Werkstücks erfolgen, sodass in vorteilhafter Weise zur Bearbeitung der Werkstücke nur das auskoppelseitige Ende der Mehrfachfaser in die Nähe des Bearbeitungsbereichs geführt werden muss. Dies erlaubt insbesondere eine höhere Dynamik bei der Laserbearbeitung der Werkstücke. Schließlich ist eine Verfahrensvariante bevorzugt, bei der sich die erste und die zweite Laserstrahlcharakteristik bezüglich des Fokusdurchmessers und/oder des Laserstrahldurchmessers unterscheiden.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.

Es zeigen: Fig. 1 a eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laserschneidmaschine zum Schneiden von Werkstücken unterschiedlicher Dicke mit einer Einrichtung zum wahlweisen Erzeugen von zwei Bearbeitungslaserstrahlen unterschiedlicher Laserstrahlcharakteristik mittels Strahlformungselementen;

Fig. 1 b eine Schneidgasdüse der Laserschneidmaschine aus Fig. 1a in einem vergrößerten Teilausschnitt;

Fign. 2a, 2b eine erfindungsgemäße Einrichtung zum wahlweisen Erzeugen von

Bearbeitungslaserstrahlen unterschiedlicher Lasercharakteristik aus dem gleichen Rohlaserstrahl mittels einer Doppelclad-Faser; Fig. 3 eine weitere erfindungsgemäße Einrichtung zum wahlweisen Erzeugen von Bearbeitungslaserstrahlen unterschiedlicher Lasercharakteristik mittels einer aus mehreren Einzelfasern unterschiedlichen

Durchmessers bestehenden Mehrfachfaser; und

Fig. 4 eine weitere erfindungsgemäße Einrichtung zum wahlweisen Erzeugen von Bearbeitungslaserstrahlen unterschiedlicher Lasercharakteristik mittels einer aus mehreren Einzelfasern mit unterschiedlich großen Querschnittsflächen und/oder Querschnittsformen bestehenden Mehrfachfaser.

In der Fig. 1a ist eine Laserschneidmaschine 1 zum Laserschneiden von Werkstücken (z.B. Blechen) unterschiedlicher Dicke mittels eines Bearbeitungslaserstrahls dargestellt. Dabei werden Werkstücke 2a mit einer geringeren Dicke D1 mittels eines ersten Bearbeitungslaserstrahls 3a und Werkstück 2b mit einer größeren Dicke D2 mittels eines zweiten Bearbeitungslaserstrahls 3b bearbeitet. Die Laserschneidmaschine 1 weist eine Laserquelle 4 zur Erzeugung eines Rohlaserstrahls 5 sowie einen Bearbeitungskopf 6 zum Fokussieren der Bearbeitungslaserstrahlen 3a, 3b auf das zu bearbeitende Werkstück 2a,2b auf. An dem Bearbeitungskopf 6 ist eine durch mehrere unterschiedliche Strahlformungselemente 7a-7c gebildete Einrich- tung 7 angeordnet, die aus dem Rohlaserstrahl 5 durch wahlweises Bewegen der Strahlformungselemente 7a-7c in den Strahlengang des Rohlaserstrahls 5 die Bearbeitungslaserstrahlen 3a, 3b mit einer ersten und mit einer zweiten Laserstrahlcharakteristik bildet. Die unterschiedlichen Laserstrahlcharakteristiken zeigen sich beispielsweise in unterschiedlichen Fokusdurchmessern und/oder Laserstrahldurch- messern und/oder Laserwellenlängen (vgl. Fign. 2a, 2b). Die Laserschneidmaschine 1 weist ferner eine Steuerung 8 auf, die die Einrichtung 7 in Abhängigkeit von der Dicke D1 , D2 des zu schneidenden Werkstücks 2a, 2b ansteuert. Die Laserwellenlänge der Laserquelle 4 ist kleiner 4 pm, wobei es sich bei der Laserquelle 4 insbesondere um einen Festkörperlaser handelt.

Die Einrichtung 7 umfasst hier beispielhaft die drei unterschiedliche Strahlformungselemente 7a-7c, die diffraktive und/oder refraktive optische Elemente sein können. Es versteht sich, dass die Einrichtung 7 grundsätzlich auch durch ein einziges Strahlformungselement 7a, 7b oder 7c gebildet sein kann. Der über einen Lichtleiter 9 zugeführte Rohlaserstrahl 5 wird mittels eines Kollimators 10 als kollimierter Strahl ausgekoppelt, durchdringt anschließend das im Strahlengang befindliche Strahlformungselement 7a-7c, das den Laserstrahl jeweils in seiner Lasercharakteristik, z.B. in seiner Laserstrahlintensität, verändert, und wird über eine Fokussierlinse aus dem Bearbeitungskopf 6 als Bearbeitungsiaserstrahl 3a, 3b ausgekoppelt. Die drei Strahlformungselemente 7a- 7c können, wie vorliegend, an einer Drehscheibe 11 vorgesehen sein, die in Abhängigkeit von der zu bearbeitenden Werkstückdicke D1 , D2 durch einen Bediener manuell oder durch die Steuerung 8 gedreht wird, bis sich das jeweils gewünschte Strahlformungselement 7a-7c im Strahlengang befindet. Die Steuerung 8 ist vorteilhaft Teil der NC-Maschinensteuerung der Laserschneidmaschine 1 , um entsprechend der programmierten Werkstückdicke eines auf der NC- Maschinensteuerung 8 ablaufenden NC-Programms entweder den einen oder den anderen Bearbeitungslaserstrahl 3a, 3b zu bilden. Alternativ kann die Steuerung 8 aber auch über nicht dargestellte Sensoren die Werkstückdicke erfassen und die Drehscheibe 11 entsprechend ansteuern. Beispielsweise können dünnere Bleche (Dünnbleche) mit einer Dicke D1 bis ca. 20 mm mittels des einen Bearbeitungslaserstrahls 3a und dickere Bleche (Dickbleche) mit einer Dicke D2 größer als ca. 20 mm mittels des anderen Bearbeitungslaserstrahls 3b bearbeitet werden. Die Laserschneidmaschine 1 weist ferner eine Schneidgasdüse 12 auf, die einen Düsendurchmesser 13 von mindestens 3mm aufweist, und die in der Fig. 1b vergrößert dargestellt ist. Die Schneidgasdüse 12, die koaxial zur Laserstrahlachse 14 angeordnet ist, erzeugt einen Gasstrom 15, der gegen die Oberfläche der zu bearbeitenden Werkstücke 2a,2b, insbesondere in einen in den Werkstücken 2a,2b ge- bildeten Schnittspalt, geleitet wird. Bevorzugt arbeitet die Schneidgasdüse 12 nach dem in der Fig. 1 b schematisch dargestellten Nebenstromprinzip, sodass sie während des Laserschneidens einen vergleichsweise geringen Volumenstrom und somit einen nur geringen Schneidgasverbrauch erfordert. Durch die Schneidgasdüse 12 kann ein qualitativ hochwertiger Schnitt (beispielsweise ohne eine Gratbildung) nicht nur an Werkstücken 2a mit vergleichsweise geringer Dicke D1 (z.B. Dünnbleche) sondern auch an Werkstücken 2b mit größeren Dicken D2 (z.B. Dickbleche) erzeugt werden. Es versteht sich, dass alternativ zu der Schneidgasdüse 12 auch andere Schneidgasdüsen mit einem Düsendurchmesser 13 von mindestens 3mm eingesetzt werden können. In den Fign. 2a und 2b ist eine durch eine verstellbare Ablenkoptik 16 und eine Mehrfachfaser 17 gebildete Einrichtung 18 zum wahlweisen Erzeugen von Bearbeitungslaserstrahlen 3a, 3b unterschiedlicher Lasercharakteristik aus dem Rohlaser- strahl 5 gezeigt. Die Mehrfachfaser 17 ist als Doppelclad-Faser mit einer inneren Kernfaser 19 (Durchmesser D_K) und mit einer die innere Kernfaser 19 umgebenden äußeren Mantelfaser 20 (Außendurchmesser D_M) ausgebildet. An dem einen Faserende 21 der Mehrfachfaser 17 wird der Rohlaserstrahl 5 einer hier nicht gezeigten Laserquelle durch die Ablenkoptik 16 wahlweise in die Kernfaser 19 und/oder die Mantelfaser 20 eingekoppelt und tritt abhängig davon, in welche der Fasern 19, 20 der Rohlaserstrahl 5 eingekoppelt wurde, mit unterschiedlichen Laserstrahlcharakteristiken, z.B. mit unterschiedlichen Laserstrahldurchmessern bzw. Fokusdurchmessern DFK-I, D_FK2, an dem anderen Faserende 22 als Bearbeitungslaserstrahl 3a oder 3b aus. Zur wähl weisen Einkopplung in die Fasern 19,20 der Mehrfachfaser 17 kann die von der Steuerung 8 angesteuerte oder alternativ manuell durch einen Bediener betätigbare Ablenkeinrichtung 16, z.B. in Form einer in den Strahlengang des Rohlaserstrahls 5 bewegbare Keilplatte 16, vorgesehen sein. Als besonders vorteilhaft zur Erzeugung unterschiedlicher Lasercharakteristiken haben sich Mehrfachfasern 17 erwiesen, die eine Kernfaser 19 mit möglichst kleinem Faserkerndurchmesser D_K <1 ΟΟμητι und eine Mantelfaser 20 mit einem Außendurchmesser D_M größer als der dreifache Faserkerndurchmesser D_K aufweisen.

Wird der Rohlaserstrahl 5 beispielsweise nur in die Kernfaser 19 eingekoppelt, so ergibt sich ein kleiner Fokusdurchmesser DFKI mit einer hohen Strahlqualität, was bei hohen Vorschubgeschwindigkeiten und bei der Laserbearbeitung von Dünnblechen (D1 < 20 mm) vorteilhaft ist. Wird der Rohlaserstrahl 5 in die Mantelfaserfaser 20 eingekoppelt, so ergibt sich ein größerer Fokusdurchmesser D_FK2 mit vergleichsweise geringerer Strahlqualität, was wiederum bei geringeren Vorschubgeschwindigkeiten und bei der Laserbearbeitung von Dickblechen (D2 > 20 mm) vorteilhaft ist. Be- sonders günstig wirkt sich der große Fokusdurchmesser D_FK2 dadurch aus, dass Fokuslagen nahe der Blechoberseite gewählt werden können, wodurch ein Einlauf der Schnittkante an der Blechoberseite vermieden werden kann. Durch den großen Schnittspalt kann ferner der Gasdruck beim Laserbearbeiten geringer gewählt werden. Es versteht sich, dass anstelle der gezeigten Doppelclad-Faser auch Mehrfachclad- Fasern, die eine innere Kernfaser und mehrere äußere Mantelfasern aufweisen, vorgesehen sein können, sodass durch wahlweises Einkoppeln in diese Fasern viele unterschiedliche Laserstrahlcharakteristiken erzeugt werden können. Ebenso ist es möglich, dass die innere Kernfaser sowie die äußere Mantelfaser abweichend von dem runden Querschnitt auch andere Querschnittsformen und/oder

Querschnittsflächen aufweisen können. Beispielsweise sind ovale und/oder rechteckige Querschnittsformen denkbar.

Statt der in den Fign. 2a und 2b gezeigten Doppelclad-Faser 17 kann zur Erzeugung unterschiedlicher Lasercharakteristiken auch die in Fig. 3 gezeigte Mehrfachfaser 23 eingesetzt werden, die eine Vielzahl an parallelen Einzelfasern 24 mit jeweils unterschiedlich großen Durchmessern aufweist. Analog zu den Fign. 2a und 2b kann ein Rohlaserstrahl wahlweise in eine oder mehrere der Einzelfasern 24 eingekoppelt und als Bearbeitungslaserstrahlen mit jeweils unterschiedlichen Laserstrahlcharakteristiken ausgekoppelt werden.

Statt der in den Fign. 2a,2b,3 gezeigten Mehrfachfasern 17,23 kann schließlich zur Erzeugung unterschiedlicher Lasercharakteristiken auch die in Fig. 4 gezeigte Mehrfachfaser 25 eingesetzt werden, die mindestens vier Einzelfasern aufweist, von denen zwei erste Einzelfasern 26a,26b gleich große Querschnittsflächen mit jeweils unterschiedlichen Querschnittsformen (hier ein großer kreisförmiger und ein großer rechteckiger Querschnitt) aufweisen und von denen die anderen zwei zweiten Ein- zelfasern 27a,27b andere gleich große Querschnittsflächen mit jeweils unterschiedlichen Querschnittsformen (hier ein kleiner kreisförmiger und ein kleiner rechteckiger Querschnitt) aufweisen. Der durch die ersten zwei Einzelfasern 26a, 26b jeweils gebildete Bearbeitungslaserstrahl kann beispielsweise für Dickbleche D2 und der durch die zweiten zwei Einzelfasern 27a,27b jeweils gebildete Bearbeitungslaserstrahl für Dünnbleche D1 eingesetzt werden. Durch die unterschiedlichen Querschnittsformen (hier Kreisform und Rechteckform) können vorteilhaft unterschiedliche Spezialanwendungen beim Laserschneiden durchgeführt werden. Zum Beispiel ist beim Schneiden eines Dünnblechs D1 mit einem aus der kleinen runden Einzelfaser 27a ausgekoppelten Bearbeitungslaserstrahl ein richtungsunabhängiger Normalschnitt durchführbar, wohingegen mit einem aus der kleinen rechteckigen Einzelfaser 27b ausgekoppelten Bearbeitungslaserstrahl ein richtungsabhängiger, schnellerer Laserschnitt durchgeführt werden kann. Es versteht sich, dass auch mehr als zwei Querschnittsformen pro gleich große Querschnittsfläche oder mehr als zwei gleiche Querschnittsgrößen vorteilhaft eingesetzt werden können.

Claims

Patentansprüche

1. Laserschneidmaschine (1 ) zum Schneiden eines Werkstücks (2a, 2b) mit einer ersten Dicke (D1 , D2) mittels eines ersten Bearbeitungslaserstrahls (3a) mit einer ersten Laserstrahlcharakteristik (D_FKI) und eines Werkstücks (2b) mit einer anderen zweiten Dicke (D2) mittels mindestens eines zweiten Bearbeitungslaserstrahls (3b) mit einer anderen zweiten Laserstrahlcharakteristik (D_FK2), aufweisend: eine Laserquelle (4), insbesondere ein Festkörperlaser, zur Erzeugung eines Rohlaserstrahls (5) mit einer Laserwellenlänge kleiner 4 μιη, einen Bearbeitungskopf (6) und eine Einrichtung (7; 18), die aus dem Rohlaserstrahl (5) die Bearbeitungslaserstrahlen (3a, 3b) mit der ersten und mit der zweiten Laserstrahlcharakteristik (D_FK-_I ,D_FK2) bildet, und eine Steuerung (8), die die Einrichtung (7;18) in Abhängigkeit von der Dicke (D1 , D2) des zu schneidenden Werkstücks (2a, 2b) ansteuert.

2. Laserschneidmaschine nach Anspruch 1 mit einer Schneidgasdüse (12), die einen Düsendurchmesser (13) von mindestens 3 mm aufweist.

3. Laserschneidmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (18) durch eine verstellbare Ablenkoptik (16) und eine Mehrfachfaser (17;23;25) mit mehreren Fasern (19,20;24;26,27) ausgebildet ist, und wobei der Rohlaserstrahl (5) an dem einen Faserende (21 ) der Mehrfachfaser (17;23;25) durch die Ablenkoptik (16) wahlweise in eine oder mehrere Fasern (19,20;24;26,27) einkoppelbar und am anderen Faserende (22) als Bearbeitungslaserstrahl (3a, 3b) mit unterschiedlicher Laserstrahlcharakteristik (D_FKI, _FK₂) auskoppelbar ist.

4. Laserschneidmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrfachfaser (17) eine innere Kernfaser (19) und zumindest eine äußere Mantelfaser (20) aufweist.

5. Laserschneidmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kernfaser (19) einen Faserkerndurchmesser (D_K) kleiner 100pm aufweist.

6. Laserschneidmaschine nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelfaser (20) einen Außendurchmesser (D_M) aufweist, der größer als der dreifache Faserkerndurchmesser (D_K) der Kernfaser (19) ist.

7. Laserschneidmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrfachfaser (23;25) mehrere Einzelfasern (24;26,27) mit unterschiedlich großen Querschnittsflächen und/oder Querschnittsformen aufweist.

8. Laserschneidmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrfachfaser (25) mindestens vier Einzelfasern (26a,26b,27a,27b) aufweist, von denen zwei erste Einzelfasern (26a, 26b) gleich große Querschnittsflächen mit jeweils unterschiedlichen Querschnittsformen aufweisen und von denen die anderen zwei zweiten Einzelfasern (27a,27b) andere gleich große

Querschnittsflächen mit jeweils unterschiedlichen Querschnittsformen aufweisen.

9. Laserschneidmaschine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (7) durch ein Strahlformungselement (7a, 7b, 7c) oder durch mehrere unterschiedliche Strahlformungselemente (7a-7c) gebildet ist, die im Bearbeitungskopf (6) angeordnet und wahlweise in den Strahlengang des Laserstrahls (5) bewegbar sind.

10. Laserschneidmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlformungselemente als diffraktive und/oder refraktive optische Elemente (7a, 7b, 7c) ausgebildet sind.

1 . Verfahren zum Schneiden von Werkstücken (2a, 2b) unterschiedlicher Dicke (D1 , D2) mittels eines Bearbeitungslaserstrahls (3a, 3b), wobei wahlweise Werkstücke (2a) mit einer ersten Dicke (D1 ) mittels eines ersten Bearbeitungslaserstrahls (3a) mit einer ersten Laserstrahlcharakteristik (D_FKI ) bearbeitet werden und Werkstücke (2b) mit einer anderen Dicke (D2) mittels mindes- tens eines zweiten Bearbeitungslaserstrahls (3b) mit einer anderen zweiten Laserstrahlcharakteristik (D_FKI) bearbeitet werden, und wobei die beiden Bearbeitungslaserstrahlen (3a, 3b) aus einem Rohlaserstrahl (5) gebildet werden.

12. Verfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der Rohlaserstrahl (5) an dem einen Faserende (21 ) einer Mehrfachfaser (18;23;25) wahlweise in eine oder mehrere Fasern (19,20;24;26,27) eingekoppelt und als Bearbeitungslaserstrahlen (3a, 3b) mit unterschiedlichen Laserstrahlcharakteristiken (D_FKI , D_FK2) aus dem anderen Faserende (22) ausgekoppelt wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 1 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Laserstrahlcharakteristik sich bezüglich des Fokusdurchmessers (D_FK) und/oder des Laserstrahldurchmessers unterscheiden.