WO2015158537A1 - Verfahren und vorrichtung zum lasergestützten trennen eines werkstücks - Google Patents

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WO2015158537A1
WO2015158537A1 PCT/EP2015/056869 EP2015056869W WO2015158537A1 WO 2015158537 A1 WO2015158537 A1 WO 2015158537A1 EP 2015056869 W EP2015056869 W EP 2015056869W WO 2015158537 A1 WO2015158537 A1 WO 2015158537A1
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laser
tool
workpiece
laser scanner
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PCT/EP2015/056869
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Christian Klingelhöller
Dominik GRIEFAHN
Tobias Geis
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Tutech Innovation Gmbh
Technische Universität Hamburg-Harburg
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Publication date
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    • B23P25/006—Heating the workpiece by laser during machining

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus and method for laser-assisted cutting of a workpiece.
  • CA 2 259 700 A1 discloses a laser-assisted cutting tool in which wood or other materials are separated by separating the material along a line of weakness using a mechanical force in conjunction with laser light. For this purpose, laser light is guided through the blade in optical fibers and directed to the area in front of the cutting edge.
  • a laser-assisted sawing device in which a laser source is used to cut a cut or a groove in a piece of wood before sawing.
  • Laser and saw are arranged rigidly to each other, so that when sawing a curved contour, the cuts of the laser and the saw blade fall apart.
  • US 2004/0104207 A1 discloses a laser-assisted, machining process in which the laser light is used for heating and simultaneous softening of the workpiece. As a result, the chip can be removed faster and the temperature of the tool tip better controlled.
  • CA 2 558 898 discloses a milling method in which a first laser for heating the workpiece surface and a second laser for heating a chamfer on the workpiece are used.
  • the present invention has for its object to produce a clean separation edge as possible in a separation process with simple means.
  • the method according to the invention serves for laser-assisted separation of a workpiece with a separating tool that can be moved along a predetermined contour relative to the workpiece.
  • the method according to the invention thus relates in particular to those separation processes in which not only the workpiece but above all the separating tool can be moved.
  • the method also makes use of a laser scanner, which can align and focus its laser beam within a workspace.
  • the laser scanner cuts a groove along the contour into the workpiece.
  • the travel path of the tool and the laser scanner are jointly controlled in such a way that the tool runs along the path of the laser beam cut groove cut, wherein in a curved contour portion of the laser beam of the laser scanner is deflected within its working range relative to the tool.
  • a laser scanner is a device that can focus a laser beam with the aim of laser cutting in a plane or in a volume.
  • the process of focusing and moving the laser beam on a component surface through the scanner is referred to as exposure.
  • the tool cuts the workpiece within the working range of the laser scanner.
  • the working area of the laser scanner is preferably designed as a three-dimensional working area, in which the laser beam can be focused on a point.
  • the work area is then the two-dimensional projection of the three-dimensional work area onto the surface of the workpiece.
  • the laser scanner can cut several times along the contour to be cut in order to produce a defined chamfer width and / or chamfer geometry.
  • the travel speed of the laser beam on the workpiece and the laser cutting on the workpiece are generally carried out at a significantly greater speed than the tool is moved relative to the workpiece.
  • the laser scanner according to the invention is mounted near the tool interface and, like the tool, moves relative to the workpiece.
  • the laser beam over the Freedom level of the laser scanner relative to the tool to be moved. This relative movement can be performed by the laser scanner at speeds at least an order of magnitude higher than that of the tool itself. This allows a sequential multiple pre-processing of Laservorritznut (multiple exposure) with a correspondingly high penetration depth.
  • a cutting force component directed into the workpiece is applied by the tool on the side facing away from the laser scanner.
  • delamination along the cutting edge can be effectively prevented.
  • chipping of the cut edge or delamination of the workpiece is effectively prevented on both sides.
  • the fiction, contemporary task is also achieved by a device for laser-assisted cutting a workpiece with a cutting tool.
  • the cutting tool is movable along a predetermined contour relative to the workpiece.
  • the laser beam can cut a groove into the workpiece within a working range of a laser scanner along the contour.
  • a fiction, according to provided control controls a positioning drive for the cutting tool and for the laser scanner such that the tool cuts along the cut by the laser beam groove, wherein at a curved contour portion of the laser beam is deflected by means of the laser scanner within the working area relative to the tool ,
  • a separation of the workpiece takes place in two ways in the context of the separation process. First, outer layers or parts of the Separate outer layer with the laser beam and then the remaining material with the cutting tool.
  • the laser scanner is rotatably mounted around the tool holder and moves with the tool.
  • the laser scanner thus moves relative to the workpiece in two ways, wherein one movement is carried out together with the separating tool and the other movement by rotation about the vertical axis of the separating tool.
  • the rotation of the laser scanner about the vertical axis of the tool allows a shift of the working range of the laser scanner on the workpiece surface, so that the working range of the laser scanner is positioned in the feed direction in front of the cutting tool.
  • the movement of the laser beam within the working range of the laser scanner is the movement that allows the departure of a curved contour portion with a travel speed relative to the workpiece, which is preferably not equal to the speed of movement of the tool relative to the workpiece.
  • the laser scanner is tiltable about a further axis, which is not parallel to the vertical axis of the tool.
  • the tilting of the laser scanner makes it possible to move the working area of the scanner on the workpiece surface and to set an angle between the main axis of the laser scanner and perpendicular to the workpiece surface.
  • the laser beam is inclined by rotation of the scanner about the tool vertical axis and inclination about an axis not parallel thereto at a laser incident angle to the workpiece surface.
  • This rotation and inclination of the laser scanning unit makes it possible to cut a defined chamfer angle on the workpiece.
  • the bevel angle corresponds to the projection of the Solid angle of the laser incidence on a plane orthogonal to the feed direction of the separating tool s.
  • a second laser scanning unit is provided, the working area of which is directed onto the cut edge on the side of the workpiece facing away from the first laser scanning unit.
  • the second laser scanning unit makes it possible to remove a burr and / or to cut a chamfer along the cutting edge, also on the side of the workpiece facing away from the laser scanning unit.
  • FIGS. 1 shows a cutting tool during the separation process of a plane
  • FIG. 2 is a view taken along the line A-A of FIG. 1,
  • FIG. 3 is a plan view of the cutting tool of FIG. 1,
  • Fig. 4 shows a second embodiment with two laser scanners in one
  • FIGS. 7a-b show two variants of a chamfer on the workpiece edge
  • Fig. 8 is a schematic view of a heat affected zone
  • Fig. 9 shows a third embodiment with a disc-shaped, cutting
  • Fig. 1 shows a cutting tool 6, which rotates with the direction of rotation and speed n about its vertical axis 10 and thereby moves in the traversing direction with traversing speed Vf.
  • a laser scanner 1 is arranged at a distance Ii to the vertical axis 10 of the tool and aligned about a transversely to the vertical axis standing axis D, which is perpendicular to the workpiece normal.
  • the laser scanner 1 is inclined by the angle i about the D-axis.
  • the laser scanner 1 generates a focal point 11 on the upper side of the workpiece 5.
  • the laser scanner 1 has a three-dimensional working area 2 within which the laser beam 7 can be moved in a focused manner to produce a focal point 11.
  • the main axis 21 of the laser scanner is aligned by tilting at the angle i so that it intersects the vertical axis 10 of the tool on the underside of the workpiece 5.
  • Fig. 2 shows the structure of Fig. 1 along the sectional view AA. It can be seen clearly in FIG. 2 that the cutting tool 6 runs along a curved contour line 22 which is pre-cut through the focal point 11 of the laser scanner 1. It can also clearly be seen in FIG. 2 that the laser beam is deflected eccentrically on the workpiece in the oval working region 2 of the laser scanner. The cutting tool can be moved on any machining contours 8. Even cornering and acute angles along this machining contour 8 are possible.
  • the described rotation of the laser scanner 1 about the vertical axis 10 and the D axis serve to reach areas in front of the cutting workpiece on the workpiece surface with the focal point 11 in order to be able to achieve a machining by the laser beam before machining.
  • FIG. 3 shows the section from FIG. 2 with a laser scanning unit rotated by the angle .beta.i.
  • the laser scanning unit 1 is rotatable about the vertical axis 10 of the tool. This allows working area 2 of the laser scanner 1 to be displaced to cut the desired edge.
  • the second laser scanning unit 12 is rotated by an angle ⁇ 2 with respect to the opposite feed direction of the cutting tool. Also, the distance 1 2 of the second laser scanning unit 12 relative to the workpiece may be different from the distance Ii. With the use of a first and a second laser scanner, the workpiece edge can be chamfered on both sides, for example.
  • Fig. 6 shows the processing steps in their order A to G, wherein in each case the same workpiece cross-section is shown at different times, while the separation process takes place.
  • Fig. 6 shows an optional measurement of the difference distance ⁇ between a known sensor position and the FIG. 6B shows the incident laser of the first laser scanner unit, which falls onto the workpiece at an angle ⁇ relative to the normal workpiece surface 15 and cuts a groove or groove 16 superficially into the workpiece (compare FIG. ,
  • 6D shows the cutting tool 6, which moves relative to the workpiece and cuts the material lying in front of the tool in the feed direction.
  • the groove 16 is offset on the workpiece surface by the vertical distance Fi with respect to the later component cut surface 17. After the machining of the considered cross section, a chamfer is formed on the component on the upper side between the component surface and the component sectional area with the length Fi.
  • a second laser beam is guided, which is directed at a projected angle ⁇ 2 to the workpiece surface normal to the lower edge of the component.
  • ⁇ 2 a projected angle to the workpiece surface normal to the lower edge of the component.
  • an additional chamfer of the corresponding width F 2 is formed adjacent to the cutting surface 17 on the underside of the workpiece.
  • FIG. 7 shows, now enlarged, with the variants a and b, a chamfer on the workpiece edge, which is introduced with the laser beam 7.
  • a different angle of inclination ⁇ ⁇ and the chamfer can be made with a corresponding inclination angle ⁇ .
  • desired geometries can be achieved by repeatedly traversing the workpiece material with the laser light.
  • Fig. 7b shows six sections with the laser beam 7 in a guide of the laser beam with a projected angle ⁇ of 0 °.
  • FIG. 8 schematically shows the heat-affected zone 9 of the laser beam 7 on the workpiece 4.
  • the right-hatched region 19 of this heat-affected zone is introduced into the unused material of the workpiece and machined during machining.
  • FIG. 9 shows a construction as in FIG. 1, but with a disc-shaped and curve-cutting, cutting tool, such as a saw blade or a cutting disc.
  • the laser scanner 1 is inclined by an angle ⁇ to cut as close to the tool.
  • the lateral pivoting of the laser scanning unit 1 is indicated by the angle ßi to allow a leading guide with curved contours
  • the outermost layers of material are separated by means of a laser beam via the first laser beam, so that the following cutting tool can be used for delamination-free and edge-free edge generation.

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Abstract

Verfahren zum lasergestützten Trennen eines Werkstücks mit einem spanenden Werkzeug (6), das entlang einer vorbestimmten Kontur relativ zu dem Werkstück verfahren wird, und einem Laserscanner (1), der innerhalb seines Arbeitsbereichs entlang der Kontur eine Nut (16) in das Werkstück schneidet, wobei die Verfahrwege des Werkzeugs und des Laserscanners (1) sowie die Positionierung des Laserstrahls (7) durch den Scanner gemeinsam derart gesteuert werden, dass das Werkzeug (6) entlang der von dem Laserstrahl geschnittenen Nut (16) schneidet, wobei bei einem gebogenen Konturabschnitt ein Laserstrahl (7) der Laserscaneinheit (1) innerhalb des Arbeitsbereichs relativ zu dem Werkzeug (6) ausgelenkt wird.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum lasergestützten Trennen eines Werkstücks
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum lasergestützten Trennen eines Werkstücks.
Aus CA 2 259 700 AI ist ein lasergestütztes Schneidwerkzeug bekannt, bei dem Holz oder andere Materialien durch Trennung des Materials entlang einer Schwächungslinie bei Anwendung einer mechanischen Kraft in Verbindung mit Laserlicht erfolgt. Hierzu wird in Lichtleitern Laserlicht durch die Klinge geführt und auf den Bereich vor der Schneide gerichtet.
Aus US 5,906,459 ist ein laserunterstützter Fräsprozess bekannt, bei dem mit Hilfe des Lasers das zu fräsende Material erwärmt wird.
Aus US 5,409,376 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zum laserunterstützten Bohren an menschlichen Zähnen bekannt. Mit Hilfe des auf die Bohrstelle gerichteten Laserlichts wird die Zahnstruktur zum Erleichtern des Bohrvorgangs verändert.
Aus US 4,469,931 und DE 34 15 015 AI ist ein laserunterstütztes Sägegerät bekannt, bei dem eine Laserquelle eingesetzt wird, um vor dem Sägen einen Schnitt oder eine Nut in ein Holzstück zu schneiden. Laser und Säge sind starr zueinander angeordnet, so dass beim Sägen einer gebogenen Kontur die Schnitte des Lasers und des Sägeblatts auseinander fallen.
Aus US 2004/0104207 AI ist ein lasergestütztes, spanendes Bearbeitungsverfahren bekannt, bei dem das Laserlicht zur Erwärmung und gleichzeitigen Erweichung des Werkstücks eingesetzt wird. Hierdurch kann der Span schneller entfernt und die Temperatur der Werkzeug spitze besser kontrolliert werden. Aus CA 2 558 898 ist ein Fräsverfahren bekannt, bei dem ein erster Laser zur Erwärmung der Werkstückoberfläche und ein zweiter Laser zur Erwärmung einer Anfasung an dem Werkstück eingesetzt wird.
Bei dem Trennen eines Werkstücks, insbesondere entlang einer gebogenen Konturlinie, tritt gerade bei faserverstärkten Kunststoffen und anderen Schichtverbundmaterialien das Problem der Delamination auf. Die Delamination macht eine Nachbearbeitung der Trennkante erforderlich, wodurch Kosten und Bearbeitungszeit für die Trennaufgabe erhöht werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Trennvorgang mit einfachen Mitteln eine möglichst saubere Trennkante zu erzeugen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen aus Anspruch 1 und eine entsprechende Vorrichtung mit den Merkmalen aus Anspruch 5 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen bilden den Gegenstand der Unteransprüche.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum lasergestützten Trennen eines Werkstücks mit einem Trenn Werkzeug, dass entlang einer vorbestimmten Kontur relativ zu dem Werkstück verfahrbar ist. Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft also insbesondere solche Trennvorgänge, bei denen nicht ausschließlich das Werkstück, sondern vor allem das Trennwerkzeug verfahrbar ist. Das Verfahren greift ferner auf einen Laserscanner zurück, der innerhalb eines Arbeitsbereichs seinen Laserstrahl ausrichten und fokussieren kann. Der Laserscanner schneidet entlang der Kontur eine Nut in das Werkstück. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden der Verfahrweg des Werkzeugs und der Laserscanner gemeinsam derart angesteuert, dass das Werkzeug entlang der von dem Laserstrahl geschnittenen Nut schneidet, wobei bei einem gebogenen Konturabschnitt der Laserstrahl des Laserscanners innerhalb dessen Arbeitsbereichs relativ zu dem Werkzeug ausgelenkt wird. Das gezielte Verstellen des Laserstrahls mit Hilfe des Laserscanners erlaubt es, auch bei gebogenen und abgerundeten Konturen eine Nut für das Werkzeug vorzuschneiden und so die Voraussetzungen für eine bessere Schnittkante zu erzeugen. Bei einem Laserscanner handelt es sich um eine Vorrichtung, die einen Laserstrahl mit dem Ziel des Laserschneidens in einer Ebene oder in einem Volumen fokussieren kann. Der Vorgang der Fokussierung und Bewegung des Laserstrahls auf einer Bauteiloberfläche durch den Scanner wird als Belichtung bezeichnet.
In einer bevorzugten Ausgestaltung schneidet das Werkzeug innerhalb des Arbeitsbereichs des Laserscanners das Werkstück. Der Arbeitsbereich des Laserscanners ist bevorzugt als ein dreidimensionaler Arbeitsbereich ausgebildet, in dem der Laserstrahl fokussiert auf einen Punkt gerichtet werden kann. Im Rahmen des Verfahrens ist der Arbeitsbereich dann die zweidimensionale Projektion des dreidimensionalen Arbeitsbereichs auf die Oberfläche des Werkstücks.
Bei dem erfindungs gemäßen Verfahren kann der Laserscanner mehrfach entlang der zu schneidenden Kontur schneiden, um eine definierte Fasenbreite und/oder Fasengeometrie zu erzeugen. Die Verfahrgeschwindigkeit des Laserstrahls auf dem Werkstück und das Laserschneiden auf dem Werkstück erfolgen in der Regel mit einer deutlich größeren Geschwindigkeit als das Werkzeug relativ zu dem Werkstück verfahren wird. Insofern besteht die Möglichkeit, durch ein mehrfaches Verfahren des Lasers entlang der zu schneidenden Kontur eine bestimmte Fase und/oder eine bestimmte Fasengeometrie zu erzeugen. Der erfindungsgemäße Laserscanner ist nahe der Werkzeugschnittstelle montiert und bewegt sich, wie das Werkzeug, relativ zum Werkstück. Zusätzlich kann der Laserstrahl über die Freiheits grade des Laserscanners relativ zum Werkzeug bewegt werden. Diese Relativbewegung kann durch den Laserscanner mit Geschwindigkeiten erfolgen, die mindestens eine Größenordnung höher als die des Werkzeugs selbst sind. Dies ermöglicht eine sequentielle mehrfache Vorbearbeitung der Laservorritznut (Mehrfachbelichtung) mit entsprechend hoher Eindringtiefe.
In einer bevorzugten Weiterführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auf der vom Laserscanner abgewandten Seite eine in das Werkstück gerichtete Zerspankraftkomponente durch das Werkzeug aufgebracht. Insbesondere bei der Bearbeitung von Schichtverbundmaterialien und faserverstärkten Kunststoffen, hier langfaserverstärkten Kunststoffen, kann eine Delamination entlang der Schnittkante wirkungsvoll verhindert werden. Indem das Werkzeug zudem auf der gegenüberliegenden Seite einen ziehenden Schnitt vornimmt, ist ein Ausfasern der Schnittkante oder eine Delamination des Werkstücks wirkungsvoll auf beiden Seiten verhindert.
Die erfindungs gemäße Aufgabe wird ebenfalls durch eine Vorrichtung zum lasergestützten Trennen eines Werkstücks mit einem Trennwerkzeug erreicht. Das Trennwerkzeug ist entlang einer vorbestimmten Kontur relativ zu dem Werkstück verfahrbar. Der Laserstrahl kann innerhalb eines Arbeitsbereichs eines Laserscanners entlang der Kontur eine Nut in das Werkstück schneiden. Eine erfindungs gemäß vorgesehene Steuerung steuert einen Verfahrantrieb für das Trenn Werkzeug und für den Laserscanner derart an, dass das Werkzeug entlang der von dem Laserstrahl geschnittenen Nut schneidet, wobei bei einem gebogenen Konturabschnitt der Laserstrahl mittels des Laserscanners innerhalb des Arbeitsbereichs relativ zu dem Werkzeug ausgelenkt wird. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt im Rahmen des Trennvorgangs ein Trennen des Werkstücks auf zwei Arten. Zuerst werden äußere Schichten oder Teile der außenliegenden Schicht mit dem Laserstrahl getrennt und anschließend das übrige Material mit dem Trennwerkzeug. Durch das Verstellen des Laserstrahls in dem Arbeitsbereich des Laserscanners relativ zu dem Trennwerkzeug es möglich ist, auch mit dem vorauseilenden Laserschnitt eine gebogene Kontur zu schneiden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Laserscanner rotierbar um die Werkzeughalterung montiert und verfährt mit dem Werkzeug. Der Laserscanner verfährt somit relativ zu dem Werkstück in zweifacher Weise, wobei die eine Bewegung gemeinsam mit dem Trennwerkzeug und die andere Bewegung durch Rotation um die Hochachse des Trennwerkzeugs erfolgen. Die Rotation des Laserscanners um die Hochachse des Werkzeugs gestattet eine Verschiebung des Arbeitsbereichs des Laserscanners auf der Werkstückoberfläche, damit der Arbeitsbereich des Laserscanners in Vorschubrichtung vor dem Trennwerkzeug positioniert ist. Die Bewegung des Laserstrahls innerhalb des Arbeitsbereichs des Laserscanners ist die Bewegung, die das Abfahren eines gebogenen Konturabschnitts gestattet mit einer Verfahrgeschwindigkeit relativ zum Werkstück, die vorzugsweise ungleich der Verfahrgeschwindigkeit des Werkzeugs relativ zum Werkstück ist. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Laserscanner um eine weitere Achse neigbar, die nicht parallel zu Hochachse des Werkzeugs ist. Das Neigen des Laserscanners erlaubt es, den Arbeitsbereich des Scanners auf der Werkstückoberfläche zu verschieben und einen Winkel zwischen Hauptachse des Laserscanners und Senkrechten auf der Werkstückoberfläche einzustellen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Laserstrahl durch Rotation des Scanners um die Werkzeughochachse und Neigung um eine dazu nicht parallele Achse in einem Lasereinfallwinkel zur Werkstückoberfläche geneigt. Diese Rotation und Neigung der Laserscaneinheit gestattet es, einen definierten Fasenwinkel an dem Werkstück zu schneiden. Der Fasenwinkel entspricht der Projektion des Raumwinkels des Lasereinfalls auf eine Ebene orthogonal zur Vorschubrichtung des Trenn Werkzeug s .
In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung ist eine zweite Laserscaneinheit vorgesehen, deren Arbeitsbereich auf die geschnittene Kante auf der von der ersten Laserscaneinheit abgewandten Seite des Werkstücks gerichtet ist. Die zweite Laserscaneinheit erlaubt es, entlang der Schnittkante auch auf der der Laserscaneinheit abgewandten Seite des Werkstücks einen Grat zu entfernen und/oder eine Anfasung zu schneiden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 ein spanendes Werkzeug bei dem Trennvorgang eines ebenen
Werkstücks mit einem vorauseilenden Laserschnitt,
Fig. 2 eine Ansicht entlang der Linie A-A aus Fig. 1,
Fig. 3 eine Draufsicht auf das spanende Werkzeug aus Fig. 1,
Fig. 4 zeigt eine zweite Ausführungsform mit zwei Laserscannern in einer
Ansicht von der Seite,
Fig. 5 zeigt einen Schnitt entlang der Linie C-C aus Fig. 4,
Fig. 6 zeigt die einzelnen Arbeitsschritte A bis G bei einer beidseitig angefasten Schnittkante,
Fign. 7a-b zwei Varianten einer Fase an der Werkstückkante, Fig. 8 eine schematische Ansicht einer Wärmeeinflusszone und
Fig. 9 eine dritte Ausführungsform mit einem scheibenförmigen, spanenden
Werkzeug.
Fig. 1 zeigt ein spanendes Werkzeug 6, das mit der Drehrichtung und Drehzahl n um seine Hochachse 10 dreht und dabei in der Verfahrrichtung mit Verfahrgeschwindigkeit Vf verfährt. Ein Laserscanner 1 ist in einem Abstand Ii zu der Hochachse 10 des Werkzeugs angeordnet und um eine quer zur Hochachse stehende Achse D, die senkrecht zur der Werkstücknormalen verläuft, ausgerichtet. Der Laserscanner 1 ist um den Winkel i um die D-Achse geneigt. Der Laserscanner 1 erzeugt einen Fokuspunkt 11 auf der Oberseite des Werkstücks 5. Der Laserscanner 1 besitzt einen dreidimensionalen Arbeitsbereich 2 innerhalb dessen der Laserstrahl 7 fokussiert zur Erzeugung eines Fokuspunkts 11 bewegt werden kann.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Hauptachse 21 des Laserscanners durch ein Neigen um den Winkel i so ausgerichtet, dass sie die Hochachse 10 des Werkzeugs auf der Unterseite des Werkstücks 5 schneidet.
Fig. 2 zeigt den Aufbau aus Fig. 1 entlang der Schnittansicht A-A. Deutlich zu erkennen ist in Fig. 2, dass das spanende Werkzeug 6 entlang einer gebogenen Konturlinie 22 läuft, die durch den Fokuspunkt 11 des Laserscanners 1 vorgeschnitten ist. Ebenfalls deutlich zu erkennen in Fig. 2 ist, dass der Laserstrahl in dem ovalen Arbeitsbereich 2 des Laserscanners auf dem Werkstück außermittig ausgelenkt ist. Das spanende Werkzeug kann auf beliebigen Bearbeitungskonturen 8 verfahren werden. Auch eine Kurvenfahrt und spitze Winkel entlang dieser Bearbeitungskontur 8 sind möglich. Die beschriebene Rotation des Laserscanners 1 um die Hochachse 10 und die D- Achse dienen dazu, Bereiche vor dem spanenden Werkstück auf der Werkstückoberfläche mit dem Fokuspunkt 11 zu erreichen, um eine Bearbeitung durch den Laserstrahl vor der spanenden Bearbeitung erzielen zu können.
Fig. 3 zeigt den Schnitt aus Fig. 2, mit einer um den Winkel ßi rotierten Laserscaneinheit. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Laserscaneinheit 1 rotierbar um die Hochachse 10 des Werkzeugs. Dies erlaubt es, Arbeitsbereich 2 des Laserscanners 1 zu verschieben, um die gewünschte Kante zu schneiden.
Fig. 4 zeigt eine Trennvorrichtung mit einem zweiten Laserscanner 12, dessen Fokuspunkt 14 auf der abgewandten Seite des Werkstücks 13 liegt. Ebenso wie der erste Laserscanner 1 um den Winkel ι geneigt ist, ist auch der zweite Laserscanner 12 um einen Winkel a2 geneigt. Wie in der Schnittansicht entlang der Linie C-C aus Fig. 5 zu erkennen, ist die zweite Laserscaneinheit 12 um einen Winkel ß2 gegenüber der entgegengesetzten Vorschubrichtung des Trennwerkzeugs gedreht. Auch der Abstand 12 der zweiten Laserscaneinheit 12 gegenüber dem Werkstück kann von dem Abstand Ii verschieden sein. Mit der Verwendung eines ersten und eines zweiten Laserscanners kann die Werkstückkante auf beiden Seiten beispielsweise gefast werden.
Fig. 6 zeigt die Bearbeitungs schritte in ihrer Reihenfolge A bis G, wobei jeweils der gleiche Werkstückquerschnitt zu unterschiedlichen Zeitpunkten dargestellt ist, während sich der Trennvorgang vollzieht. Fig. 6 zeigt eine optionale Vermessung des Differenzabstandes Δζ zwischen einer bekannten Sensorposition und dem Werkstück, beispielsweise über eine Lasertriangulation 24. Figur 6B zeigt den einfallenden Laser der ersten Laserscannereinheit, der unter einem Winkel γι gegenüber der normalen Werkstückfläche 15 auf das Werkstück fällt und eine Furche oder Nut 16 oberflächlich in das Werkstück schneidet (vgl. Fig. 6C).
Fig. 6D zeigt das spanende Werkzeug 6, welches sich relativ zum Werkstück bewegt und das in Vorschubrichtung vor dem Werkzeug liegendes Material zerspant. Die Furche 16 ist auf der Werkstückoberfläche um den vertikalen Abstand Fi gegenüber der späteren Bauteilschnittfläche 17 versetzt. Nach der Zerspanung des betrachteten Querschnitts entsteht am Bauteil auf der Oberseite eine Fase zwischen der Bauteiloberfläche und der Bauteilschnittfläche mit der Länge Fi.
Unmittelbar hinter dem spanenden Werkzeug ist ein zweiter Laserstrahl geführt, der in einem projizierten Winkel γ2 zur Werkstückoberflächennormalen auf die Bauteilunterkante gelenkt ist. Je nach Größe des Winkels γ2 entsteht an die Werkstückunterseite an die Schnittfläche 17 angrenzend eine zusätzlich Fase der entsprechenden Breite F2.
Fig. 7 zeigt, nunmehr vergrößert, mit den Varianten a und b eine Fase an der Werkstückkante, die mit dem Laserstrahl 7eingebracht wird. Bei einem von 0 verschiedenen Neigungswinkel γι kann auch die Fase mit einem entsprechenden Neigungswinkel γι hergestellt werden. Ebenfalls lassen sich gewünschte Geometrien, wie in Fig. 7b gezeigt, durch mehrmaliges Überfahren des Werkstückmaterials mit dem Laserlicht erzielen. Fig. 7b zeigt sechs Schnitte mit dem Laserstrahl 7 bei einer Führung des Laserstrahls mit einem projizierten Winkel γι von 0°. Je nach verwendetem Material können hier unterschiedliche Formen und Konturen in die Kante geschnitten werden. Fig. 8 zeigt schematisch die Wärmeeinflusszone 9 des Laserstrahls 7 auf das Werkstück 4. Der rechte schraffierte Bereich 19 dieser Wärmeeinflusszone wird in dem nicht weiter verwendeten Material des Werkstücks eingebracht und bei der Bearbeitung zerspant.
Fig. 9 zeigt einen Aufbau wie aus Fig. 1, jedoch mit einem scheibenförmigen und kurvenschneidfähigem, spanenden Werkzeug, wie beispielsweise einem Sägeblatt oder einer Trennscheibe. Auch hier ist der Laserscanner 1 um einen Winkel ι geneigt, um möglichst werkzeugnah zu schneiden. Auch das seitliche Verschwenken der Laserscaneinheit 1 ist durch den Winkel ßi angedeutet, um eine vorlaufende Führung bei gekrümmten Konturen zu ermöglichen
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt über den ersten Laserstrahl ein Trennen der äußersten Materiallagen mittels Laserstrahl, so dass das nachfolgende spanende Werkzeug zur delaminations- und gradfreien Kantenerzeugung eingesetzt werden kann.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum lasergestützten Trennen eines Werkstücks mit einem spanenden Werkzeug, das entlang einer vorbestimmten Kontur relativ zu dem Werkstück verfahren wird, und einem Laserscanner, der innerhalb seines Arbeitsbereichs entlang der Kontur eine Nut in das Werkstück schneidet, wobei die Verfahrwege des Werkzeugs und des Laserscanners sowie die Positionierung des Laserstrahls durch den Scanner gemeinsam derart gesteuert werden, dass das Werkzeug entlang der von dem Laserstrahl geschnittenen Nut schneidet, wobei bei einem gebogenen Konturabschnitt ein Laserstrahl der Laserscaneinheit innerhalb des Arbeitsbereichs relativ zu dem Werkzeug ausgelenkt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug innerhalb des Arbeitsbereichs des Laserscanners das Werkstück schneidet.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserscanner mehrfach entlang der zu schneidenden Kontur entlang schneidet, um eine definierte Fasenbreite und/oder Fasengeometrie zu schneiden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass auf der vom Laserscanner abgewandten Seite eine in das Werkstück gerichtete Zerspankraftkomponente durch das Trennwerkzeug erfolgt, indem ein schaftförmiges Werkzeug mit einer zur Rückseite gerichteten Schneidenneigung oder ein scheibenförmiges Werkzeug mit einer zur Rückseite gerichteten Schnittbewegung verwendet wird.
5. Vorrichtung zum lasergestützten Trennen eines Werkstücks mit einem spanenden Werkzeug, das entlang einer vorbestimmten Kontur relativ zu dem Werkstück verfahrbar ist, mit einem Laserscanner, der mit einem Laserstrahl innerhalb eines Arbeitsbereichs entlang der Kontur eine Nut in das Werkstück vorlaufend schneiden kann und mit einer Steuerung, die einen Verfahrantrieb für das Werkzeug sowie den Laserstrahl des Laserscanners derart steuert, dass das Werkzeug entlang der von dem Laserscanner geschnittenen Nut schneidet, wobei bei einem gebogenen Konturabschnitt der Laserstrahl des Laserscanners innerhalb eines Arbeitsbereichs relativ zu dem Werkzeug ausgelenkt wird.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserscanner um eine Werkzeughochachse herum rotierbar montiert ist und mit dem Werkzeug verfährt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserscanner um einen nicht parallel zur Hochachse des Trennwerkzeugs stehenden Achse neigbar ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptachse des Laserscanners in einem Lasereinfallwinkel zur Werkstückoberflächennormalen geneigt ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Laserscanner vorgesehen ist, dessen Arbeitsbereich auf eine Kante an der von dem ersten Laserscanner abgewandt liegenden Seite des Werkstücks gerichtet ist.
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