DE102010026107A1

DE102010026107A1 - Vorrichtung und Verfahren zum prozessgasbegleiteten Bearbeiten von Werkstücken mit energetischer Strahlung

Info

Publication number: DE102010026107A1
Application number: DE102010026107A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2010-07-05
Filing date: 2010-07-05
Publication date: 2012-01-05
Anticipated expiration: 2030-07-06
Also published as: DE102010026107B4; WO2012003914A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken mit energetischer Strahlung, bei der ein energetischer Strahl durch eine Düsenanordnung hindurch geführt und gemeinsam mit einem Prozessgas auf ein Werkstück gerichtet werden kann, mit einem Mittel zum Auslenken des energetischen Strahls, wodurch der Bearbeitungspunkt auf dem Werkstück zweidimensional verschoben werden kann, wobei die Düsenanordnung ein erstes und ein zweites Düsenelement aufweist und das zweite Düsenelement einen Düsenkopf umfasst, und wobei das erste und/oder das zweite Düsenelement rotierbar angeordnet ist/sind, und darüber hinaus das erste und das zweite Düsenelement so ausgebildet sind, dass der Düsenkopf durch eine abhängig von der Auslenkung des energetischen Strahls gewählten Rotation des ersten und/oder des zweiten Düsenelements so verkippt werden kann, dass der energetische Strahl die Düsenkopfaustrittsöffnung durchläuft.

Description

Technisches Anwendungsgebiet
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bearbeiten von Werkstücken mit energetischer Strahlung, bei der ein energetischer Strahl durch eine Düsenanordnung hindurch geführt und gemeinsam mit einem Prozessgas auf ein Werkstück gerichtet werden kann, mit einem Mittel zum Auslenken des energetischen Strahls, wodurch der Bearbeitungspunkt auf dem Werkstück zweidimensional verschoben werden kann, wobei die Düsenanordnung ein erstes und ein zweites Düsenelement aufweist und das zweite Düsenelement einen Düsenkopf umfasst, und wobei das erste und/oder das zweite Düsenelement rotierbar angeordnet ist/sind. Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein entsprechendes Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken mit energetischer Strahlung. Bevorzugte Anwendungsgebiete sind das Laserstrahlschneiden und das Laserauftragsschweißen. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist das Strahlreinigen, insbesondere mit einem Sandstrahl, einem Strahl aus Trockeneis oder einem Plasmastrahl.
Stand der Technik
In vielen Anwendungsgebieten ist zum Bearbeiten von Werkstücken ein energetischer Strahl zusammen mit einem Prozessgasstrahl, welcher von einer Düsenanordnung erzeugt und/oder geführt wird, auf ein Werkstück zu richten. Typischerweise wird der energetische Strahl dabei ebenfalls durch die Düsenanordnung geführt. Das Prozessgas dient beispielsweise beim Laserstrahlschneiden dazu, den Austrieb der flüssigen Schmelze aus der Schnittfuge zu unterstützen. Um die Düsenanordnung über das Werkstück zu bewegen, werden oft Achs- oder Robotersysteme eingesetzt.
Derartige Achs- oder Robotersysteme verfügen über einen vergleichsweise großen Arbeitsraum, sind aber in ihrer Dynamik eingeschränkt. Es müssen große Kräfte und elektrische Ströme eingesetzt werden, um die Systemmassen zu beschleunigen und abzubremsen. So erreichen derartige Systeme ihre Höchstgeschwindigkeiten erst bei größeren Schnittlängen. Bei kürzeren Schnittlängen mit häufigen Richtungswechseln werden die Achssysteme trotz lediglich vergleichsweise geringer Schnittgeschwindigkeit mechanisch extrem belastet. Durch abrupte Beschleunigungswechsel werden zudem Schwingungen induziert, die sich nachteilig auf die Konturgenauigkeit auswirken.
Es ist auch bekannt, die energetische Strahlung mittels eines Scanner-Systems auszulenken. Dadurch sind aufgrund der vergleichsweise geringen bewegten Massen der Scanner-Spiegel grundsätzlich höhere Geschwindigkeiten und Genauigkeiten in der Positionierung der energetischen Strahlung erreichbar. Allerdings ist bei unbewegter Düse das Arbeitsfeld stark eingeschränkt und/oder die Düsenöffnung muss einen geeignet großen Querschnitt aufweisen, um einen Austritt der ausgelenkten energetischen Strahlung zu ermöglichen, was mit einem stark erhöhten Gasdurchsatz verbunden ist.
Die DE 10 2008 027 524 B3 beschreibt eine Vorrichtung zum Laserstrahlschneiden, bei der ein auslenkbarer Laserstrahl auf ein Werkstück durch eine Düse mit einem Schneidgas gerichtet ist. Dabei dienen zwei scheibenförmige rotierbare Elemente in Form eines Doppelexzenterantriebs als Träger für den Düsenkopf, welcher dadurch parallel zur Werkstückoberfläche bewegt werden kann. Die Düsenöffnung kann auf diese Weise innerhalb eines Bearbeitungsbereichs der Auslenkbewegung des Laserstrahls folgen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken mit energetischer Strahlung und einem Prozessgas bereitzustellen, womit sowohl eine hohe Bearbeitungsgeschwindigkeit, als auch eine hohe Konturgenauigkeit bei gleichzeitig geringem bzw. effizientem Verbrauch von Prozessgas ermöglicht wird und wobei lediglich ein vergleichsweise geringer Verschleiß auftritt.
Darstellung der Erfindung
Die Lösung dieses technischen Problems erfolgt durch ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen werden durch die abhängigen Ansprüche angegeben oder lassen sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Ausführungsbeispielen entnehmen.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Bearbeiten von Werkstücken mit energetischer Strahlung wird ein energetischer Strahl durch eine Düsenanordnung hindurch geführt und gemeinsam mit einem Prozessgas auf ein Werkstück gerichtet. Die Vorrichtung weist ein oder mehrere Mittel zum Auslenken des energetischen Strahls auf, wodurch der Bearbeitungspunkt auf dem Werkstück, d. h. in der Werkzeugebene, zweidimensional verschoben werden kann. Die Düsenanordnung weist ein erstes und ein zweites Düsenelement auf, wobei das zweite Düsenelement einen Düsenkopf mit einer Düsenkopfaustrittsöffnung umfasst, und wobei das erste und/oder das zweite Düsenelement rotierbar angeordnet ist/sind. Die Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass das erste und das zweite Düsenelement so ausgebildet sind, dass der Düsenkopf durch eine abhängig von der Auslenkung des energetischen Strahls gewählten Rotation des ersten und/oder des zweiten Düsenelements so verkippt werden kann, dass der energetische Strahl die Düsenkopfaustrittsöffnung durchläuft.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird das der Erfindung zu Grunde liegende Problem durch ein Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken mit energetischer Strahlung gelöst, bei dem ein energetischer Strahl durch eine Düsenanordnung hindurch geführt und gemeinsam mit einem Prozessgas auf ein Werkstück gerichtet wird, wobei der Bearbeitungspunkt auf dem Werkstück durch ein oder mehrere Mittel zum Auslenken des energetischen Strahls zweidimensional verschoben werden kann, wobei die Düsenanordnung ein erstes und ein zweites Düsenelement aufweist und das zweite Düsenelement einen Düsenkopf umfasst, wobei das erste und/oder das zweite Düsenelement rotierbar angeordnet ist/sind, und wobei der Düsenkopf durch eine abhängig von der Auslenkung des energetischen Strahls gewählten Rotation des ersten und/oder des zweiten Düsenelements so verkippt wird, dass der energetische Strahl die Düsenkopfaustrittsöffnung durchläuft.
Eine derartige Vorrichtung bzw. Verfahren, bei der/dem die energetische Strahlung und die Düsenanordnung miteinander synchronisiert bzw. aufeinander abgestimmt werden bzw. sind, ermöglicht es, für die Düsenkopfaustrittsöffnung einen kleinen Querschnitt vorzusehen, wodurch der Verbrauch von Prozessgas gering gehalten werden kann. Vorzugsweise beträgt der Durchmesser der Düsenkopfaustrittsöffnung zwischen 0.25 und 2 mm, noch größere Vorzüge hat ein Durchmesser zwischen 0.5 und 1 mm, oder die Querschnittsfläche der Düsenkopfaustrittsöffnung beträgt zwischen 0.05 und 3 mm², vorzugsweise zwischen 0.2 und 0.8 mm².
Trotz der kleinen Düsenkopfaustrittsöffnung gewährleistet die erfindungsgemäße Anordnung, dass ein vergleichsweise großes Arbeitsfeld auf dem Werkstück bearbeitet werden kann. Als Arbeitsfeld soll dabei die Fläche auf dem Werkstück definiert sein, welche allein durch die Auslenkung des energetischen Strahls, also ohne Bewegung des Achssystems, d. h. ohne Relativbewegung zwischen der Düsenanordnung und dem Werkstück, ausgenommen die Rotation des ersten und zweiten Düsenelements, bearbeitet werden kann. Aufgrund des großen Arbeitsfeldes, innerhalb dem mit der dynamischeren Scanner-Technologie bearbeitet werden kann, können die Fertigungszeiten erheblich verringert werden. Vorzugsweise hat das Arbeitsfeld eine Größe von mindestens 15 mm², noch größere Vorteile werden durch ein Arbeitsfeld von mindestens 50 mm² erreicht, bezogen auf einen angenommenen Abstand zwischen Düsenkopfaustrittsöffnung und Werkstück von maximal 5 mm oder darunter; im Allgemeinen beträgt der Abstand zwischen Düsenkopfaustrittsöffnung und Werkstück zwischen 0,25 mm und 2 mm, vorzugsweise zwischen 0,5 mm und 1 mm.
Vorteilhafterweise kann innerhalb des Arbeitsfeldes bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf Richtungswechsel verzichtet werden, d. h. die einzigen Bewegungen der Anordnung, nämlich die Rotation der zwei Düsenelemente, können vorzugsweise ausschließlich jeweils in einer Drehrichtung stattfinden. Dadurch können höhere Durchschnittsgeschwindigkeiten bei der Bearbeitung erzielt werden. Durch das Entfallen von Richtungswechsel bzw. der dabei auftretenden Kräfte ist die erfindungsgemäße Vorrichtung darüber hinaus vergleichsweise verschleißarm und weist eine hohe Lebensdauer auf. Außerdem werden durch das Entfallen von Richtungswechseln auch Schwingungen des Systems reduziert, so dass eine bessere Konturgenauigkeit bzw. genauere Führung des energetischen Strahls erreicht werden kann.
Die Erfindung kann für unterschiedliche Arten der Bearbeitung von Werkstücken eingesetzt werden, bei denen ein Werkstück prozessgasbegleitet mit energetischer Strahlung beaufschlagt wird. Mögliche Anwendungen sind u. a. das Schneiden, Schweißen oder Reinigen von Werkstücken. Bei dem energetischen Strahl kann es sich beispielsweise um einen Elektronenstrahl, einen Sandstrahl, um einen Strahl aus Trockeneis oder einen Plasmastrahl handeln, vorzugsweise handelt es sich jedoch um elektromagnetische Strahlung, insbesondere Laserstrahlung. Beim Prozessgas kann es sich beispielsweise um Stickstoff, Argon, Sauerstoff, Druckluft oder deren Gemische handeln.
Ein besonders wichtiges Anwendungsgebiet ist das Laserstrahlschneiden von Werkstücken.
Wesentlicher Bestandteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Düsenanordnung, welche zumindest zwei Düsenelemente, nämlich ein erstes und ein zweites Düsenelement aufweist. Das zweite Düsenelement umfasst darüber hinaus insbesondere einen Düsenkopf mit einer Düsenkopfaustrittsöffnung. Bei der Bearbeitung durchquert ein mittels einer Prozessgaszuführung bereitgestellter Prozessgasstrom die Düsenanordnung, insbesondere das erste und das zweite Düsenelement, welche hierfür jeweils eine für den Durchlass des Gases geeignete Öffnung aufweisen, oder zumindest einen Teil der Düsenanordnung und wird durch die Düsenkopfaustrittsöffnung hindurch und als Prozessgasstrahl auf das Werkstück geführt. Der Düsenkopf hat vorzugsweise hierzu in an sich bekannter Weise einen sich in Richtung der Düsenkopfaustrittsöffnung verjüngenden Querschnitt. Die Öffnungen des ersten und zweiten Düsenelements inklusive des Düsenkopfes sind darüber hinaus dafür vorgesehen, dass auch der energetische Strahl durch sie hindurch geführt wird.
Mindestens eines der beiden Düsenelemente ist rotierbar angeordnet, also rotierbar relativ zur übrigen Vorrichtung an dieser befestigt. Die beiden Düsenelemente sind derart ausgebildet, relativ zueinander angeordnet und miteinander verbunden, dass der vom zweiten Düsenelement umfasste Düsenkopf durch eine Rotation des ersten und/oder des zweiten Düsenelements verkippt werden kann. Durch die Verkippung kann die Strahlrichtung des Prozessgasstrahls und dessen Auftreffort auf dem Werkstück verändert werden. Auf diese Weise kann auch das Prozessgas auf einfache Weise, ohne aufwändige Bewegung eines Achs- oder Robotersystems innerhalb eines vergleichsweise großen Arbeitsfeldes auf das Werkstück geführt werden. Die Verkippung des Düsenkopfes und die Ausgestaltung der Düsenelemente ermöglicht den Austritt eines ausgelenkten, z. B. verkippten, energetischen Strahls durch die Düsenkopföffnung.
Es hat erhebliche Vorteile, wenn beide Düsenelemente rotierbar angeordnet, also jeweils rotierbar relativ zur übrigen Vorrichtung an dieser befestigt sind. Dies erhöht die Flexibilität der Vorrichtung und ermöglicht eine besonders schnelle Bearbeitung. Beide Düsenelemente sollten unabhängig voneinander angesteuert werden können, d. h. die Winkelstellung der Düsenelemente, in die diese jeweils in ihrer Rotationsebene verdreht werden, wie auch die Drehrichtung kann unabhängig voneinander eingestellt werden. Die Einstellung der Winkelstellung des ersten Düsenelements lässt sich beispielsweise durch einen Stellwinkel ε (0° <= ε < 360°), die des zweiten Düsenelements durch einen Verdrehwinkel δ (0° <= δ < 360°), welcher die Verdrehung des zweiten Düsenelements relativ zum ersten Düsenelements angibt, parametrisieren (jeweils definiert in Bezug auf eine festgelegte Ausgangsstellung).
Die Winkelstellung bzw. der Verdrehwinkel wie auch die Drehrichtung des zweiten Düsenelements kann zwar frei, d. h. unabhängig von der Stellung oder Drehrichtung des ersten Düsenelements, eingestellt werden, die Ausrichtung seiner Rotationsachse verändert sich jedoch abhängig von der Winkelstellung des ersten Düsenelements. Anders ausgedrückt bewirkt eine Rotation des ersten Düsenelements eine Verkippung der Rotationsachse des zweiten Düsenelements. Eine Rotation des zweiten Düsenelementes bewirkt eine Verkippung der Strahlrichtung im Raum. Eine zusätzliche Rotation des ersten Düsenelementes dreht diese Strahlrichtung um die Rotationsachse des ersten Düsenelementes.
Das erste Düsenelement weist hierfür eine Strahlaustrittseite auf, die mit der Strahleintrittsseite des zweiten Düsenelements gekoppelt ist. Durch die geometrische Form des ersten Düsenelements an dessen Strahlaustrittsseite wird dabei eine Austrittsebene definiert, die die Rotationsebene für die Rotationsbewegung des zweiten Düsenelements relativ zum ersten Düsenelement vorgibt, insbesondere diese Rotationsebene darstellt oder parallel dazu steht. Anders ausgedrückt liegt die Rotationsachse des zweiten Düsenelements vorzugsweise senkrecht zur Strahlaustrittsebene des ersten Düsenelements. Das erste Düsenelement, insbesondere seine Strahlaustrittsseite, ist derart geformt, dass seine Austrittsebene nicht parallel zu seiner Rotationsebene liegt. Stattdessen bilden die Austrittsebene des ersten Düsenelements und dessen Rotationsebene einen ersten Winkel, der hier mit α bezeichnet sein soll. Eine hierfür mögliche Ausgestaltung der Form des ersten Düsenelements weist beispielsweise einen trapezförmigen Querschnitt auf. Anders ausgedrückt weist das erste Düsenelement in einer Strahleintrittsebene, die vorzugsweise senkrecht zu seiner Rotationsachse liegt, eine erste Seite und in einer Strahlaustrittsebene eine zweite Seite auf, wobei die Strahlaustrittsebene gegenüber der Strahleintrittsebene um einen ersten Winkel α verkippt ist. Der erste Winkel α beträgt vorzugsweise 0 < |α| < 15°, besonders vorgezogen ist der Bereich zwischen 1.5° und 3°.
Das zweite Düsenelement umfasst auf seiner Strahlaustrittsseite, d. h. auf seiner dem Werkstück zugewandten Seite den Düsenkopf, welcher werkstückseitig eine Düsenkopfaustrittsöffnung aufweist. Durch die Form des Düsenkopfes wird eine Prozessgasstrahlaustrittsebene festgelegt, typischerweise liegt die Düsenkopfaustrittsöffnung in dieser Ebene. Der Prozessgasstrahl wird mit einer Hauptbewegungsrichtung, die senkrecht zu dieser Prozessgasstrahlaustrittsebene liegt, durch die Düsenkopfaustrittsöffnung aus dem Düsenkopf hinausgeführt. Gemäß einer besonders vorgezogenen Ausgestaltung der Erfindung ist der Düsenkopf derart geformt oder innerhalb der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. des zweiten Düsenelements angeordnet, dass die Prozessgasstrahlaustrittsebene nicht parallel zu der Rotationsebene des zweiten Düsenelements liegt. Stattdessen bilden die Prozessgasstrahlaustrittsebene und die Rotationsebene des zweiten Düsenelements einen zweiten Winkel, der hier mit β bezeichnet sein soll. Anders formuliert weist der Düsenkopf eine Prozessgasaustrittsachse auf, die gegenüber der Rotationsachse des zweiten Düsenelements um den zweiten Winkel β verkippt ist. Der zweite Winkel β beträgt ebenfalls vorzugsweise 0 < |β| < 15°, besonders vorgezogen ist der Bereich zwischen 1.5° und 3°. Durch die Rotation beider Düsenelemente kann bei solcher Anordnung eine besonders hohe Bewegungsflexibilität des Düsenkopfes erreicht werden.
Trotz der auf diese Weise ermöglichten starken Ablenkung des energetischen Strahls und des großen Arbeitsfeldes liegt der Masseschwerpunkt für beide Düsenelemente vergleichsweise nahe an deren jeweiligen Rotationsachse. Dies führt zu vergleichsweise geringen auftretenden Kräften bei Beschleunigungs- und Abbremsvorgängen und infolge dessen zu reduzierten Schwingungen und einer höheren Positioniergenauigkeit.
Die zur Durchleitung des Prozessgases und des energetischen Strahls vorgesehene Öffnung des ersten Düsenelements ist zentral im ersten Düsenelement angeordnet. Vorzugsweise durchquert die Rotationsachse des ersten Düsenelements das erste Düsenelement innerhalb, vorzugsweise mittig innerhalb dieser Öffnung. Die zur Durchleitung des Prozessgases und des energetischen Strahls vorgesehene Öffnung des zweiten Düsenelements schließt sich an die Öffnung des ersten Düsenelements an und ist ebenfalls zentral im zweiten Düsenelement angeordnet. Die Rotationsachse des zweiten Düsenelements schneidet das zweite Düsenelement an seiner Eingangsseite innerhalb, vorzugsweise mittig innerhalb der Öffnung des zweiten Düsenelements, vorzugsweise schneidet sie dort die Rotationsachse des ersten Düsenelements. Aufgrund der geringen Größe der Düsenkopfaustrittsöffnung des an der Ausgangsseite des zweiten Düsenelements angeordneten Düsenkopfes und der Verkippung der Rotationsachse des zweiten Düsenelements gegenüber der Prozessgasaustrittsachse des Düsenkopfes durchschneidet die Rotationsachse des zweiten Düsenelements den Düsenkopf bzw. das zweite Düsenelement ausgangsseitig dagegen typischerweise außerhalb der Düsenkopfaustrittsöffnung.
Für die Düsenkopfaustrittsöffnung kann beispielsweise eine konische, konischzylindrische, bizylindrische oder eine Lavalgeometrie gewählt werden.
Die Vorrichtung weist ein oder mehrere Mittel zum Auslenken des energetischen Strahls auf. Der Strahl kann damit so geführt werden, dass der Bearbeitungspunkt (bzw. Auftreffpunkt auf der Werkstückoberfläche) in der Bearbeitungsebene durch die Auslenkung des Strahls zweidimensional, d. h. innerhalb des flächigen Arbeitsfeldes verschoben werden kann. Die Auslenkung des energetischen Strahls bzw. das oder die dafür verwendeten Mittel können so ausgebildet sein, dass der energetische Strahl dabei – ohne Änderung der Strahlrichtung – parallel verschoben wird. Auf diese Weise bleibt der Auftreffwinkel auf einer ebenen Werkstückoberfläche grundsätzlich gleich.
Eine alternative vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist jedoch gerade dann gegeben, wenn der energetische Strahl nicht durch Parallelverschiebung sondern mittels einer Verkippung ausgelenkt werden kann oder allein durch eine Verkippung ausgelenkt wird, insbesondere einer Verkippung gegenüber der Rotationsachse des ersten Düsenelements. Diese Ausgestaltung ist mit vergleichsweise geringem apparativem Aufwand verbunden und erlaubt eine besonders präzise und schnelle Auslenkung. Darüber hinaus kann durch angestellte (stechende oder schleppende) Strahlführung der Absorptionsgrad lokal moduliert werden bzw. es kann ein höherer Absorptionsgrad bewirkt werden. Im Übrigen kann bei bestimmten Laseranwendungen durch eine geeignete Verkippung des Laserstrahls auf die Fließrichtung der Schmelze und die Bartbildung Einfluss genommen werden.
Indem der energetische Strahl bei dieser Ausführungsform der Erfindung durch eine Verkippung ausgelenkt wird, wird somit eine Strahlrichtungsänderung, d. h. eine Änderung des Auftreffwinkels des energetischen Strahls auf dem Werkstück bewirkt. Vorzugsweise sind die ein oder mehreren Mittel zum Auslenken des energetischen Strahls so ausgebildet, dass der Strahl zumindest innerhalb eines bestimmten Strahlkegels in alle Richtungen ausgelenkt werden kann. Die Verkippung des Strahls kann dabei relativ zu einer zentralen Hauptachse, etwa der Rotationsachse des ersten Düsenelements, der Vorrichtung erfolgen. Vorzugsweise sind beliebige Verkippwinkel zwischen 0° und 3°, vorzugsweise zwischen 0° und 10°, einstellbar, noch größere Vorteile werden durch eine Einstellbarkeit zwischen 0° und 30° erzielt. Dadurch ist ein großes Arbeitsfeld realisierbar.
Aufgrund der geometrischen Gegebenheiten, insbesondere der Verkippung des Düsenkopfes ermöglicht es die erfindungsgemäße Vorrichtung, das oder die Mittel zum Auslenken des energetischen Strahls außerhalb der Düsenanordnung, insbesondere in Strahlrichtung im Strahlengang vor der Düsenanordnung anzuordnen. Dies vereinfacht den apparativen Aufbau.
Besondere Vorteile hat es jedoch, wenn die Auslenkung des energetischen Strahls erst in der Düsenanordnung, d. h. innerhalb der Öffnung des ersten und/oder des zweiten Düsenelements erfolgt, vorzugsweise im Übergangsbereich zwischen dem ersten und dem zweiten Düsenelement. Entsprechend werden das oder die Mittel zum Auslenken, bzw. Verkippen des energetischen Strahls vorzugsweise dort angeordnet. Das Prozessgas kann in diesem Fall beispielsweise an dem oder die Mittel zum Auslenken, bzw. Verkippen des energetischen Strahls vorbeigeführt werden, etwa durch umlaufenden Bohrungen, oder wird erst unterhalb dieses oder dieser Mittel zugeführt. Auf diese Weise kann der energetische Strahl in eine Richtung ausgelenkt bzw. verkippt werden, die der Prozessgasaustrittsachse, und damit der Hauptbewegungsrichtung des Prozessgasstrahls bei Austritt aus der Düsenkopfaustrittsöffnung entspricht oder allenfalls davon geringfügig abweicht. Bei dieser Ausgestaltung ist es insbesondere möglich, besonders große Auslenkwinkel, etwa Auslenkwinkel zwischen 0 und 90°, einzustellen, so dass die Vorrichtung nicht nur für die Bearbeitung von annähernd ebenen Flächen, sondern auch etwa von halbkugelförmigen Flächen oder anderen komplexer geformten Flächen und damit quasi für eine 3D-Bearbeitung besonders gut geeignet ist
Für Anwendungen, bei denen ein elektromagnetischer Strahl zur Bearbeitung eingesetzt wird, können als Mittel zum Auslenken dieses elektromagnetischen Strahls insbesondere ein oder mehrere, z. B. reflektive oder refraktive, optische Mittel eingesetzt werden, wie etwa Spiegel oder Prismen bzw. Kombinationen daraus.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind ein oder mehrere Mittel zum Auslenken, bzw. Verkippen des energetischen Strahls mit dem ersten und/oder zweiten Düsenelement fest verbunden, d. h. steht/stehen während der Bearbeitung in fester Lagebeziehung zum ersten und/oder zweiten Düsenelement, so dass die Ausrichtung des oder der Mittel zum Auslenken, bzw. Verkippen des energetischen Strahls relativ zum Strahlengang des energetischen Strahls durch Drehung des ersten und/oder zweiten Düsenelements unmittelbar verändert wird. Auf diese Weise kann die Auslenkung des Prozessgasstrahls und des energetischen Strahls unmittelbar gekoppelt werden und somit gemeinsam erfolgen. Insbesondere können ein oder mehrere Mittel so ausgestaltet und angeordnet sein, dass der energetische Strahl bei einer Verdrehung des ersten und/oder zweiten Düsenelements so verkippt wird, dass der energetische Strahl die Düsenkopfaustrittsöffnung durchläuft, vorzugsweise dass er die Düsenkopfaustrittsöffnung stets durchläuft, d. h. bei jeder Winkelstellung des ersten und zweiten Düsenelements. Der energetische Strahl wird bei Drehung des ersten und/oder zweiten Düsenelements vorzugsweise in die Richtung der Prozessgasaustrittsachse ausgelenkt bzw. verkippt. Anders ausgedrückt folgt die Auslenkung des energetischen Strahls unmittelbar und automatisch der Verkippung des Düsenkopfes. Somit kann auf eine Steuerung der Synchronisation der Auslenkung des energetischen Strahls und der Bewegung des Düsenkopfes verzichtet werden. Auch komplex geformte Flächen können auf diese Weise sehr flexibel, schnell und ohne großen Aufwand bearbeitet werden. Die feste Verbindung zwischen dem oder den Mitteln zum Auslenken, bzw. Verkippen des energetischen Strahls und dem ersten und/oder zweiten Düsenelement kann auf verschiedene Weise realisiert sein, vorzugsweise ist die Verbindung justierbar.
Eine spezielle Ausgestaltung sieht beispielsweise vor, zumindest ein erstes Mittel zum Auslenken, bzw. Verkippen des energetischen Strahls fest mit dem ersten Düsenelement zu verbinden, wobei es vorzugsweise innerhalb der Öffnung des ersten Düsenelements im Strahlengang des energetischen Strahls angeordnet wird. Aufgrund der Verbindung mit dem ersten Düsenelement übernimmt es dabei die Rotationsbewegung dieses ersten Düsenelements bei dessen Drehung. Abhängig vom Stellwinkel des ersten Düsenelements ändert sich somit die Ausrichtung des ersten Mittel zum Auslenken, bzw. Verkippen des energetischen Strahls und damit die Richtung des verkippten energetischen Strahls. Zumindest ein zweites Mittel zum Auslenken, bzw. Verkippen des energetischen Strahls wird darüber hinaus fest mit dem zweiten Düsenelement, insbesondere innerhalb der Öffnung des zweiten Düsenelements verbunden. Entsprechend übernimmt es aufgrund der Verbindung mit dem zweiten Düsenelement die Rotationsbewegung dieses zweiten Düsenelements bei dessen Drehung. Somit übernimmt es auch die Verkippung seiner Rotationsachse bei Rotation des ersten Düsenelements. Die beiden Mittel zum Auslenken, bzw. Verkippen des energetischen Strahls sind so ausgebildet und zueinander angeordnet, dass der energetischer Strahl bei einer Verdrehung des ersten und/oder zweiten Düsenelements so verkippt wird, dass der energetische Strahl die Düsenkopfaustrittsöffnung durchläuft. Es ist somit beispielsweise möglich, auf eine komplexe separate Scan-Einrichtung in Gänze zu verzichten. Die Strahlführung des Laserstrahls erfolgt unmittelbar mittels der Düsenanordnung; eine Synchronisation zwischen der Bewegung des Laserstrahls und der Düsenanordnung ist nicht erforderlich bzw. erfolgt automatisch.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Düsenkopf innerhalb des zweiten Düsenelements verschiebbar angeordnet. Die Lage des vom zweiten Düsenelement umfassten Düsenkopf kann relativ zu anderen Bereichen des zweiten Düsenelements in eine Richtung, insbesondere in Richtung der Prozessgasaustrittsachse verändert werden, bzw. vorzugsweise kann diese Lageveränderung während der Bearbeitung gesteuert werden. Hierfür weist das zweite Düsenelement bzw. der Düsenkopf geeignete, an sich bekannte, z. B. mechanische, Verstellmittel auf. Vorzugsweise ist die Anordnung des Düsenkopfes am zweiten Düsenelement auf diese Weise derart variierbar, dass der Abstand des Düsenkopfes vom ersten Düsenelement bzw. der Abstand des Düsenkopfes vom Werkstück verändert werden kann. Dies erhöht die Flexibilität der Vorrichtung, da somit die Größe der vom Prozessgasstrahl bestrahlten Fläche auf dem Werkstück einstellbar und somit dessen Intensität einfach steuerbar ist.
Besondere Vorteile hat es, wenn die Anordnung des Düsenkopfes am zweiten Düsenelement derart variiert werden kann, dass einer durch Verkippung des Düsenkopfes verursachten Änderung der Länge des Prozessgasstrahlengangs zwischen der Düsenkopfaustrittsöffnung und dem Bearbeitungspunkt bzw. Auftreffpunkt des Prozessgasstrahls auf dem Werkstück entgegengewirkt werden kann, vorzugsweise kann diese Längenänderung ausgeglichen werden. Anders ausgedrückt kann für jeden Bearbeitungspunkt innerhalb des Arbeitsfeldes die Lage des Düsenkopfes relativ zum zweiten Düsenelement so eingestellt werden, dass die Länge des Prozessgasstrahlengangs zwischen der Düsenkopfaustrittsöffnung und dem Bearbeitungspunkt für alle Bearbeitungspunkte gleich ist. Auf diese Weise können Schwankungen in der Größe der vom Prozessgasstrahl bestrahlten Fläche auf dem Werkstück und damit in dessen Intensität verringert oder vollständig vermieden werden.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht im Übrigen vor, dass ein Fokussiermittel zur Fokussierung des energetischen Strahls vorhanden ist, welches ebenfalls innerhalb der Vorrichtung verschiebbar angeordnet ist, so dass der Fokussierungsgrad des auf dem Werkstück auftreffenden energetischen Strahls veränderbar ist. Vorzugsweise kann die Lage des Fokussiermittels derart verändert werden, dass die Weglänge des Strahlengangs zwischen dem Fokussiermittel und dem Auftreffpunkt des energetischen Strahls auf dem Werkstück (auch) bei Verkippung des energetischen Strahls unverändert bleibt. Dadurch ist es möglich, während der Bearbeitung den Fokussierungsgrad der energetischen Strahlung weitgehend konstant zu halten. Das Fokussiermittel kann beispielsweise mit dem Düsenkopf verbunden oder gekoppelt sein, der wie oben beschrieben innerhalb des zweiten Düsenelements verschiebbar angeordnet ist, so dass das Fokussiermittel bei Verschiebung des Düsenkopfes entsprechend mitverschoben wird.
Für das Laserschneiden ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren aufgrund der verkippten Beaufschlagung des Werkstücks mit dem Prozessgas insbesondere einen verbesserten Schmelzaustrieb, so dass ein besonders glatter und gratfreier Schnitt erzielt werden kann.
Darüber hinaus bietet die Vorrichtung die Möglichkeit, über eine ”dynamische Vorspannung” die Beschleunigungsphase der Düsenauslenkung zu reduzieren. Dabei wird die Bearbeitung des Werkstücks mit bereits rotierenden Düsenelementen begonnen. Anders ausgedrückt findet vorzugsweise zunächst eine gemeinsame Rotation beider Düsenelemente statt, wobei insbesondere der Verdrehwinkel δ zunächst in einer Ausgangsstellung verharrt. Erst mit oder nach Beginn der Bearbeitung, insbesondere Bestrahlung des Werkstücks mit energetischer Strahlung bzw. dem Prozessgasstrahls, wird das zweite Düsenelement gegenüber dem ersten Düsenelement verdreht. Anders ausgedrückt findet erst eine Rotation des Prozessgasstrahls um seine Hochachse statt bevor der Strahl aus seiner Ausgangslage bewegt wird.
Aufgrund des großen Arbeitsfeldes, welches mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bearbeitet werden kann, ohne dass eine translatorische Relativbewegung zwischen der gesamten Vorrichtung und dem Werkstück erforderlich ist, genügt in vielen Anwendungsfällen allein die Auslenkung des energetischen Strahls zusammen mit dem synchron beaufschlagten Prozessgas, um einen Bearbeitungsschritt, etwa die Herstellung einer Schweißnaht oder eines Schnittes, vollständig durchzuführen. Auf die Bewegung der Vorrichtung durch ein Achs-/Robotersystem während der Bearbeitung kann verzichtet werden. Dies erlaubt eine besonders schnelle und präzise Bearbeitung. Ein konventionelles Achs/Robotersystem wird zusätzlich für eine Relativbewegung zwischen zwei Bearbeitungsschritten eingesetzt. Weiterhin können sich vorteilhafte Prozesseffekte bei der Überlagerung der Vorschubbewegung durch Kreis- oder Achterfiguren ergeben.
Besondere Vorteile hat jedoch gerade die Bearbeitung bei kombinierter Bewegung mittels eines Achs-/Robotersystems und eines Scannersystems. Auf diese Weise ist eine großflächige Bearbeitung mit hoher Dynamik und Geschwindigkeit und vergleichsweise hoher Präzision möglich. Dabei erfolgt die Bewegung des Achs-/Robotersystems während der Bearbeitung vorzugsweise gleichförmig, also ohne Beschleunigung oder Abbremsung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen ohne Beschränkung des durch die Patentansprüche vorgegebenen Schutzbereichs nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:
1 Schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Erfindung
2: Schematische Darstellung der Düsenanordnung
3: Darstellung der Verschiebung des Arbeitspunktes vom Ausgangspunkt B zu einem Punkt B' innerhalb des Arbeitsfeldes
4: Zwei verschiedene Einstellmöglichkeiten für den Stellwinkel ε und den Verdrehwinkel δ zur Ansteuerung eines Punktes B''.
5: Spezialfälle: Arbeitspunkt B' auf dem Rand des Arbeitsfeldes und Arbeitspunkt B auf der Zentralachse (Ausgangsstellung)
6: Weitere schematische Darstellung der Düsenanordnung
7: Weitere schematische Darstellung der Düsenanordnung
8: Beispiel für die Durchführung eines rechtwinkligen Schnitts mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der die Vorrichtung auf einer Kreisbahn durch ein Achssystem bewegt wird
9: Darstellung der Ausgleichsbewegung der erfindungsgemäßen Vorrichtung für das in 8 beschriebene Beispiel in einem auf dem Achssystem mitgeführten Koordinatensystem
10: Berechnung der Stellwinkel ε und Verdrehwinkel δ für einige beispielhafte Punkte des Beispiels aus 8 und 9
11: Weitere schematische Darstellung der Düsenanordnung mit innerhalb des ersten bzw. zweiten Düsenelements angeordneten Auslenkmitteln
12: Weitere schematische Darstellung der Düsenanordnung mit zusätzlichem Verstellmittel für den Düsenkopf
Wege zur Ausführung der Erfindung
1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Vorrichtung weist ein Scanner-System 1 auf, umfassend insbesondere zwei Umlenkspiegel 2 als Mittel zur Auslenkung eines elektromagnetischen Strahls 3 in Form einer Verkippung. Im Strahlengang ist eine Fokussierlinse 4 vorhanden (innerhalb des Scanner-Systems 1 fest eingebaut), mit der der elektromagnetische Strahl 3 auf das Werkstück 11 fokussiert werden kann. Die Fokussierlinse 4 ist so angeordnet, ausgebildet und dimensioniert, dass sie die gewünschte Fokussierwirkung für alle Verkippwinkel leisten kann. Das Scanner-System 1 ist mit der Düsenanordnung verbunden. Die Düsenanordnung umfasst ein als obere Rotorscheibe ausgebildetes erstes Düsenelement 7 und ein zweites Düsenelement 17, welches eine untere Rotorscheibe 8 umfasst sowie einen an deren dem zu bearbeitenden Werkstück 11 zugewandter Seite befestigter Düsenkopf 9. Im Profilschnitt weisen die obere 7 und die untere Rotorscheibe 8 in dieser Ausführungsform jeweils die Form eines rechtwinkligen Trapezes auf. An der dem zu bearbeitenden Werkstück 11 abgewandten Seite der Düsenanordnung ist eine Prozessgaszuführung 6 vorhanden. Das Prozessgas gelangt von der Prozessgaszuführung 6 durch eine zentrale Öffnung in der oberen Rotorscheibe 7 und eine zentrale Öffnung in der unteren Rotorscheibe 8 und durch den Düsenkopf 9 durch die Düsenkopfaustrittsöffnung 16 als Prozessgasstrahl 10 auf das Werkstück 11. Die Auslenkung bzw. Verkippung des elektromagnetischen Strahls 3 und die Stellung der oberen und der unteren Rotorscheibe 7, 8 bzw. des ersten und des zweiten Düsenelements 7,17 und der damit verbundenen Verkippung des Düsenkopf 9 sind so miteinander abgestimmt, dass der elektromagnetischen Strahl 3 die Austrittsöffnung 16 des Düsenkopfs 9 berührungslos durchläuft und auf das Werkstück 11 trifft. Da der elektromagnetische Strahl 3 in der (nicht maßstabsgetreuen) Darstellung der vorliegenden Ausführungsform bereits deutlich oberhalb der Düsenanordnung verkippt wird, gelangen der elektromagnetische Strahl 3 und der Prozessgasstrahl 10 zwangsläufig zwar mit einem voneinander leicht verschiedenen Winkel auf das Werkstück 11. In realistischen Ausgestaltungen sind diese Abweichung sowie der Abstand zwischen der Austrittsöffnung 16 des Düsenkopfs 9 und dem Werkstück 11 hinreichend klein, dass der elektromagnetische Strahl 3 und der Prozessgasstrahl 10 auf dieselbe Stelle der Werkstückoberfläche 11 treffen, bzw. der elektromagnetische Strahl 3 an der Auftreffstelle auf dem Werkstück 11 vom Prozessgasstrahl 10 umhüllt wird. Der Abstand der gesamten Vorrichtung zum Werkstück 11 ist im Übrigen in an sich bekannter Weise mittels einer Z-Achsenbewegungseinrichtung 5 einstellbar.
In der zentralen Öffnung der oberen und der unteren Rotorscheibe 7,8 ist jeweils ein Doppelpfeil dargestellt, welcher jeweils in der Rotationsebene der jeweiligen Rotorscheibe 7, 8 liegt und die möglichen Rotationsrichtungen der jeweiligen Rotorscheibe anzeigt. Die Rotation der oberen Rotorscheibe 7 erfolgt um die Zentralachse 13 der erfindungsgemäßen Vorrichtung, d. h. in einer senkrecht zur Zentralachse 13 liegenden Rotationsebene.
Eine Drehung der unteren Rotorscheibe 8 relativ zur oberen Rotorscheibe 7 führt zu einer Rotation des Düsenkopfs 9 um dessen eigene Mittelachse bzw. Prozessgasaustrittsachse 18 sowie im gezeigten Schnitt in 2 (i. a.) zu einer Schwenkbewegung des Düsenkopfes 9 um den Punkt A. Der auf das Werkstück 11 projizierte Mittelpunkt der Düsenkopfaustrittsöffnung 16, in 2 in der Ausgangsstellung, in der die Prozessgasaustrittsachse 18 mit der Zentralachse 13 übereinstimmt, mit B bezeichnet, wird dabei in den Punkt B' verschoben. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit stellt Punkt B' im dargestellten Beispiel einen Punkt dar, der bei einer Stellung der oberen 7 und der unteren Rotorscheibe 8 resultiert, welche eine maximale Verkippung des Düsenkopfes 9 von der Zentralachse 13 (= Rotationsachse des ersten Düsenelements 7) verursacht.
Diese Verschiebung erfolgt, wie in 3 dargestellt, in Abhängigkeit der Rotation der unteren Rotorscheibe 8 in der Aufsicht auf das Werkstück 11 entlang einer Kreisbahn 12. Die Verschiebung kann auf dieser Kreisbahn in Abhängigkeit von der Drehrichtung des zweiten Düsenelements 17 mit oder entgegen dem Uhrzeigersinn gewählt werden, wie durch Pfeile angedeutet. Eine Drehung des ersten Düsenelements bzw. der oberen Rotorscheibe 7 verursacht in der Projektion eine zusätzliche Verdrehung der in 3 beschriebenen Kreisbewegung 12 um die Hochachse bzw. Zentralachse 13 des Systems. Dadurch erhält man insgesamt ein kreisförmiges Arbeitsfeld 14 mit Radius R_max, innerhalb dessen jeder Punkt sich mit zumindest einer Stellung der oberen 7 und der unteren Rotorscheibe 8 als projizierter Mittelpunkt der Düsenkopfaustrittsöffnung 16 ergibt und somit für die Bearbeitung erreicht werden kann. Das resultierende Arbeitsfeld 14 wird durch die Geometrie der Rotorscheiben 7, 8, des Düsenkopfes 9 und durch den Abstand der Vorrichtung bzw. der Düsenkopfaustrittsöffnung 16 zum Werkstück 11 bestimmt.
Der Düsenkopf 9 beschreibt im Allgemeinen somit eine dreidimensionale Bewegung. Der Bewegungsraum des Düsenkopfes 9 gleicht in der Aufsicht einem Kreis; im Schnitt stellt er im Allgemeinen eine nach oben geöffnete wannenförmige Bahn dar.
In 4(a) und (b) ist dargestellt, wie sich ein beispielhaft gewählter Punkt B'' im Arbeitsfeld 14 durch unterschiedliche Kombinationen der Stellungen der oberen 7 und unteren Rotorscheibe 8 bzw. des ersten und des zweiten Düsenelements 7, 17 als projizierter Mittelpunkt der Düsenkopfaustrittsöffnung 16 ergibt und ansteuern lässt. Die Stellung der oberen Rotorscheibe 7 (bzw. erstes Düsenelement 7) wird dabei durch den Stellwinkel ε, die Stellung der unteren Rotorscheibe 8 (bzw. zweites Düsenelement 17) durch den Verdrehwinkel δ, welcher die Verdrehung der unteren Rotorscheibe 8 (bzw. zweites Düsenelement 17) relativ zur oberen Rotorscheibe 7 (bzw. erstes Düsenelement 7) angibt, parametrisiert. In 4(a) weist die obere Rotorscheibe 7 einen großen Stellwinkel von ε = 330° auf. Bei einer Verdrehung der unteren Rotorscheibe 8 relativ zur oberen 7 wandert der projizierte Mittelpunkt der Düsenkopfaustrittsöffnung 16 auf der Kreisbahn 12. Bei einem Verdrehwinkel von δ = 78° ist dabei Punkt B'' erreicht. In 4(b) wird derselbe Punkt B'' angefahren, hier allerdings entlang der Kreisbahn 12' und mit anderem Stellwinkel ε und anderem Verdrehwinkel δ. Für alle Zielpunkte im Arbeitsfeld 14 mit einem Radius R mit 0 < R < R_max lassen sich auf diese Weise grundsätzlich zwei Kombinationen aus Stell- und Verdrehwinkel finden.
In 5(a) ist nochmals der Spezialfall dargestellt, dass ein am Rand des Arbeitsfeldes 14 befindlicher Punkt B', d. h. ein Punkt mit R = R_max, angefahren werden soll. Hierfür muss der Düsenkopf 9 maximal ausgelenkt, d. h. relativ zur Zentralachse 13 maximal verkippt werden. Dies wird nur bei genau einem Verdrehwinkel δ erreicht (bei der hier dargestellten Ausführungsform und Nomenklatur bei einem Verdrehwinkel von δ = 180°). Für jeden Punkt auf dem Rand des Arbeitsfeldes 14 existiert demnach offensichtlich genau eine mögliche Kombination aus Stellwinkel und dem festen Verdrehwinkel.
In 5(b) soll der Düsenkopf 9 im Mittelpunkt des Arbeitsfeldes (R = 0) positioniert werden, d. h. der Düsenkopf 9 soll nicht ausgelenkt werden. Dies legt den Verdrehwinkel eindeutig fest (bei der hier dargestellten Ausführungsform und Nomenklatur ist der Verdrehwinkel δ = 0°). Die obere Rotorscheibe 7 (bzw. erstes Düsenelement) kann beliebig eingestellt werden (gezeigt sind zwei beispielhafte Einstellungen) oder kann – gemeinsam mit der unteren Rotorscheibe 8 bzw. zweites Düsenelement 17 – frei rotieren (ε = variabel).
6 zeigt eine weitere schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung, worin einige Parameter erläutert werden. H1 stellt die mittlere Höhe der oberen Rotorscheibe 7, H2 die mittlere Höhe der unteren Rotorscheibe 8 dar, H3 die wirksame Düsenhöhe und H4 den Abstand zwischen dem Düsenkopf 9 und dem Werkstück 11. Typische Werte für H1, H2, H3 und H4 sind z. B.: H1 = 50 mm; H2 = 30 mm; H3 = 15 mm; H4 = 1 mm. D1 bezeichnet den Durchmesser der oberen Rotorscheibe 7, D2 den Durchmesser der unteren Rotorscheibe 8; Typische Werte hierfür sind D1 = D2 = 125 mm.
Im gezeigten Profilschnitt der 6 weisen die obere 7 und die untere Rotorscheibe 8 wiederum jeweils die Form eines rechtwinkligen Trapezes auf.
Der Trapezwinkel α stellt den Winkel zwischen der Strahleintrittsebene der oberen Rotorscheibe 7 und der Strahlaustrittsebene der oberen Rotorscheibe 7 dar. Der Trapezwinkel β entspricht in der gezeigten Ausführungsform dem Winkel zwischen der Strahleintrittsebene der unteren Rotorscheibe 8 und der dem Werkstück 11 zugewandten Seite der unteren Rotorscheibe 8 dar (wobei der Düsenkopf 9 so angeordnet ist, dass die Strahlaustrittsachse 18 des Düsenkopfs 9 senkrecht auf der dem Werkstück 11 zugewandten Seite der unteren Rotorscheibe 8 steht).
Allgemein stellt β den Winkel zwischen der Prozessgasaustrittsachse 18 und der Rotationsachse 19 des zweiten Düsenelements 17 dar.
Der in 7 gekennzeichnete Verkippwinkel γ berechnet sich (in Abhängigkeit von den beiden Trapezwinkeln α und β und dem Verdrehwinkel δ) allgemein durch: γ = sin(1/2δ)·(α + β)
Bei maximaler Verkippung ist der Verkippwinkel somit durch die Summe der beiden Trapezwinkel α und β gegeben. Die im gezeigten Profilschnitt auf das Werkstück 11 projizierte Strecke BB'' zwischen dem Mittelpunkt B des Arbeitsfelds 14 und einem Punkt B'' ist gegeben durch: BB'' = tanγ·(H₂ + H₃ + H₄)
Für den Radius des Arbeitsfelds 14 gilt somit: R_max = tan(α + β)·(H₂ + H₃ + H₄)
Eine beispielhafte Ausführungsform weist zwei Rotorscheiben 7, 8 mit gleichen Trapezwinkeln von jeweils 3° auf. Der mögliche Verkippwinkel liegt dann zwischen 0° und dem Maximum von 6°. Für einen beispielhaften Wert von H₂ + H₃ + H₄ = 20,82 mm ergibt sich für den Radius des Arbeitsfeldes 14 R_max = 2,19 mm, und für die Arbeitsfeldgröße A = 15,07 mm².
In den 8, 9 und 10 wird ein Beispiel für die Erzeugung einer rechtwinkligen Schnittkontur beschrieben. Die zu erzeugende rechtwinklige Schnittkontur ist in 8 dargestellt (wobei die beiden Schnittkanten jeweils eine auf 1 normierte Länge aufweisen). In einem konventionellen Verfahren würde ein Achssystem entlang dieser Kontur bewegt werden. Im erfindungsgemäßen Verfahren kann das Achssystem beispielsweise gemäß der in 8 gezeigten kreisförmigen Kontur (d. h. auf einem Kreisabschnitt eines Kreises mit dem normierten Radius 1), bezüglich der die beiden Schnittkanten tangential angeordnet sind, eine gleichförmige (Kreis-)Bewegung durchführen. Zusätzlich führt ein vom Achssystem bewegtes Scannersystem die Laserstrahlung durch eine Ausgleichsbewegung auf der gewünschten rechtwinkligen Schnittkontur. Koaxial und synchron zur Laserstrahlung wird die Düsenanordnung geführt bzw. diese beschreibt die gleiche Ausgleichsbewegung wie das Scanner-System. Auf diese Weise kann die Bearbeitungszeit im Vergleich zum konventionellen Verfahren erheblich gesenkt werden.
Die Ausgleichsbewegung, die die erfindungsgemäße Vorrichtung (Scanner und Düsenanordnung) für den in 8 dargestellten Fall in einem auf dem Achssystem (welches die kreisförmige Bewegung gemäß 8 vollzieht) mitgeführten Koordinatensystem durchführen muss, zeigt 9. Die Ausgleichsbewegung hat in dieser Darstellung die Form einer spitzen bikonvexen Linse. Der aufsteigende untere Ast der ”Linse” entspricht dabei dem vertikalen Anteil des Schnittes, der absteigende obere Ast der ”Linse” dem horizontalen Anteil der Schnittkontur von 8.
10(a) zeigt schematisch nochmals in der Aufsicht die entsprechende Ausgleichsbewegung der Vorrichtung für den rechtwinkligen Schnitt gemäß 8 und 9. Die Ausgleichsbewegung ist mit der gepunkteten Linie angedeutet. Exemplarisch wurden 5 Punkte (mit den umkreisten Ziffern 0 bis 4 bezeichnet) auf dieser Linie hervorgehoben (die Punkte 1 bis 4 sind ebenfalls in 8 und 9 gekennzeichnet). Für diese sind in der Tabelle gemäß 10(b) exemplarisch die jeweiligen Stellwinkel ε_i des ersten Düsenelements 7 (bzw. der oberen Rotorscheibe) und die jeweiligen Verdrehwinkel δ_i des zweiten Düsenelements 8 relativ zum ersten Düsenelement 7 angegeben. Der Stellwinkel ε₀ an der Position ”0” ist grundsätzlich beliebig wählbar, da sich beim Verdrehwinkel δ₀ = 0° die Düsenanordnung um die eigene Achse (ohne Verkippung des Düsenkopfes 9) dreht. Vorzugsweise wird die Düsenanordnung ”dynamisch vorgespannt”, d. h. das obere Düsenelement 7 wird gemeinsam mit dem unteren Düsenelement 8 bereits beschleunigt, d. h. in dieser Anordnung in Rotation versetzt, bevor die Bearbeitung des Werkstücks 11 beginnt.
Wie man erkennen kann ist für keines der beiden Düsenelemente 7,17 während der Erzeugung des rechtwinkligen Schnittes eine Drehrichtungsumkehr erforderlich und erfolgt vorzugsweise daher nicht. Stattdessen kann die Ausgleichsbewegung allein über das Geschwindigkeitsprofil der rotierenden Düsenelemente 7,17 gesteuert werden.
11 zeigt schematisch ein besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel, bei dem ein erstes Mittel 2 zum Auslenken, bzw. Verkippen des energetischen Strahls 3 innerhalb der zentralen Öffnung des ersten Düsenelements 7 und ein zweites Mittel 2' zum Auslenken, bzw. Verkippen des energetischen Strahls 3 innerhalb der zentralen Öffnung des zweiten Düsenelements 17 angeordnet sind. In diesem Beispiel ist der energetische Strahl 3 ein elektromagnetischer Strahl; die beiden Mittel 2, 2' sind als Prismen ausgebildet. Das erste Prisma 2 ist fest mit dem ersten Düsenelement 7, das zweite Prisma 2' fest mit dem zweiten Düsenelement 17 verbunden. Die Prismen 2, 2' sind so ausgelegt und zueinander angeordnet, dass der energetischer Strahl 3 bei einer Verdrehung des ersten und/oder zweiten Düsenelements 7, 17 immer so mitverkippt wird, dass der energetische Strahl 3 automatisch stets die Düsenkopfaustrittsöffnung 16 durchläuft. Im Düsenkopf 9 ist im Übrigen vorzugsweise eine Fokussierlinse 4 vorhanden. Die Zuführung des Prozessgases über die Prozessgaszuführung 6 erfolgt in diesem Beispiel ohne Beschränkung der Allgemeinheit erst in Strahlrichtung hinter der Fokussierlinse 4.
12 beschreibt eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der ihr eine zusätzliche Z-Achse hinzugefügt ist. Dabei weist das zweite Düsenelement 17 angrenzend zu seiner zentralen Öffnung ein Verstellmittel 15 auf, mit dem die Lage des Düsenkopfs 9 innerhalb des zweiten Düsenelements 17 verändert werden kann; der Düsenkopf 9 kann mit diesem Verstellmittel 15 relativ zum zweiten Düsenelements 17 axial entlang der Öffnung des zweiten Düsenelements 17 verschoben werden. Dadurch kann der Abstand des Düsenkopfs 9 zum Werkstück 11 verändert werden. Die Länge des Prozessgasstrahlengangs zwischen der Düsenkopfaustrittsöffnung 16 und dem Bearbeitungspunkt vergrößert sich ohne ein derartiges Verstellmittel 15 um einen Weg dz, wenn ausgehend vom Bearbeitungspunkt B ein Bearbeitungspunkt B' bearbeitet werden soll und der Düsenkopf 9 hierfür entsprechend verkippt wird. Dieser Verlängerung des Prozessgasstrahlenganges kann durch geeignete Verschiebung des Düsenkopfes 9 in Richtung des Werkstücks 11 mittels des Verstellmittels 15 entgegengewirkt bzw. aufgehoben, also kompensiert werden. Diese Verschiebung des Düsenkopfes 9 erfolgt vorzugsweise automatisch.
Bezugszeichenliste

1: Scanner-System
2, 2': Mittel zur Auslenkung eines energetischen Strahls
3: energetischer Strahl
4: Fokussierlinse
5: Z-Achsenbewegungseinrichtung
6: Prozessgaszuführung
7: erstes Düsenelement bzw. obere Rotorscheibe
8: untere Rotorscheibe
9: Düsenkopf
10: Prozessgasstrahl
11: Werkstück
12, 12': bei Rotation des unteren Düsenelements durch Projektion der Düsenkopfaustrittsöffnung auf dem Werkstück gebildete Kreisbahn
13: Hochachse/Zentralachse der Vorrichtung, Rotationsachse des ersten Düsenelements
14: Arbeitsfeld
15: Z-Achsen-Verstellmittel
16: Düsenkopfaustrittsöffnung
17: zweites Düsenelement
18: Prozessgasaustrittsachse
19: Rotationsachse des zweiten Düsenelements

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102008027524 B3 [0005]

Claims

Vorrichtung zum Bearbeiten von Werkstücken mit energetischer Strahlung, bei der ein energetischer Strahl (3) durch eine Düsenanordnung hindurch geführt und gemeinsam mit einem Prozessgas (10) auf ein Werkstück (11) gerichtet werden kann, mit mindestens einem Mittel (2) zum Auslenken des energetischen Strahls (3), wodurch der Bearbeitungspunkt auf dem Werkstück (11) zweidimensional verschoben werden kann, wobei die Düsenanordnung ein erstes Düsenelement (7) und ein zweites Düsenelement (17) aufweist und das zweite Düsenelement (17) einen Düsenkopf (9) umfasst, und wobei das erste und/oder das zweite Düsenelement (7, 17) rotierbar angeordnet ist/sind, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Düsenelement (7, 17) so ausgebildet sind, dass der Düsenkopf (9) durch eine abhängig von der Auslenkung des energetischen Strahls (3) gewählten Rotation des ersten und/oder des zweiten Düsenelements (7, 17) so verkippt werden kann, dass der energetische Strahl (3) die Düsenkopfaustrittsöffnung (16) durchläuft.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass beide Düsenelemente (7, 17) rotierbar angeordnet sind und unabhängig voneinander angesteuert werden können.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsachse (19) des zweiten Düsenelements (17) durch eine Rotation des ersten Düsenelements (7) verkippt werden kann.
Vorrichtung nach einem vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Düsenelement (7) in einer Strahleintrittsebene, die vorzugsweise senkrecht zu seiner Rotationsachse (13) liegt, eine erste Seite und in einer Strahlaustrittsebene eine zweite Seite aufweist und die Strahlaustrittsebene gegenüber der Strahleintrittsebene um einen ersten Winkel α verkippt ist.
Vorrichtung nach einem vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsachse (19) des zweiten Düsenelements (17) senkrecht zur Strahlaustrittsebene des ersten Düsenelements (7) liegt.
Vorrichtung nach einem vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenkopf (9) eine Prozessgasaustrittsachse (18) aufweist, die gegenüber der Rotationsachse (19) des zweiten Düsenelements (17) um einen zweiten Winkel β verkippt ist.
Vorrichtung nach einem vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der energetische Strahl (3) mittels einer Verkippung ausgelenkt werden kann, insbesondere einer Verkippung gegenüber der Rotationsachse (13) des ersten Düsenelements (7), wobei Verkippwinkel mit einem Betrag zwischen 0 und 3°, vorzugsweise zwischen 0 und 10° eingestellt werden können.
Vorrichtung nach einem vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsfeld (14), welches die ohne Relativbewegung zwischen der Düsenanordnung und dem Werkstück (11), ausgenommen die Rotation des ersten und zweiten Düsenelements (7, 17), bearbeitbare Fläche auf dem Werkstück (11) definiert, eine Größe von mindestens 15 mm², vorzugsweise mindestens 50 mm² aufweist und/oder dass der Durchmesser der Düsenkopfaustrittsöffnung (16) zwischen 0.25 und 2 mm, vorzugsweise zwischen 0.5 und 1 mm beträgt.
Vorrichtung nach einem vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenkopf (9) innerhalb des zweiten Düsenelements (17), insbesondere in Richtung der Prozessgasaustrittsachse (18), verschiebbar angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Mittel (2, 2') zum Auslenken des energetischen Strahls (3) mit dem ersten und/oder zweiten Düsenelement (7, 17) fest verbunden sind derart, dass die Ausrichtung des oder der Mittel (2, 2') zum Auslenken, bzw. Verkippen des energetischen Strahls (3) relativ zum Strahlengang des energetischen Strahls (3) bei Rotation des ersten und/oder zweiten Düsenelements (7, 17) unmittelbar verändert wird.
Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken (11) mit energetischer Strahlung, insbesondere unter Verwendung einer Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein energetischer Strahl (3) durch eine Düsenanordnung hindurch geführt und gemeinsam mit einem Prozessgas (4) auf ein Werkstück (11) gerichtet wird, wobei der Bearbeitungspunkt auf dem Werkstück (11) durch ein Mittel (2) zum Auslenken des energetischen Strahls (3) zweidimensional verschoben werden kann, wobei die Düsenanordnung ein erstes und ein zweites Düsenelement (7, 17) aufweist und das zweite Düsenelement (17) eine Düsenkopf (9) umfasst, und wobei das erste und/oder das zweite Düsenelement (7, 17) rotierbar angeordnet ist/sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenkopf (9) durch eine abhängig von der Auslenkung des energetischen Strahls (3) gewählten Rotation des ersten und/oder des zweiten Düsenelements (7, 17) so verkippt wird, dass der energetische Strahl (3) die Düsenkopfaustrittsöffnung (16) durchläuft.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitung des Werkstücks (11) mit bereits rotierenden Düsenelementen (7, 17) begonnen wird.