WO2021239865A1 - Device and method for treating, in particular finishing, surfaces - Google Patents

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WO2021239865A1
WO2021239865A1 PCT/EP2021/064170 EP2021064170W WO2021239865A1 WO 2021239865 A1 WO2021239865 A1 WO 2021239865A1 EP 2021064170 W EP2021064170 W EP 2021064170W WO 2021239865 A1 WO2021239865 A1 WO 2021239865A1
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laser radiation
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processing
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Max FEIDIKER
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Homag Bohrsysteme Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a device and a method for processing, in particular for finishing, a surface of a workpiece.
  • the pre- or post-processing of a surface of a workpiece, in particular its smoothing, is usually carried out by mechanical processing methods such as planing, grinding or polishing.
  • mechanical processing methods such as planing, grinding or polishing.
  • Such cutting or abrasive processes have been known for a long time and have proven themselves for a large number of applications.
  • a disadvantage can be a relatively high tool wear, which leads to the processing quality deteriorating over time and the processing tool (e.g. the plane iron) having to be replaced or re-sharpened at regular intervals.
  • Another disadvantage of mechanical processes is the development of chips or dust, which can lead to further problems, for example complex measures to remove the chips.
  • the mentioned methods, especially in automated form are often unsuitable for smoothing surfaces in areas that are difficult to access or more complex geometries due to the size of the corresponding processing tools (planes, brushes, sandpaper, PoH sponges, etc.).
  • the surface properties can change in an undesirable way, e.g. by sealing the surface with grinding dust or polishing paste.
  • the invention aims to provide a device and a method to reduce the roughness of a surface of a workpiece without impairing the workpiece surface itself.
  • the invention provides a corresponding device. Further embodiments are listed in the dependent claims.
  • the invention also relates to a method. Features of the method and other embodiments thereof can be used in the context of the device. The same applies to features of the device and its preferred development, which can be used in the context of the method.
  • the device according to the invention is particularly suitable for machining a surface of a fibrous or fiber-containing workpiece.
  • the workpiece preferably consists at least partially of an organic material, such as wood, or can be composed of different materials.
  • the device can be used for machining workpieces which have plastic at least in sections. By means of the device according to the invention, the workpiece can be further refined or prepared for subsequent processing.
  • the device comprises a workpiece receiving unit for receiving (at least) one workpiece, a processing area in which the workpiece is processed, an energy source for generating laser radiation, an energy line for forwarding the laser radiation to the processing area, (at least) one drive unit for bringing about it a relative movement between the focus of the laser radiation and the workpiece receiving unit, as well as a control unit for controlling the relative movement.
  • control unit is set up to direct the laser radiation onto the processing area in such a way that it essentially only acts on protrusions, such as protruding fibers, impurities and / or (other) (undesired) elevations that emerge from the surface of a ( in the processing area) of the workpiece protrude, in particular by setting the focus and the amount of energy of the laser radiation introduced per unit of area and time in a suitable manner.
  • the energy string can comprise several separate optical elements, such as mirrors and / or lenses, that the energy source and the energy string can be present separately and combined in one unit, that the focus the laser radiation can be punctiform or linear and the relative movement between the focus and the workpiece receiving unit can take place by moving the focus, moving the workpiece receiving unit, or by a combination of both movements.
  • the focus can be moved in all three dimensions with the aid of one or more movable mirrors and / or lenses.
  • the drive unit is set up to move the at least one mirror and / or the at least one lens.
  • the workpiece receiving unit can include a conveying device with the aid of which the workpiece can be moved in the horizontal direction.
  • a conveying device By slightly tilting the mirror around the X or Y axis, the focus can be moved essentially horizontally.
  • the distance between the focus and the workpiece surface and the angle of incidence of the laser radiation on the workpiece surface depend on the horizontal
  • the position of the focus changes slightly and has to be compensated if necessary.
  • the invention has the particular advantage that surfaces of workpieces can be freed of unevenness in a precise and efficient manner, with the workpiece surfaces themselves remaining virtually untouched. This is made possible by the fact that the laser radiation acts essentially, or essentially only, on protruding bumps, protruding fibers, or the like, as a result of which these are removed from the workpiece surface or at least reduced or shortened.
  • the process according to the invention In contrast to mechanical smoothing processes such as planing, grinding or polishing, which also have a cutting or abrasive effect on the surface of the workpiece, in the process according to the invention there is no chip or dust formation and tool wear is negligible.
  • the first-mentioned advantage also applies compared to other non-contact surface finishing processes, such as carbonizing or laser engraving, in which the surfaces of the workpieces in question are significantly changed. Due to the comparatively low energy input required per unit area, the machining can also be carried out with lower laser power and / or higher speed, whereby the productivity of the machining process can be increased overall.
  • the laser power is preferably in the range between 0.03 and 5 kW and the processing speed in the range between 250 and 20,000 mm / s.
  • the method according to the invention can be combined with other processing methods, in particular with laser-based methods such as cutting or engraving and with machining methods such as milling or drilling, to name just a few examples.
  • the device according to the invention can either be set up separately next to a second processing machine or (at least partially) integrated into it.
  • Fig. 1 is a schematic representation of an apparatus according to a first embodiment of the invention.
  • Fig. 2 is a schematic representation of an apparatus according to a second embodiment of the invention.
  • Fig. 3 is a schematic representation of an apparatus according to a third embodiment of the invention.
  • FIG. 4 is a schematic representation of an apparatus according to a fourth embodiment of the invention.
  • FIG. 5 is a schematic illustration of the processing area for explaining a use of a device according to one of the aforementioned embodiments.
  • Fig. 6 is a schematic representation of the processing area to explain an alternative use of a device according to one of the aforementioned execution forms.
  • 7 is a schematic representation of the integration of the method according to a first to third embodiment of the invention in a two-stage machining process.
  • FIG. 8 is a schematic illustration of the integration of the method according to a first to third embodiment of the invention in a two-stage machining process.
  • a device in FIG. 1, is shown schematically, with which a surface of a workpiece, in particular a fibrous or fiber-containing workpiece, can be smoothed by laser radiation.
  • a workpiece in particular a fibrous or fiber-containing workpiece
  • the device 12a comprises a workpiece receiving unit 2 (for example a machine table) which can receive a workpiece 1 which lies there and / or is held by a corresponding device (not shown).
  • laser radiation 5 is generated with a certain intensity, which is conducted via an energy string 6 to the processing area 3, where the focus 8 of the laser radiation strikes the workpiece 1.
  • a first drive unit 7a moves the energy string 6 and thus the focus 8 of the laser radiation essentially in a horizontal X / Y plane (possibly also in the Z direction) relative to the workpiece 1
  • Laser radiation 5 striking workpiece 1 in particular by means of movable mirrors in energy string 6.
  • a second drive unit 7b moves the workpiece receiving unit 2 and thus the workpiece 1 in the vertical Z direction (possibly also in the horizontal Y direction) relative to the focus 8 of the laser radiation.
  • the focus 8 can also be fine-tuned using the energy string 6.
  • Both drive units 7a, 7b and the power of the energy source 4 are controlled by a control unit 9 in order to set the desired relative movement or laser power.
  • FIG. 2 schematically shows schematically a device 12b according to a second embodiment, which differs from the first embodiment in that the focus 8 of the laser radiation can be moved through the energy strand 6 in all three directions (X / Y / Z), whereas the workpiece Recording unit 2 is immobile. Therefore, only one drive unit 7a is required in this embodiment.
  • FIG. 3 schematically shows a device 12c according to a third embodiment, which differs from the first embodiment in that the focus 8 of the laser radiation is immobile, whereas the workpiece receiving unit 2 can be moved in all three directions (X / Y / Z) . Therefore, only one drive unit 7b is required in this embodiment as well.
  • the explanations relating to the first and / or second embodiment reference is made to the explanations relating to the first and / or second embodiment.
  • FIG. 4 schematically shows a device 12 according to a fourth embodiment, in which the device 12 is integrated into a machine 14 and is combined with other devices 13, in particular for machining.
  • the device 12 can also be only partially integrated, e.g. by positioning the energy source 4 outside the machine 14 or by using the already existing workpiece holding unit of the machine.
  • the device according to the fourth embodiment reference is made to the explanations of the previous embodiments.
  • FIG. 5 schematically shows an enlargement of the processing area 3 to explain a use of a device according to one of the aforementioned embodiments.
  • the laser radiation 5 strikes the workpiece surface 11 at an angle f, preferably at an approximately right angle, from which individual protrusions 10, in particular fiber ends, protrude.
  • the focus 8 of the laser radiation is set in such a way that it moves over the workpiece surface 11 at a defined distance d in the X / Y plane, the distance d preferably being smaller than the maximum height h of the protrusions 10.
  • the focus 8 is always at a distance d from the workpiece surface 11, the latter is not or hardly influenced by the incident laser radiation 5.
  • FIG. 6 schematically shows an enlargement of the processing area 3 to explain an alternative use of a device according to one of the aforementioned embodiments, the laser radiation 5 striking the protrusions 10 essentially parallel to the workpiece surface 11.
  • the workpiece is preferably held rotated by 90 °.
  • the angle of incidence f can in principle assume any value between 0 ° and 180 °, preferably between 30 ° and 150 °.
  • the distance d between the focus 8 and the workpiece surface 11 is preferably between 1.0 ⁇ m and 1.0 mm.
  • FIGS. 7 and 8 schematically show two alternatives for integrating the device 12 according to the invention and the method according to the invention in a machining process, with a separate device 13 performing a previous or subsequent machining, in particular machining.
  • the respective processing steps take place separately in terms of time and space.

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Abstract

The invention relates to a device and a method for finishing, in particular smoothing, a face of a workpiece by removing or reducing protrusions, such as for example protruding fiber ends, by means of laser radiation.

Description

VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR BEARBEITUNG, INSBESONDERE ZUR VEREDELUNG, VON OBERFLÄCHEN DEVICE AND METHOD FOR PROCESSING, IN PARTICULAR FOR FINISHING, OF SURFACES
Technisches Gebiet Technical area
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Bearbeitung, insbesondere zur Veredelung, einer Fläche eines Werkstücks. The invention relates to a device and a method for processing, in particular for finishing, a surface of a workpiece.
Stand der Technik State of the art
Die Vor- oder Nachbearbeitung einer Fläche eines Werkstücks, insbesondere deren Glättung, erfolgt in der Regel durch mechanische Bearbeitungsverfahren wie Hobeln, Schleifen oder Polieren. Solch spanende bzw. abrasive Verfahren sind bereits seit langem bekannt und haben sich für eine Vielzahl von Anwendungsfällen bewährt. The pre- or post-processing of a surface of a workpiece, in particular its smoothing, is usually carried out by mechanical processing methods such as planing, grinding or polishing. Such cutting or abrasive processes have been known for a long time and have proven themselves for a large number of applications.
Nichtsdestotrotz sind diese Verfahren auch mit Nachteilen verbunden, die deren Anwendbarkeit aus technischen oder wirtschaftlichen Gründen behindern oder unter Umständen sogar verhindern. Ein Nachteil kann ein relativ hoher Werkzeug verschleiß sein, der dazu führt, dass die Bearbeitungs qualität mit der Zeit abnimmt und das Bearbeitungswerkzeug (z.B. das Hobeleisen) in regelmäßigen Abständen ausgewechselt oder nachgeschliffen werden muss. Ein weiterer Nachteil mechanischer Verfahren besteht in der Span- bzw. Staub entwicklung, was zu weiteren Problemen, beispielsweise aufwendigen Maßnahmen zum Abtransport der Späne, führen kann. Darüber hinaus sind die genannten Verfahren, insbesondere in automatisierter Form, zur Glättung von Oberflächen schwer zugänglicher Bereiche bzw. komplexerer Geometrien aufgrund der Größe der entsprechenden Bearbeitungswerkzeuge (Hobel, Bürsten, Schleifpapier, PoH erschwämme etc.) oft ungeeignet. Nevertheless, these methods are also associated with disadvantages that hinder or even prevent their applicability for technical or economic reasons. A disadvantage can be a relatively high tool wear, which leads to the processing quality deteriorating over time and the processing tool (e.g. the plane iron) having to be replaced or re-sharpened at regular intervals. Another disadvantage of mechanical processes is the development of chips or dust, which can lead to further problems, for example complex measures to remove the chips. In addition, the mentioned methods, especially in automated form, are often unsuitable for smoothing surfaces in areas that are difficult to access or more complex geometries due to the size of the corresponding processing tools (planes, brushes, sandpaper, PoH sponges, etc.).
Ein weiterer Nachteil liegt in der Manipulation der Werkstück-Oberfläche, da es sich bei keinem der genannten Verfahren vermeiden lässt, dass zusammen mit den hervorstehenden Unebenheiten zumindest eine dünne Schicht der Werkstück-Oberfläche entfernt wird, so dass sich dieAnother disadvantage lies in the manipulation of the workpiece surface, since it cannot be avoided in any of the methods mentioned that at least a thin layer of the workpiece surface is removed together with the protruding unevenness, so that the
Werkstück-Geometrie dadurch zumindest geringfügig verändert. Zudem können sich auch die Oberflächen-Eigenschaften auf unerwünschte Weise verändern, z.B. indem die Oberfläche durch Schleifstaub oder Polierpaste versiegelt wird. This changes the workpiece geometry at least slightly. In addition, the surface properties can change in an undesirable way, e.g. by sealing the surface with grinding dust or polishing paste.
Neben den mechanischen Bearbeitungsverfahren existieren berührungslose Bearbeitungsverfahren zur Vergütung vonIn addition to mechanical processing methods, there are non-contact processing methods for remuneration of
Oberflächen, zum Beispiel durch Karbonisieren oder Laser- Gravieren. Beim Karbonisieren werden Werkstücke auf Basis organischer Werkstoffe, insbesondere Holz, in der Regel durch Flämmen kurzzeitig hohen Temperaturen ausgesetzt, so dass die oberste Schicht der Oberfläche verkohlt, während beim Laser- Gravieren ein dreidimensionales Relief in die Werkstück- Oberfläche „eingebrannt" wird. Surfaces, for example by carbonizing or laser engraving. During carbonization, workpieces based on organic materials, especially wood, are usually briefly exposed to high temperatures by scarfing, so that the top layer of the surface is carbonized, while with laser engraving a three-dimensional relief is "burned" into the workpiece surface.
Darstellung der Erfindung Presentation of the invention
Die Erfindung zielt darauf ab, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren bereitzustellen, um die Rauheit einer Fläche eines Werkstücks zu verringern, ohne die Werkstück-Oberfläche selbst dabei zu beeinträchtigen. The invention aims to provide a device and a method to reduce the roughness of a surface of a workpiece without impairing the workpiece surface itself.
Die Erfindung stellt eine entsprechende Vorrichtung bereit. Weitere Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen aufgeführt. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren. Merkmale des Verfahrens sowie weitere Aus führungsformen hiervon können im Rahmen der Vorrichtung eingesetzt werden. Entsprechendes gilt für Merkmale der Vorrichtung sowie deren bevorzugte Weiterbildung, die im Rahmen des Verfahrens zum Einsatz kommen können. The invention provides a corresponding device. Further embodiments are listed in the dependent claims. The invention also relates to a method. Features of the method and other embodiments thereof can be used in the context of the device. The same applies to features of the device and its preferred development, which can be used in the context of the method.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist insbesondere zum Bearbeiten einer Fläche eines faserigen oder Fasern aufweisenden Werkstücks geeignet. Das Werkstück besteht bevorzugt zumindest teilweise aus einem organischen Werkstoff, wie z.B. Holz, oder kann aus unterschiedlichen Werkstoffen zusammengesetzt sein. Ferner kann die Vorrichtung zur Bearbeitung von Werkstücken eingesetzt werden, die zumindest abschnittsweise Kunststoff aufweisen. Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann das Werkstück weiter veredelt oder für eine nachfolgende Bearbeitung vorbereitet werden. The device according to the invention is particularly suitable for machining a surface of a fibrous or fiber-containing workpiece. The workpiece preferably consists at least partially of an organic material, such as wood, or can be composed of different materials. Furthermore, the device can be used for machining workpieces which have plastic at least in sections. By means of the device according to the invention, the workpiece can be further refined or prepared for subsequent processing.
Die Vorrichtung umfasst eine Werkstück-Aufnahmeeinheit zur Aufnahme (mindestens) eines Werkstücks, einen Bearbeitungs bereich, in dem die Bearbeitung des Werkstücks erfolgt, eine Energiequelle zur Erzeugung von Laserstrahlung, einen Energiestrang zur Weiterleitung der Laserstrahlung zum Bearbeitungsbereich, (mindestens) eine Antriebseinheit zum Herbeiführen einer Relativbewegung zwischen dem Fokus der Laserstrahlung und der Werkstück-Aufnahmeeinheit, sowie eine Steuerungseinheit zur Steuerung der Relativbewegung. Ferner ist vorgesehen, dass die Steuerungseinheit eingerichtet ist, die Laserstrahlung derart auf den Bearbeitungsbereich zu richten, dass sie im Wesentlichen nur auf Protrusionen, wie z.B. abstehende Fasern, Verunreinigungen und/oder (sonstige) (unerwünschte) Erhebungen einwirkt, die aus der Oberfläche eines (im Bearbeitungsbereich befindlichen) Werkstücks hervorstehen, insbesondere indem der Fokus sowie die pro Flächen- und Zeiteinheit eingebrachte Energiemenge der Laserstrahlung in geeigneter Weise eingestellt wird. The device comprises a workpiece receiving unit for receiving (at least) one workpiece, a processing area in which the workpiece is processed, an energy source for generating laser radiation, an energy line for forwarding the laser radiation to the processing area, (at least) one drive unit for bringing about it a relative movement between the focus of the laser radiation and the workpiece receiving unit, as well as a control unit for controlling the relative movement. Further it is provided that the control unit is set up to direct the laser radiation onto the processing area in such a way that it essentially only acts on protrusions, such as protruding fibers, impurities and / or (other) (undesired) elevations that emerge from the surface of a ( in the processing area) of the workpiece protrude, in particular by setting the focus and the amount of energy of the laser radiation introduced per unit of area and time in a suitable manner.
Es sei darauf hingewiesen, dass auch mehrere Laser zum Einsatz kommen können, dass der Energiestrang mehrere separate optische Elemente, wie Spiegel und/oder Linsen, umfassen kann, dass die Energiequelle und der Energiestrang getrennt sowie in einer Einheit kombiniert vorliegen können, dass der Fokus der Laserstrahlung punkt- oder linienförmig ausgeprägt sein kann und dass die Relativbewegung zwischen Fokus und Werkstück-Aufnahmeeinheit durch Bewegung des Fokus, Bewegung der Werkstück-Aufnahmeeinheit, oder durch eine Kombination aus beiden Bewegungen erfolgen kann. It should be noted that several lasers can also be used, that the energy string can comprise several separate optical elements, such as mirrors and / or lenses, that the energy source and the energy string can be present separately and combined in one unit, that the focus the laser radiation can be punctiform or linear and the relative movement between the focus and the workpiece receiving unit can take place by moving the focus, moving the workpiece receiving unit, or by a combination of both movements.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann der Fokus mithilfe eines oder mehrerer beweglicher Spiegel und/oder Linsen in allen drei Dimensionen bewegt werden. Insbesondere ist die Antriebseinheit eingerichtet, den mindestens einen Spiegel und/oder die mindestens eine Linse zu bewegen. In a preferred embodiment, the focus can be moved in all three dimensions with the aid of one or more movable mirrors and / or lenses. In particular, the drive unit is set up to move the at least one mirror and / or the at least one lens.
Dabei kann die Werkstück-Aufnahmeeinheit eine Fördervorrichtung umfassen, mit deren Hilfe das Werkstück in horizontaler Richtung bewegt werden kann. Durch leichtes Kippen des Spiegels um die X- bzw. Y-Achse kann der Fokus im Wesentlichen horizontal bewegt werden. Im Gegensatz zu einer transversalen Bewegung ist bei dieser Art der Bewegung zu beachten, dass sich der Abstand zwischen Fokus und Werkstück- Oberfläche sowie der Auftreffwinkel der Laserstrahlung auf der Werkstück-Oberfläche in Abhängigkeit von der horizontalen Position des Fokus geringfügig ändert und ggf. kompensiert werden muss. The workpiece receiving unit can include a conveying device with the aid of which the workpiece can be moved in the horizontal direction. By slightly tilting the mirror around the X or Y axis, the focus can be moved essentially horizontally. In contrast to a transverse movement, it should be noted with this type of movement that the distance between the focus and the workpiece surface and the angle of incidence of the laser radiation on the workpiece surface depend on the horizontal The position of the focus changes slightly and has to be compensated if necessary.
Die Erfindung hat insbesondere den Vorteil, dass Flächen von Werkstücken auf präzise und effiziente Weise von Unebenheiten befreit werden können, wobei die Werkstück-Oberflächen selbst nahezu unberührt bleiben. Dies wird dadurch ermöglicht, dass die Laserstrahlung im Wesentlichen, oder im Wesentlichen nur, auf hervorstehende Unebenheiten, abstehende Fasern, oder ähnliches einwirkt, wodurch diese von der Werkstück- Oberfläche entfernt oder zumindest reduziert bzw. verkürzt werden. The invention has the particular advantage that surfaces of workpieces can be freed of unevenness in a precise and efficient manner, with the workpiece surfaces themselves remaining virtually untouched. This is made possible by the fact that the laser radiation acts essentially, or essentially only, on protruding bumps, protruding fibers, or the like, as a result of which these are removed from the workpiece surface or at least reduced or shortened.
Im Gegensatz zu mechanischen Glättungsverfahren wie Hobeln, Schleifen oder Polieren, die auch auf die Oberfläche des Werkstücks spanend bzw. abrasiv einwirken, erfolgt beim erfindungsgemäßen Verfahren darüber hinaus keine Span- bzw. Staubbildung und der Werkzeugverschleiß ist vernachlässigbar. Der erstgenannte Vorteil gilt ebenso gegenüber anderen berührungslosen Oberflächenveredelungsverfahren, wie z.B. Karbonisieren oder Lasergravieren, bei denen die Oberflächen der betreffenden Werkstücke stark verändert werden. Aufgrund des vergleichsweise geringen erforderlichen Energieeintrags pro Flächeneinheit kann die Bearbeitung zudem mit geringerer Laserleistung und/oder höherer Geschwindigkeit erfolgen, wodurch die Produktivität des Bearbeitungsprozesses insgesamt erhöht werden kann. Vorzugsweise liegt die Laserleistung im Bereich zwischen 0,03 und 5 kW und die Bearbeitungs- Geschwindigkeit im Bereich zwischen 250 und 20.000 mm/s. In contrast to mechanical smoothing processes such as planing, grinding or polishing, which also have a cutting or abrasive effect on the surface of the workpiece, in the process according to the invention there is no chip or dust formation and tool wear is negligible. The first-mentioned advantage also applies compared to other non-contact surface finishing processes, such as carbonizing or laser engraving, in which the surfaces of the workpieces in question are significantly changed. Due to the comparatively low energy input required per unit area, the machining can also be carried out with lower laser power and / or higher speed, whereby the productivity of the machining process can be increased overall. The laser power is preferably in the range between 0.03 and 5 kW and the processing speed in the range between 250 and 20,000 mm / s.
Weitere Vorteile bestehen in der guten Automatisierbarkeit des Bearbeitungsprozesses sowie in der Möglichkeit, auch Werkstücke mit komplizierten Geometrien, die eine Glättung auf bekannte Weise, z.B. durch Hobeln, Schleifen oder Polieren, nicht oder nur mit hohem Aufwand erlauben, auf effiziente Weise und mit hoher Präzision zu glätten. Darüber hinaus kann das erfindungsgemäße Verfahren mit weiteren Bearbeitungsverfahren kombiniert werden, insbesondere mit laserbasierten Verfahren wie Schneiden oder Gravieren sowie mit spanenden Verfahren wie Fräsen oder Bohren, um nur einige Beispiele zu nennen. Dafür kann die erfindungsgemäße Vorrichtung entweder neben einer zweiten Bearbeitungsmaschine separat aufgestellt oder (zumindest teilweise) in diese integriert sein. Further advantages are the ease with which the machining process can be automated as well as the possibility of efficiently and with high precision, even workpieces with complex geometries that do not allow smoothing in a known manner, e.g. by planing, grinding or polishing, or only with great effort to smooth. In addition, the method according to the invention can be combined with other processing methods, in particular with laser-based methods such as cutting or engraving and with machining methods such as milling or drilling, to name just a few examples. For this purpose, the device according to the invention can either be set up separately next to a second processing machine or (at least partially) integrated into it.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Weitere Merkmale und Vorteile einer Vorrichtung, einer Verwendung und/oder eines Verfahrens ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen. Von diesen Zeichnungen zeigt: Further features and advantages of a device, a use and / or a method emerge from the following description of embodiments with reference to the accompanying drawings. From these drawings shows:
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Fig. 1 is a schematic representation of an apparatus according to a first embodiment of the invention.
Fig. 2 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Fig. 2 is a schematic representation of an apparatus according to a second embodiment of the invention.
Fig. 3 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung. Fig. 3 is a schematic representation of an apparatus according to a third embodiment of the invention.
Fig. 4 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung. 4 is a schematic representation of an apparatus according to a fourth embodiment of the invention.
Fig. 5 ist eine schematische Darstellung des Bearbeitungs bereichs zur Erläuterung einer Verwendung einer Vorrichtung gemäß einer der zuvor genannten Ausführungsformen. FIG. 5 is a schematic illustration of the processing area for explaining a use of a device according to one of the aforementioned embodiments.
Fig. 6 ist eine schematische Darstellung des Bearbeitungs bereiches zur Erläuterung einer alternativen Verwendung einer Vorrichtung gemäß einer der zuvor genannten Ausführungs formen. Fig. 7 ist eine schematische Darstellung der Einbindung des Verfahrens gemäß einer ersten bis dritten Ausführungsform der Erfindung in einen zweistufigen Bearbeitungsprozess. Fig. 6 is a schematic representation of the processing area to explain an alternative use of a device according to one of the aforementioned execution forms. 7 is a schematic representation of the integration of the method according to a first to third embodiment of the invention in a two-stage machining process.
Fig. 8 ist eine schematische Darstellung der Einbindung des Verfahrens gemäß einer ersten bis dritten Ausführungsform der Erfindung in einen zweistufigen Bearbeitungsprozess. 8 is a schematic illustration of the integration of the method according to a first to third embodiment of the invention in a two-stage machining process.
Beschreibung von Ausführungsformen Description of embodiments
Gleiche Bezugszeichen, die in verschiedenen Figuren aufgeführt sind, benennen identische, einander entsprechende, oder funktionell ähnliche Elemente. The same reference symbols, which are listed in different figures, designate identical, corresponding, or functionally similar elements.
Anhand der beigefügten Figuren werden bevorzugte Ausführungen einer Vorrichtung gemäß der Erfindung beschrieben. In diesem Zusammenhang genannte Modifikationen einzelner Merkmale können jeweils einzeln kombiniert werden, um weitere Ausführungsform der Erfindung auszubilden. Obwohl die nachfolgend beschriebene Vorrichtung sowie das entsprechende Verfahren rein beispielhaft und nicht einschränkend zu verstehen sind, können Merkmale der beschriebenen Ausführungsform auch zur weiteren Charakterisierung der in den Ansprüchen genannten Vorrichtung und des Verfahrens herangezogen werden. Preferred embodiments of a device according to the invention are described with reference to the accompanying figures. Modifications of individual features mentioned in this context can each be combined individually in order to form further embodiments of the invention. Although the device described below and the corresponding method are to be understood as purely exemplary and not restrictive, features of the embodiment described can also be used to further characterize the device and the method mentioned in the claims.
In Figur 1 wird schematisch eine Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform dargestellt, mit der eine Fläche eines Werkstücks, insbesondere eines faserigen oder Fasern aufweisenden Werkstücks, durch Laserstrahlung geglättet werden kann. Beispielsweise handelt es sich um Werkstücke, die zumindest teilweise aus Holz, Holzwerkstoffen oder Verbundstoffen, insbesondere aus Spanplatten, MDF-Platten oder dergleichen, bestehen. Die Vorrichtung 12a umfasst eine Werkstück-Aufnahmeeinheit 2 (beispielsweise ein Maschinentisch), die ein Werkstück 1 aufnehmen kann, welches dort aufliegt und/oder durch eine entsprechende Vorrichtung (nicht dargestellt) gehalten wird. In einer Energiequelle 4 wird eine Laserstrahlung 5 mit einer bestimmten Intensität erzeugt, die über einen Energiestrang 6 zum Bearbeitungsbereich 3 geleitet wird, wo der Fokus 8 der Laserstrahlung auf das Werkstück 1 trifft. In FIG. 1, a device according to a first embodiment is shown schematically, with which a surface of a workpiece, in particular a fibrous or fiber-containing workpiece, can be smoothed by laser radiation. For example, it concerns workpieces which at least partially consist of wood, wood-based materials or composite materials, in particular of chipboard, MDF boards or the like. The device 12a comprises a workpiece receiving unit 2 (for example a machine table) which can receive a workpiece 1 which lies there and / or is held by a corresponding device (not shown). In an energy source 4, laser radiation 5 is generated with a certain intensity, which is conducted via an energy string 6 to the processing area 3, where the focus 8 of the laser radiation strikes the workpiece 1.
Eine erste Antriebseinheit 7a bewegt den Energiestrang 6 und somit den Fokus 8 der Laserstrahlung im Wesentlichen in einer horizontalen X/Y-Ebene (ggf. auch in Z-Richtung) relativ zum Werkstück 1. Dies kann z.B. durch eine Parallelverschiebung und/oder Winkeländerung der auf das Werkstück 1 auftreffenden Laserstrahlung 5, insbesondere mittels beweglicher Spiegel im Energiestrang 6, erfolgen. Eine zweite Antriebseinheit 7b bewegt die Werkstück-Aufnahmeeinheit 2 und somit das Werkstück 1 in vertikaler Z-Richtung (ggf. auch in horizontaler Y-Richtung) relativ zum Fokus 8 der Laserstrahlung. Eine Feinjustierung des Fokus 8 kann zusätzlich durch den Energiestrang 6 erfolgen. Beide Antriebseinheiten 7a, 7b sowie die Leistung der Energiequelle 4 werden von einer Steuerungseinheit 9 gesteuert, um die gewünschte Relativ-bewegung bzw. Laserleistung einzustellen. A first drive unit 7a moves the energy string 6 and thus the focus 8 of the laser radiation essentially in a horizontal X / Y plane (possibly also in the Z direction) relative to the workpiece 1 Laser radiation 5 striking workpiece 1, in particular by means of movable mirrors in energy string 6. A second drive unit 7b moves the workpiece receiving unit 2 and thus the workpiece 1 in the vertical Z direction (possibly also in the horizontal Y direction) relative to the focus 8 of the laser radiation. The focus 8 can also be fine-tuned using the energy string 6. Both drive units 7a, 7b and the power of the energy source 4 are controlled by a control unit 9 in order to set the desired relative movement or laser power.
Figur 2 zeigt schematisch eine Vorrichtung 12b gemäß einer zweiten Ausführungsform, die sich von der ersten Ausführungsform dadurch unterscheidet, dass der Fokus 8 der Laserstrahlung durch den Energiestrang 6 in allen drei Richtungen (X/Y/Z) bewegt werden kann, wohingegen die Werkstück-Aufnahmeeinheit 2 unbeweglich ist. Daher wird in dieser Ausführungsform nur eine Antriebseinheit 7a benötigt. Bezüglich weiterer Merkmale der Vorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform wird auf die Erläuterungen zur ersten Ausführungsform verwiesen. Figur 3 zeigt schematisch eine Vorrichtung 12c gemäß einer dritten Ausführungsform, die sich von der ersten Ausführungsform dadurch unterscheidet, dass der Fokus 8 der Laserstrahlung unbeweglich ist, wohingegen die Werkstück- Aufnahmeeinheit 2 in allen drei Richtungen (X/Y/Z) bewegt werden kann. Daher wird in dieser Ausführungsform ebenfalls nur eine Antriebseinheit 7b benötigt. Bezüglich weiterer Merkmale der Vorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform wird auf die Erläuterungen zur ersten und/oder zweiten Ausführungsform verwiesen. Figure 2 shows schematically a device 12b according to a second embodiment, which differs from the first embodiment in that the focus 8 of the laser radiation can be moved through the energy strand 6 in all three directions (X / Y / Z), whereas the workpiece Recording unit 2 is immobile. Therefore, only one drive unit 7a is required in this embodiment. With regard to further features of the device according to the second embodiment, reference is made to the explanations relating to the first embodiment. FIG. 3 schematically shows a device 12c according to a third embodiment, which differs from the first embodiment in that the focus 8 of the laser radiation is immobile, whereas the workpiece receiving unit 2 can be moved in all three directions (X / Y / Z) . Therefore, only one drive unit 7b is required in this embodiment as well. With regard to further features of the device according to the third embodiment, reference is made to the explanations relating to the first and / or second embodiment.
Figur 4 zeigt schematisch eine Vorrichtung 12 gemäß einer vierten Ausführungsform, in der die Vorrichtung 12 in eine Maschine 14 integriert ist und mit anderen Vorrichtungen 13, insbesondere zur spanenden Bearbeitung, kombiniert wird. Je nach Bauform der Maschine 14 kann die Vorrichtung 12 auch nur teilweise integriert sein, z.B. durch Positionierung der Energiequelle 4 außerhalb der Maschine 14 oder durch Verwendung der bereits vorhandenen Werkstück-Aufnahmeeinheit der Maschine. Bezüglich weiterer Merkmale der Vorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform wird auf die Erläuterungen zu den vorangegangenen Ausführungsformen verwiesen. FIG. 4 schematically shows a device 12 according to a fourth embodiment, in which the device 12 is integrated into a machine 14 and is combined with other devices 13, in particular for machining. Depending on the design of the machine 14, the device 12 can also be only partially integrated, e.g. by positioning the energy source 4 outside the machine 14 or by using the already existing workpiece holding unit of the machine. With regard to further features of the device according to the fourth embodiment, reference is made to the explanations of the previous embodiments.
Figur 5 zeigt schematisch eine Vergrößerung des Bearbeitungs bereichs 3 zur Erläuterung einer Verwendung einer Vorrichtung gemäß einer der zuvor genannten Aus führungsformen. Die Laserstrahlung 5 trifft in einem Winkel f, vorzugsweise in einem annähernd rechten Winkel, auf die Werkstück-Oberfläche 11, aus der einzelne Protrusionen 10, insbesondere Faserenden hervorstehen. Der Fokus 8 der Laserstrahlung ist so eingestellt, dass er sich mit einem definierten Abstand d in der X/Y-Ebene über die Werkstück-Oberfläche 11 bewegt, wobei der Abstand d vorzugsweise kleiner als die maximale Höhe h der Protrusionen 10 ist. Je nach Werkstoff, Bearbeitungs geschwindigkeit und Intensität der Laserstrahlung werden letztere so ganz oder teilweise verbrannt, verdampft und/oder verschmolzen, so dass die Werkstück-Oberfläche 11 durch Entfernung oder Verringerung hervorstehender Unebenheiten geglättet wird. Da der Fokus 8 stets einen Abstand d zur Werkstück-Oberfläche 11 aufweist, wird letztere von der auftreffenden Laserstrahlung 5 nicht oder kaum beeinflusst. FIG. 5 schematically shows an enlargement of the processing area 3 to explain a use of a device according to one of the aforementioned embodiments. The laser radiation 5 strikes the workpiece surface 11 at an angle f, preferably at an approximately right angle, from which individual protrusions 10, in particular fiber ends, protrude. The focus 8 of the laser radiation is set in such a way that it moves over the workpiece surface 11 at a defined distance d in the X / Y plane, the distance d preferably being smaller than the maximum height h of the protrusions 10. Depending on the material, processing speed and intensity of the laser radiation, the latter are completely or partially burned, vaporized and / or fused so that the workpiece surface 11 passes through Removal or reduction of protruding bumps is smoothed. Since the focus 8 is always at a distance d from the workpiece surface 11, the latter is not or hardly influenced by the incident laser radiation 5.
Figur 6 zeigt schematisch eine Vergrößerung des Bearbeitungs bereichs 3 zur Erläuterung einer alternativen Verwendung einer Vorrichtung gemäß einer der zuvor genannten Ausführungsformen, wobei die Laserstrahlung 5 im Wesentlichen parallel zur Werkstück-Oberfläche 11 auf die Protrusionen 10 trifft. Ein Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass die unerwünschte Einwirkung der Laserstrahlung auf die Werkstück- Oberfläche 11 somit weiter reduziert werden kann. In einer entsprechenden Vorrichtung (nicht dargestellt) wird das Werkstück vorzugsweise um 90° gedreht gehalten. Daneben kann der Auftreffwinkel f grundsätzlich jeden beliebigen Wert zwischen 0° und 180°, vorzugsweise zwischen 30° und 150°, annehmen. Der Abstand d zwischen Fokus 8 und Werkstück- Oberfläche 11 liegt vorzugsweise zwischen 1,0 pm und 1,0 mm. FIG. 6 schematically shows an enlargement of the processing area 3 to explain an alternative use of a device according to one of the aforementioned embodiments, the laser radiation 5 striking the protrusions 10 essentially parallel to the workpiece surface 11. One advantage of this embodiment is that the undesired effect of the laser radiation on the workpiece surface 11 can thus be further reduced. In a corresponding device (not shown), the workpiece is preferably held rotated by 90 °. In addition, the angle of incidence f can in principle assume any value between 0 ° and 180 °, preferably between 30 ° and 150 °. The distance d between the focus 8 and the workpiece surface 11 is preferably between 1.0 μm and 1.0 mm.
Figuren 7 und 8 zeigen schematisch zwei Alternativen zur Einbindung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 12 sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens in einen Bearbeitungsprozess, wobei durch eine separate Vorrichtung 13 eine vorherige bzw. nachfolgende, insbesondere spanende, Bearbeitung erfolgt. Im Gegensatz zur vierten Ausführungsform erfolgen die jeweiligen Bearbeitungsschritte zeitlich und räumlich getrennt. FIGS. 7 and 8 schematically show two alternatives for integrating the device 12 according to the invention and the method according to the invention in a machining process, with a separate device 13 performing a previous or subsequent machining, in particular machining. In contrast to the fourth embodiment, the respective processing steps take place separately in terms of time and space.
Es ist für den Fachmann ersichtlich, dass einzelne, jeweils in verschiedenen Ausführungsformen beschriebene Merkmale auch in einer einzigen Ausführungsform umgesetzt werden können, sofern sie nicht strukturell inkompatibel sind. Gleichermaßen können verschiedene Merkmale, die im Rahmen einer einzelnen Ausführungsform beschrieben sind, auch in mehreren Ausführungsformen einzeln oder in jeder geeigneten Unterkombination vorgesehen sein. It is evident to the person skilled in the art that individual features, each described in different embodiments, can also be implemented in a single embodiment, provided that they are not structurally incompatible. Likewise, various features that are described in the context of a single embodiment can also be provided in several embodiments individually or in any suitable sub-combination.

Claims

235 637 pl/lfrANSPRÜCHE 235 637 pl / lfr CLAIMS
1. Vorrichtung zur Bearbeitung zumindest eines Bereichs einer Oberfläche eines Werkstücks mittels Laserstrahlung, umfassend: eine Werkstück-Aufnahmeeinheit (2), die eingerichtet ist, ein Werkstück (1) aufzunehmen, eine Energiequelle (4), die eingerichtet ist, eine Laserstrahlung (5) zu erzeugen, einen Energiestrang (6), der eingerichtet ist, die Laserstrahlung (5) von der Energiequelle (4) zu einem Bearbeitungsbereich (3) zu leiten, mindestens eine Antriebseinheit (7a, 7b), die eingerichtet ist, eine Relativbewegung zwischen einem Fokus (8) der Laserstrahlung und der Werkstück- Aufnahmeeinheit (2) herbeizuführen, eine Steuerungseinheit (9), die eingerichtet ist, die Relativbewegung zwischen dem Fokus (8) der Laserstrahlung und der Werkstück-Aufnahmeeinheit (2) zu steuern, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit (9) eingerichtet ist, die Laserstrahlung (5) derart auf den Bearbeitungsbereich (3) zu richten, dass die Laserstrahlung im Wesentlichen nur auf Protrusionen (10) des Werkstücks einwirkt. 1. A device for processing at least one area of a surface of a workpiece by means of laser radiation, comprising: a workpiece receiving unit (2) which is set up to receive a workpiece (1), an energy source (4) which is set up, laser radiation (5 ) to generate an energy string (6) which is set up to guide the laser radiation (5) from the energy source (4) to a processing area (3), at least one drive unit (7a, 7b) which is set up to move a relative movement between a focus (8) of the laser radiation and the workpiece receiving unit (2), a control unit (9) which is set up to control the relative movement between the focus (8) of the laser radiation and the workpiece receiving unit (2), characterized that the control unit (9) is set up to direct the laser radiation (5) onto the processing area (3) in such a way that the laser radiation essentially only hits the protrusions (10) of the The workpiece.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Steuerungseinheit (9) eingerichtet ist, den Fokus (8) der Laserstrahlung (5) derart einzustellen, dass der Fokus (8) einen Abstand (d) zur Oberfläche (11) eines im Bearbeitungsbereich (3) befindlichen Werkstücks (1) aufweist. 2. Device according to claim 1, wherein the control unit (9) is set up to adjust the focus (8) of the laser radiation (5) in such a way that the focus (8) is at a distance (d) from the surface (11) a workpiece (1) located in the machining area (3).
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Abstand (d) kleiner als die maximale Höhe (h), vorzugsweise kleiner als die halbe maximale Höhe (h), der hervorstehenden Protrusionen (10) ist. 3. Device according to claim 2, wherein the distance (d) is smaller than the maximum height (h), preferably smaller than half the maximum height (h), of the protruding protrusions (10).
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei der Abstand (d) größer als lpm und kleiner als 1mm ist. 4. Apparatus according to claim 2 or 3, wherein the distance (d) is greater than 1pm and less than 1mm.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Vorrichtung eingerichtet ist, dass die5. Device according to one of claims 1 to 4, wherein the device is set up that the
Laserstrahlung (5) im Wesentlichen senkrecht zurLaser radiation (5) essentially perpendicular to the
Oberfläche (11) eines im Bearbeitungsbereich (3) befindlichen Werkstücks (1) auf daraus hervorstehendeSurface (11) of a workpiece (1) located in the machining area (3) onto a workpiece (1) protruding therefrom
Protrusionen (10) trifft. Protrusions (10) meets.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Vorrichtung eingerichtet ist, dass die6. Device according to one of claims 1 to 4, wherein the device is arranged that the
Laserstrahlung (5) in einem Winkel (f) zwischen 30° und 150° zur Oberfläche (11) eines im Bearbeitungsbereich (3) befindlichen Werkstücks (1) auf daraus hervorstehendeLaser radiation (5) at an angle (f) between 30 ° and 150 ° to the surface (11) of a workpiece (1) located in the machining area (3) on protruding parts
Protrusionen (10) trifft. Protrusions (10) meets.
7. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Werkstück-Aufnahmeeinheit (2) eine Förder vorrichtung umfasst, die eingerichtet ist, das Werkstück (1) horizontal zu bewegen. 7. Device according to one of the preceding claims, wherein the workpiece receiving unit (2) comprises a conveyor device which is set up to move the workpiece (1) horizontally.
8. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Energiestrang (6) mindestens einen beweglichen Spiegel umfasst, der eingerichtet ist, den Fokus (8) der Laserstrahlung im Wesentlichen horizontal zu bewegen. 8. Device according to one of the preceding claims, wherein the energy strand (6) comprises at least one movable mirror which is set up to move the focus (8) of the laser radiation essentially horizontally.
9. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Vorrichtung mindestens eine zweite Energiequelle und mindestens einen zweiten Energiestrang umfasst. 9. Device according to one of the preceding claims, wherein the device comprises at least one second energy source and at least one second energy string.
10. Bearbeitungsmaschine (14), umfassend eine Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche sowie zumindest ein weiteres Bearbeitungsaggregat (13), insbesondere zur spanenden Bearbeitung. 10. Processing machine (14), comprising a device according to one of the preceding claims and at least one further processing unit (13), in particular for machining.
11. Verfahren zur Bearbeitung zumindest eines Bereichs einer Oberfläche eines Werkstücks mittels Laserstrahlung, umfassend: 11. A method for processing at least one area of a surface of a workpiece by means of laser radiation, comprising:
Leiten einer Laserstrahlung (5) zu einem Werkstück (1), Herbeiführung einer Relativbewegung zwischen dem Fokus (8) der Laserstrahlung und dem Werkstück (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlung (5) derart auf den Bearbeitungsbereich (3) gerichtet wird, dass die Laserstrahlung (5) im Wesentlichen nur auf Protrusionen (10) einwirkt, die aus der Oberfläche (11) des Werkstücks (1) hervorstehen. Guiding laser radiation (5) to a workpiece (1), bringing about a relative movement between the focus (8) of the laser radiation and the workpiece (1), characterized in that the laser radiation (5) is directed onto the processing area (3) in such a way that that the laser radiation (5) essentially only acts on protrusions (10) which protrude from the surface (11) of the workpiece (1).
12. Verfahren nach Anspruch 11, weiterhin umfassend die Einstellung der Intensität der Laserstrahlung (5), insbesondere in Abhängigkeit des Werkstoffs, der Oberflächenbeschaffenheit und/oder der Geometrie des Werkstücks (1). 12. The method according to claim 11, further comprising setting the intensity of the laser radiation (5), in particular as a function of the material, the surface properties and / or the geometry of the workpiece (1).
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, weiterhin umfassend die Einstellung des Abstandes (d) zwischen dem Fokus (8) der Laserstrahlung (5) und der Oberfläche (11) des Werkstücks (1), insbesondere in Abhängigkeit des Werkstoffs, der13. The method according to claim 11 or 12, further comprising the setting of the distance (d) between the focus (8) of the laser radiation (5) and the surface (11) of the workpiece (1), in particular as a function of the material
Oberflächenbeschaffenheit und/oder der Geometrie des Werkstücks (1). Surface quality and / or the geometry of the workpiece (1).
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, weiterhin umfassend die Einstellung des Auftreffwinkels (f) der Laserstrahlung (5), insbesondere in Abhängigkeit des Werkstoffs, der Oberflächenbeschaffenheit und/oder der Geometrie des Werkstücks (1). 14. The method according to any one of claims 11 to 13, further comprising setting the angle of incidence (f) of the laser radiation (5), in particular as a function of the material, the surface properties and / or the geometry of the workpiece (1).
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, weiterhin umfassend eine vorherige oder nachfolgende Bearbeitung durch zumindest ein weiteres insbesondere spanendes Bearbeitungsverfahren (13). 15. The method according to any one of claims 11 to 14, further comprising a previous or subsequent processing by at least one further, in particular cutting, processing method (13).
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei die Protrusionen (10) durch hervorstehende Abschnitte von Fasern, Verunreinigungen und/oder Erhebungen gebildet werden. 16. The method according to any one of claims 11 to 15, wherein the protrusions (10) are formed by protruding portions of fibers, impurities and / or elevations.
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