-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laserbearbeitungsanlage zur Bearbeitung eines Werkstücks mit einem Laserstrahl, insbesondere zum Bearbeiten des Werkstücks mit unterschiedlichen Bearbeitungsmodi. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Laserbearbeitungsanlage.
-
Es ist bekannt, Laserbearbeitungsanlagen mit Schutzgehäusen zu umgeben, die während des Betriebs der Laserbearbeitungsanlagen nicht geöffnet werden dürfen. Jegliche Strahlung wird innerhalb des Schutzgehäuses gehalten. Neben dem Schutz eines Bedieners können auch Elemente der Laserbearbeitungsanlage geschützt werden, beispielsweise durch die Verwendung von Materialien, die Laserstrahlung ausgesetzt werden dürfen, oder durch Ummanteln von zu schützenden Bauteilen, wie Kabeln, mit derartigen Materialien. Die Verwendung zusätzlicher passiver Schutzmaßnahmen, wie z.B. Blechverkleidungen, senkt jedoch die Maschinendynamik einer Laserbearbeitungsanlage, woraus bei einer großräumigen Bearbeitung eine längere Bearbeitungsdauer resultieren kann.
-
DE 10 2008 031 323 A1 und
JPH 11 314 189 A offenbaren, an die Laserbearbeitungszone angrenzende Bereiche eines Werkstück durch eine Schutzeinrichtung, wie z.B. durch einen einen Laserstrahl umgebenden Schutzring, vor abgetragenem Material beim Laserschweißen zu schützen. Aufgrund der räumlichen Zuordnung der Abschirmvorrichtung zur Einstrahlseite der Bearbeitungsstelle wird bei einem Laserschneidprozess kein Schutz für Werkstück- oder Maschinenkomponenten gewährleistet, die sich auf der einem Bearbeitungskopf abgewandten Werkstückseite befinden. Insbesondere für eine Relativbewegung zwischen einem nicht-plattenförmigen Werkstück und dem Bearbeitungskopf können derartige Schutzeinrichtungen eine Störkontur darstellen und die Positionierung des Laserstrahls zum Werkstück einschränken.
-
Da beim Laserschneiden üblicherweise die Schmelze durch den Einsatz eines Schneidgases in Richtung vom Laserbearbeitungskopf weg ausgeblasen wird, entsteht der Großteil schädlichen Materialauswurfs auf der dem Bearbeitungskopf abgewandten Seite eines Werkstücks. Besonders bei einer Bearbeitung von nicht-plattenförmigen Werkstücken kann ein Ausstoß des Materials in Richtung eines zu schützenden Maschinenelements gerichtet sein, oder durch eine Werkstückkontur in dessen Richtung abgelenkt werden. Tritt durch eine Konzentration der Bearbeitung auf einen lokal sehr begrenzten Bereich ein zu einem zu schützenden Maschinenbauteil gerichteter Ausstoß über einen längeren Zeitraum, z.B. länger als 3 Sekunden, aus, kann dies zu einer Schädigung des Maschinenteils führen.
-
Für konventionelles Schweißen ist ferner ein reflektives Wärmeschild aus
US 2013/0306713 A1 bekannt. Dieses wird je nach Einsatzfall manuell eingestellt und kann immer nur zu einer Abschirmung eines ausgewählten Bereiches dienen. Für eine großräumige Bearbeitung eines Werkstücks kann ein derartiges Wärmeschild eine unzulässige Störkontur darstellen.
-
Einem Aspekt dieser Offenbarung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Laserbearbeitungsanlage anzugeben, die den Schutz von Anlagenkomponenten in Abhängigkeit eines Bearbeitungsmodus der Laserbearbeitungsanlage ermöglicht, beispielsweise für einen Wechsel von einem Laserschneidmodus zu einem Lasermaterialbehandlungsmodus oder von einem Modus, dem ein großer Bearbeitungsbereich zugrunde liegt, zu einem Modus, dem eine lokal (stark) begrenzte Bearbeitung zugrunde liegt. Insbesondere liegt die Aufgabe zugrunde, in Abhängigkeit von möglichen Schadeinflüssen Schutzmaßnahmen vorzusehen, ohne die Maschinendynamik oder den Bearbeitungsbereich der Laserbearbeitungsanlage negativ zu beeinflussen.
-
Zumindest eine dieser Aufgaben wird gelöst durch eine Laserbearbeitungsanlage nach Anspruch 1 und durch ein Verfahren zum Betrieb einer Laserbearbeitungsanlage nach Anspruch 9. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
-
In einem Aspekt weist eine Laserbearbeitungsanlage zum Bearbeiten eines Werkstücks mit einem Laserstrahl eine Werkstücklagerungsvorrichtung zum Lagern des Werkstücks und ein Lasersystem zum Bereitstellen des Laserstrahls für ein Bearbeiten des Werkstücks in einem das Werkstück abdeckenden freien Bewegungsmodus und für ein Bearbeiten des Werkstücks in einem auf einen Lokalbereich des Werkstücks beschränkten Lokalmodus auf. Ferner weist die Laserbearbeitungsanlage eine Abschirmvorrichtung mit einem beweglichen Schutzelement auf, wobei die Abschirmvorrichtung zur Positionierung des Schutzelements in einer Freigabestellung, die ein freies Einstellen des Laserstrahls relativ zum Werkstück erlaubt, und in einer Abschirmstellung, in der vom Lokalbereich ausgehende reflektierte Streustrahlung oder andere, für empfindliche Maschinenkomponenten schädliche, durch eine Bearbeitung hervorgerufene Einflüsse, wie ein Materialausstoß, abgeschirmt werden, ausgebildet ist.
-
In einem weiteren Aspekt weist eine derartige Laserbearbeitungsanlage einer Abschirmvorrichtung auf, die dazu ausgebildet ist, dass das Schutzelement im freien Bewegungsmodus die Freigabestellung einnimmt und dass das Schutzelement im Lokalmodus die Abschirmstellung einnimmt.
-
In einem weiteren Aspekt weist eine Laserbearbeitungsanlage zum Bearbeiten eines Werkstücks mit einem Laserstrahl eine Werkstücklagerungseinheit zum Lagern des Werkstücks und ein Lasersystem zum Bereitstellen des Laserstrahls für mindestens zwei Arten des Bearbeitens des Werkstücks umfassend einen das Werkstück abdeckenden freien Bewegungsmodus und einen auf einen Lokalbereich des Werkstücks beschränkten Lokalmodus auf. Ferner weist die Laserbearbeitungsanlage eine Abschirmvorrichtung mit einem beweglichen Schutzelement auf, das in einer ersten, dem freien Bewegungsmodus zugeordneten Freigabestellung ein Einstellen des Laserstrahls relativ zum Werkstück freigibt und das in einer zweiten, dem Lokalmodus zugeordneten Abschirmstellung eine vom Lokalbereich ausgehende Reflexions-, oder Ausstoßrichtung abschirmt.
-
In einem weiteren Aspekt weist ein Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks folgende Schritte auf: Positionierung des Schutzelements in einer Freigabestellung, Bearbeiten des Werkstücks mit dem Laserstrahl in einem freien Bewegungsmodus, wobei aufgrund der Positionierung des Schutzelements in der Freigabestellung eine Relativpositionierung von Bearbeitungskopf und Werkstück durch das Schutzelement im Wesentlichen unbeeinträchtigt ist, Positionierung des Schutzelements in einer Abschirmstellung und Bearbeiten eines Werkstücks mit dem Laserstrahl in einem Lokalmodus, wobei aufgrund der Positionierung des Schutzelements in der Abschirmstellung die Relativpositionierung von Bearbeitungskopf und Werkstück durch das Schutzelement beeinträchtigt ist, aber eine mögliche reflektierte Streustrahlung oder ein möglicher Materialausstoß aus dem Werkstück, wie z.B. Schlackespritzer, vom Auftreffen auf den zu schützenden Abschnitt durch das Schutzelement geblockt wird.
-
In einigen Ausführungsformen erlaubt das auf den Betriebsmodus angepasste Laserschutzkonzept, Arbeitsabläufe bei der Bearbeitung von Werkstücken zu vereinfachen und zu beschleunigen. Dies beruht unter anderem darauf, dass im Arbeitsraum kein festes Schutzelement zum Schutz vor räumlich über einen längeren Zeitraum auftretender (Laser-)Strahlung und/oder vor räumlich über einen längeren Zeitraum auftretendem schädlichen Materialausstoß angeordnet ist. Derartige Strahlung kann insbesondere durch Reflexionen des Laserstrahls bei der Bearbeitung, beispielsweise beim Laserglühen oder Laserhärten, entstehen. Schädliche Materialauswürfe kann vor allem beim Laserschneiden oder Laserschweißen entstehen, wenn ein Lokalbereich bearbeitet wird, der derart angeordnet ist, dass direkt oder durch Ablenkung einer dahinterliegenden Struktur der Materialauswurf auf empfindliche Materialien/Gegenstände gerichtet wird.
-
In einigen Ausführungsformen wird eine hohe Maschinendynamik im Bewegungsmodus mit einer benötigten Abschirmung von Streustrahlung im Lokalmodus gewährleistet.
-
Die hierein beschriebenen Konzepte betreffen insbesondere die Bearbeitung von Bauteilen, bei denen sowohl eine Schneid- und/oder Schweißbearbeitung als auch eine lokale Wärmebehandlung durchgeführt werden soll. Die bei der Wärmebehandlung auftretende Streustrahlungskonzentration kann z.B. durch steuerbare bewegliche Schutzelemente abgeschirmt werden. Da die Schutzelemente nur für die Wärmebehandlung benötigt werden, werden sie für die Dauer der Wärmebehandlung in den, für eine andere Art der Laserbearbeitung notwendigen, Bewegungsbereich des Bearbeitungskopfes hineinbewegt. Beispielhafte Wärmebehandlungsverfahren umfassen Laserglühen (wie Weichglühen und Spannungsarmglühen) und Laserhärten.
-
In einigen Ausführungsformen wird die Gefahr der Zerstörung von Werkzeugmaschinenbauteilen, insbesondere von Teilen der Laserbearbeitungsanlage, durch reflektierte Laserstrahlung beim partiellen Weichglühen eines Werkstücks mit der Laserstrahlung reduziert. Einige der hierin offenbarten Konzepte ermöglichen über ein Einfahren einer partiellen Abschirmung (z.B. in Form eines Schutzelements) einen Schutz strahlungsempfindlicher Werkzeugmaschinenbauteile.
-
Ebenso kann die Gefahr der starken Verschmutzung oder Zerstörung empfindlicher Maschinenkomponenten, beispielsweise der Faltenbälge, durch schädigenden Materialauswurf, wie Schlackespritzer, welcher aufgrund einer lokal begrenzten, andauernden Bearbeitung in Richtung der empfindlichen Maschinenkomponenten ausgestoßen wird, durch das Einfahren einer partiellen Abschirmung reduziert.
-
Ein derartiges Hineinbewegen der Abschirmung in den Arbeitsraum ist notwendig, da eine fest installierte Abschirmung zu einer meist unzulässigen Störkontur bei z.B. einer großräumigeren Schneidbearbeitung eines Werkstücks führen kann.
-
In einigen Weiterbildungen ist das Lasersystem dazu ausgebildet, den Laserstrahl im freien Bewegungsmodus in einem Arbeitsbereich der Laserbearbeitungsanlage und im Lokalmodus auf einen begrenzten Lokalbereich des Werkstücks einzustrahlen und/oder einen Strahldurchmesser auf dem Werkstück im Lokalmodus größer als im Bewegungsmodus einzustellen. Das Lasersystem kann ferner einen Bearbeitungskopf aufweisen, der relativ zum Werkstück positionierbar ist und aus dem der Laserstrahl austritt. Der freie Bewegungsmodus kann einer Laserbearbeitung entsprechen, bei der sich die reflektierte Streustrahlung aufgrund der Bewegung des Laserstrahls relativ zum Werkstück in seiner räumlichen Verteilung kontinuierlich ändert, und/oder wobei der freie Bewegungsmodus zum Laserschneiden und/oder Laserschweißen einsetzbar ist. Der Lokalmodus kann einer Laserbearbeitung entsprechen, bei der die Bedingungen für die Erzeugung der reflektierten Streustrahlung aufgrund der Beschränkung der Laserbearbeitung auf den Lokalbereich im Wesentlichen räumlich und/oder über die Anwendungszeit des Lokalmodus gleich bleiben. Dies kann beispielsweise bei einem Glühen eines zum Schweißen vorgesehenen Flanschbereichs eintreten. Der Lokalmodus kann für Wärmebehandlungsverfahren wie zum Laserwärmen und/oder Laserglühen einsetzbar sein.
-
Der freie Bewegungsmodus kann ferner einer Laserbearbeitung entsprechen, bei der sich ein Materialauswurf, z.B. in Form von Schlackespritzern, aufgrund der Bewegung des Laserstrahls relativ zum Werkstück in seiner räumlichen Verteilung kontinuierlich ändert, und/oder wobei der freie Bewegungsmodus zum Laserschneiden einsetzbar ist. Der Lokalmodus kann einer Laserbearbeitung entsprechen, bei der die Ausstoßrichtung des Materialauswurfs aufgrund der Beschränkung der Laserbearbeitung auf den Lokalbereich im Wesentlichen räumlich und/oder über die Anwendungszeit des Lokalmodus im Wesentlichen gleich bleiben. Dies kann beispielsweise bei einer über einen längeren Zeitraum räumlich begrenzten Schneidbearbeitung eintreten, wie z.B. bei der Schneidbearbeitung feiner Strukturen, der Bearbeitung von Rohrenden oder einem Stillstand des Bearbeitungskopfes bei gleichzeitiger Bewegung des Werkstückes.
-
In einigen Weiterbildungen kann sich das Schutzelement in der Abschirmstellung in einem für die Laserbearbeitung im Bewegungsmodus notwendigen Bewegungsbereich des Bearbeitungskopfes befinden und/oder die Abschirmstellung kann derart vorgesehen sein, dass aufgrund der räumlichen Ausdehnung der Abschirmvorrichtung, und insbesondere des Schutzelements, das Einstellen des Laserstrahls relativ zum Werkstück, insbesondere beim Bewegen des Bearbeitungskopfes hin zu oder von dem Lokalbereich weg, eingeschränkt ist. Ferner kann die Abschirmstellung derart vorgesehen sein, dass eine Beschädigung eines andernfalls der reflektierten Streustrahlung oder des Materialauswurfs ausgesetzten zu schützenden Abschnitts aufgrund der Abschirmung durch das Schutzelement vermieden wird.
-
In einigen Weiterbildungen kann die Laserbearbeitungsanlage ferner eine Steuerung aufweisen, die dazu ausgebildet ist, das Schutzelement beim Betreiben des Lasersystems im freien Bewegungsmodus in die Freigabestellung und beim Betreiben des Lasersystems im Lokalmodus in der Abschirmstellung zu positionieren. Ferner kann die Laserbearbeitungsanlage ein Bauteil aufweisen, das gegen Einstrahlung von reflektierter Strahlung und/oder Materialauswurf zu schützen ist, insbesondere eine Kunststoffkomponente, einen Balg, ein Kabel oder einen Schlauch. Ferner kann die Laserbearbeitungsanlage das Werkstück umfassen, das einen Abschnitt aufweist, der gegen Einstrahlung von reflektierter Streustrahlung und/oder gegen Materialauswurf zu schützen ist, insbesondere einen Oberflächenabschnitt.
-
In einigen Weiterbildungen kann die Abschirmvorrichtung an der Werkstücklagerungsvorrichtung oder an dem Lasersystem angebracht sein. Die Abschirmvorrichtung kann dem Abschirmen eines Flanschbereichs des Werkstücks, für den ein Weichglüharbeitsschritt im Lokalmodus vorgesehen ist, dienen. Ferner kann das Schutzelement durch Einfahren, Einschwenken und/oder Eindrehen von der Freigabestellung in die Abschirmstellung gebracht werden, und/oder das Schutzelement kann als auswechselbares Ersatzteil und/oder als Schirm ausgebildet sein.
-
In einigen Weiterbildungen kann die Werkstücklagerungsvorrichtung eine Werkstückauflage, mehrere von mit der Steuerung verbundenen Steuerungsschnittstellen und mehrere Haltevorrichtungen, wie Werkstückspanner, aufweisen. Die Haltevorrichtungen können modular an der Werkstücklagerungsvorrichtung zum Halten des Werkstücks angebracht werden und über entsprechend zugeordnete Steuerungsschnittstellen zum Einnehmen einer Entnahmestellung oder einer Haltestellung angesteuert werden. Ferner kann die Abschirmvorrichtung über eine mit der Steuerung verbundene und an der Werkstücklagerungsvorrichtung vorgesehene Steuerungsschnittstelle zum Einnehmen der Freigabestellung oder der Abschirmstellung ansteuerbar sein.
-
Hierin werden Konzepte offenbart, dies es erlauben, zumindest teilweise Aspekte aus dem Stand der Technik zu verbessern. Insbesondere ergeben sich weitere Merkmale und deren Zweckmäßigkeiten aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:
- 1 eine schematische räumliche Darstellung einer in mehreren Betriebsmodi betreibbaren Werkzeugmaschine,
- 2 eine schematische räumliche Darstellung einer beispielsweise in der Werkzeugmaschine aus 1 vorgesehenen Laserbearbeitungsanlage mit einer Abschirmvorrichtung,
- 3 eine schematische Seitenansicht einer Laserbearbeitungsanlage ohne Abschirmvorrichtung zur Verdeutlichung der Situation bei Anlagen gemäß dem Stand der Technik,
- 4 eine schematische Seitenansicht der Laserbearbeitungsanlage mit der Abschirmvorrichtung gemäß 2 in einer Freigabestellung,
- 5 eine schematische Seitenansicht der Laserbearbeitungsanlage mit der Abschirmvorrichtung gemäß 2 in einer Abschirmstellung und
- 6 eine schematische Seitenansicht der Laserbearbeitungsanlage mit der Abschirmvorrichtung gemäß 2 in einer Abschirmstellung für ein Bauteil mit einer lokalen, den Schmelzaustrieb ablenkenden Kontur.
-
In 1 ist eine Werkzeugmaschine 1 mit einer Laserbearbeitungsanlage 3 als Grundmaschine für die Bearbeitung eines Werkstücks dargestellt. Die Bedienung der Werkzeugmaschine 1 erfolgt über ein Bedienpult 5, beispielsweise über die Erstellung und Einstellung von NC-Programmen, die spezifische auf Werkstücke und deren Bearbeitung abgestimmte Arbeitsabläufe festlegen. Ein rückseitig der Werkzeugmaschine 1 angeordneter Schaltschrank 7 weist als Teil einer Werkzeugmaschinensteuerung die zugehörige CNC-Steuerung, eine elektrische Versorgung von Antrieben sowie Logik- und Leistungsteile auf.
-
Ein nicht explizit in 1 gezeigtes Lasergerät der Laserbearbeitungsanlage 3 dient der Erzeugung von Laserstrahlung und kann beispielsweise auf einem Festkörperlaser wie einem Scheibenlaser oder Faserlaser oder einem Gaslaser wie einem CO2-Laser basieren. Über Laserlichtkabel und/oder Spiegel kann die Strahlführung vom Lasergerät zur Werkstück erfolgen. Ein Kühlaggregat 9 für das Lasergerät sorgt für die Kühlung optischer Bauelemente wie Umlenk- oder Kollimationsspiegel und des Schaltschranks 7. Eine Schutzkabine 11 dient der Abschirmung von Laserstrahlung nach außen. In 1 ist zur Einsichtnahme die Abdeckwand der Schutzkabine 11 nicht dargestellt.
-
Weitere Komponenten der Werkzeugmaschine 1 umfassen beispielsweise einen Rotationswechsler 13 zum Halten von zu bearbeitenden Werkstücken und zum leichten Entnehmen von bearbeiteten Werkstücken, einen Kompaktentstauber 15 zur Absaugung von Rauchgasen und Schwebeteilchen aus dem Innenraum, einen Schrottförderer 17 sowie integrierte, nicht explizit gezeigte Elemente für die Pneumatik, für die Schneid- und Schweißgasversorgung sowie für die Zentralschmierung. Ferner kann ein Lichtgitter 19 einen externen Zugangsbereich zum Rotationswechsler 13 abgrenzen.
-
Ein durch die CNC-Steuerung kontrollierter Arbeitsablauf erlaubt die Bearbeitung des Werkstücks auf eine vorbestimmte Art und Weise unter Zusammenwirken der verschiedensten Komponenten der Laserbearbeitungsmaschine. So kann nacheinander ein Arbeitsablauf wiederholt durchgeführt und eine große Anzahl von Werkstücken effizient und gleich bearbeitet werden. Üblicherweise erfolgt in einem nachfolgenden Herstellungsschritt eine Weiterverarbeitung des Werkstücks.
-
Hierin beschriebene Aspekte basieren zum Teil auf der Erkenntnis, dass verschiedene Betriebsmodi unterschiedliche räumliche Anforderungen hinsichtlich der Relativpositionierung von Bearbeitungskopf und Werkstück aufweisen. Entsprechend können Schutzmaßnahmen vorgesehen werden, die selektiv für einen Betriebsmodus (oder auch selektiv für mehrere Beriebsmodi) aktivierbar sind. Insbesondere wurde erkannt, dass in einem Lokalmodus, in dem die Laserbearbeitung auf einen Teilbereich des Arbeitsraums eingeschränkt ist, reflektiertes Licht und/oder Materialauswurf unter ähnlichen Bedingungen über einen längeren Zeitraum entstehen kann. Trifft z.B. das reflektierte Licht über den längeren Zeitraum auf ein absorbierendes Material, kann dieses beschädigt oder sogar zerstört werden. Für eine flexibel einstellbare Abschirmung wird vorgeschlagen, das zugehörige reflektierte Licht und/oder der Materialauswurf in diesem speziellen Betriebsmodus durch eine Abschirmvorrichtung abzuschirmen, wobei die Abschirmvorrichtung derart ausgebildet ist, dass sie in einem Bewegungsmodus, bei dem die Bearbeitung nicht durch eine derartige Abschirmung eingeschränkt werden sollte, die Bearbeitung räumlich freigibt. Entsprechend kann eine Abschirmvorrichtung vorgesehen werden, die selektiv auf den Lokalmodus angepasst ist.
-
Nach den hierin offenbarten Abschirmkonzepten kann beispielsweise eine Laserschneidanlage auch für Wärmebehandlungsverfahren, z.B. Laserglühen oder Laserhärten, eingesetzt werden, wobei das Risiko der Beschädigung von Bauteilen der Werkzeugmaschine oder des Werkstücks durch reflektierte Laserstrahlung und/oder durch Materialauswurf reduziert werden kann. Insbesondere wird hierin vorgeschlagen, eine Werkzeugmaschine derart auszugestalten, dass zur Vorbereitung der Weiterverarbeitung ein Werkstück lokal einer Wärmebehandlung unterzogen werden kann. Beispielsweise wird im Anschluss an einen Laserschneidvorgang, der zu einer vorbestimmten Formgebung eines Werkstücks führt, ein (Laser-) Weichglühen vorgenommen, um einen Flanschbereich für einen (z.B. Laser-) Schweißvorgang vorzubereiten.
-
Nach den hierin offenbarten Abschirmkonzepten können innerhalb eines Arbeitsablaufs verschiedene Betriebsmodi eingesetzt werden. Die Bearbeitung kann beispielsweise nacheinander oder abwechselnd in einem Bewegungsmodus und einem Lokalmodus erfolgen. Der Bewegungsmodus und der Lokalmodus werden in Zusammenhang mit den 2 bis 5 weiter erläutert.
-
2 zeigt schematisch den Aufbau der Laserbearbeitungsanlage 3 im Innenraum der Schutzkabine 11. Die Schutzkabine 11 umgibt eine Bewegungseinheit 21 mit funktionsrelevanten Bauteilen wie X-, Y- und Z- Schlitten 23, 25, 27 zur Bewegung von Strahlführungs- und Medienzuführungskomponenten relativ zu einem Werkstück 29. Faltenbälge 31, 33, 35 decken entsprechend Leitungen und mechanische Komponenten ab und verlaufen z.B. entlang der X- und Y-Schlitten 23, 25.
-
Allgemein umfassen die Strahlführungskomponenten Laserlichtkabel, eine Z-Pinole, eine Kollimationsoptik und eine Bearbeitungsoptik zum Leiten und Fokussieren des Laserstrahls auf ein Werkstück 29. Die Bearbeitungsoptik ist üblicherweise in einem Bearbeitungskopf 37 vorgesehen, der im Wesentlichen frei positioniert und ausgerichtet werden kann, und aus dem der Laserstrahl austritt. Insbesondere kann der Bearbeitungskopf 37 in einem durch die X-, Y- und Z- Schlitten 23, 25, 27 sowie die Beweglichkeit der Z-Pinole bestimmten Bereich jede einstellbare Position und Orientierung einnehmen. Den X-, Y- und Z- Schlitten 23, 25, 27 sind Antriebseinheiten zugeordnet, die es erlauben, eine Relativbewegung des Bearbeitungskopfs 37 bezüglich des Werkstücks 29 durchzuführen. Daraus ergibt sich ein Arbeitsraum, der alle Punkte umfasst, die durch den entsprechend fokussierten austretenden Laserstrahl bearbeitbar sind.
-
Dieser Arbeitsraum steht der Bearbeitung des Werkstücks 29 insbesondere im Bewegungsmodus zur Verfügung, wobei das Werkstück 29 in der Ausführung gemäß 2 aufgrund einer Spanntechnik ortsfest gelagert ist, so dass hier die Bearbeitung nur von oben erfolgen kann. In alternativen Ausführungsformen ist das Werkstück 29 ebenfalls oder nur das Werkstück 29 im Raum bewegbar. Die hierein vorgenommenen Konzepte sind entsprechend angepasst auch in derartigen Konfigurationen umsetzbar.
-
2 zeigt ferner schematisch eine Werkstücklagerungsvorrichtung 39 mit einer Werkstückauflage zum Lagern des zu bearbeitenden Werkstücks 29. Zur Werkstücklagerungsvorrichtung 39 gehören in der Regel weitere Elemente, wie Spanner zum Spannen des Werkstücks 29, sowie Sensoren für die Bauteilerkennung. Weitere Elemente sind beispielsweise ein externer Taster für die Beladebestätigung oder eine Statusleuchte, die dem Anwender die Bauteilerkennung signalisiert. Die elektrischen und pneumatischen Schnittstellen zum Anschluss der Elemente können sich beispielsweise im Schaltschrank 7, am Bedienpult 5 oder am Rotationswechsler 13 befinden.
-
Allgemein sind umgeformte Blechteile ein Beispiel für ein dreidimensional, variabel geformtes Werkstück 29. Das Werkstück 29 ist beispielsweise ein warmumgeformtes Strukturteil für ein Kraftfahrzeug, z.B. eine B-Säule.
-
Beispielsweise wird beim Laserschneiden mit dem Laserstrahl zunächst in das Werkstück 29 eingestochen, d. h. das Werkstück 29 wird an einer Stelle punktförmig aufgeschmolzen (Schmelzschnitt) oder aufgeschmolzen und oxidiert (Brennschnitt) und die hierbei entstehende Schmelze wird ausgeblasen und kann zu Materialauswurf führen. Nachfolgend werden der Laserstrahl und das Werkstück 29 relativ zueinander bewegt, sodass eine zweidimensionale Bearbeitungsbahn einen durchgängigen Schnittspalt bewirkt, entlang dessen der Laserstrahl das Werkstück 29 durchtrennt. Beispielsweise werden so Aussparungen in das Werkstück 29 eingebracht und dessen Außenmaße an Sollwerte angepasst. Entsprechend muss das Werkstück 29 rundum und im Bereich der Aussparungen frei zugänglich sein.
-
Die Innenwände der Schutzkabine 11 sind üblicherweise aus Blech (als Beispiel eines festen, nicht Laserlicht-durchlässigen Materials) geformt und können spezielle absorbierende Fenster zum Einsehen und Überwachen der Bearbeitung aufweisen.
-
Allerdings können sich im Innenraum der Werkzeugmaschine 1 auch Bauteile befinden, die durch Laserstrahlung sowie durch reflektierte Laserstrahlung (und/oder Materialauswurf) beschädigt werden können. Dies sind beispielsweise Bälge (wie die in 2 gezeigten Faltenbälge 31, 33, 35), elektrische Kabel, Schläuche und andere wärmeempfindliche Bauteile z.B. aus Kunststoff. Bei hohen und/oder langanhaltenden Intensitäten können ferner Metalloberflächen beschädigt werden.
-
Die schematische Seitenansicht der 3 zeigt, dass beispielsweise Faltenbälge 33 und 35 bei der Bearbeitung eines Flanschbereichs (als Beispiel eines hierin auch als Lokalbereich 41 bezeichneten lokalen Bearbeitungsbereichs) einer reflektierten Streustrahlung 43 eines Laserstrahls 44 ausgesetzt und bei ausreichend langem Einfall der Streustrahlung 43 durch diese beschädigt werden können. Dies kann beispielsweise beim Weichglühen des Flanschbereichs eintreten.
-
Um derartige Bauteile der Werkzeugmaschine 1 oder auch Oberflächenabschnitte des Werkstücks 29 zu schützen, weist die Laserbearbeitungsanlage 3 ferner eine Abschirmvorrichtung 45 auf. In der Ausführungsform gemäß 2 ist die Abschirmvorrichtung 45 beispielhaft an der Werkstücklagerungsvorrichtung 39 angebracht. In alternativen Ausführungsformen kann sie auch am Bearbeitungskopf 37 oder einem der X-, Y- und Z- Schlitten 23, 25, 27 angebracht sein.
-
Die Abschirmvorrichtung 45 weist ein Schutzelement 47 auf. Das Schutzelement 47 ist beweglich gelagert, so dass es zwei Stellungen einnehmen kann. In der einen Stellung weist das Schutzelement 47 von der Arbeitsauflage weg, so dass der Arbeitsbereich oberhalb des Werkstücks 29 nicht eingeschränkt wird. Diese Stellung wird hierein als Freigabestellung 49 bezeichnet und ist in der schematischen Seitenansicht der 4 verdeutlicht. Die Freigabestellung 49 wird beim Laserschneiden eingesetzt, beispielsweise beim Schneiden des Randes des Werkstücks 29 (wie in 4 gezeigt).
-
In der anderen Stellung weist das Schutzelement 47 nach oben. Dadurch kann das Schutzelement 47 in den Arbeitsbereich hineinragen und diesen einschränken. Beispielsweise wird die Bewegungsfreiheit des Bearbeitungskopfes 37 im Bereich des Schutzelements 47 eingeschränkt. Zum Beispiel kann der Bearbeitungskopf 37 nicht mehr den gesamten Verschiebebereich in Richtung des Schutzelements 47 einnehmen.
-
Diese zweite Stellung wird hierin als Abschirmstellung 51 bezeichnet und ist in der schematischen Seitenansicht der 5 verdeutlicht. Die Abschirmstellung 51 wird z.B. beim Wärmebehandeln aktiviert, beispielsweise beim Glühen des Flanschbereichs des Werkstücks 29 (wie in 5 gezeigt). Ferner zeigt 5, dass die reflektierte Streustrahlung 43 in der Abschirmstellung 51 auf das Schutzelement 47 trifft und somit die Faltenbälge 33 und 35 nicht mehr beschädigen kann.
-
Entsprechend kann die Abschirmvorrichtung 45 z.B. aus einem den Stellungswechsel bewirkenden Zylinder, einem Gelenk und dem Schutzelement 47 bestehen. Zur Ansteuerung der Abschirmvorrichtung 45 kann diese, insbesondere der Zylinder, mit einer der üblicherweise für die Halterung des Werkstücks 29 mittels Spannelementen und/oder Saugern vorgesehenen und frei konfigurierbaren Steuerungsschnittstelle einer Maschinensteuerung verbunden sein. Derartige Steuerungsschnittstellen sind beispielsweise bei den Laserbearbeitungsmaschinen der Baureihe TruLaser Cell der Firma Trumpf GmbH + Co, wie den Werkzeugmaschinen TruLaserCell 8030 oder TruLaser Cell Serie 7000, vorgesehen. Mit derartigen Steuerungsschnittstellen kann der Anwender komplette Automatikabläufe beispielsweise über Ein- und Ausgänge für unterschiedlichste Elemente, wie beispielsweise Pneumatikzylinder, Magnetventile, Endlagensensoren, Fußtaster, Statusleuchten oder andere Automatisierungskomponenten, ansteuern.
-
Somit kann die Abschirmvorrichtung 45 beispielsweise zusammen mit Spannzylindern, Spannelementen, Sensoren, Tastern und/oder Statusleuchten die konfigurierten Elemente eines Ablaufs zur Bearbeitung eines Werkstücks bilden. Ferner kann die Abschirmvorrichtung 45 automatisch aktiviert werden, sobald eine Laserbearbeitung in einem Lokalmodus erfolgt. Dazu erhält die Maschinensteuerung ein entsprechendes Signal, das die Laserbearbeitung im Lokalmodus angibt, und aktiviert eine dem entsprechenden Lokalmodus zugeordnete Abschirmstellung 51 der Abschirmvorrichtung 45, solange das Signal vorliegt. Die gleiche oder eine weitere Abschirmvorrichtung kann entsprechend für eine weitere Wärmebehandlung eines anderen Abschnitts der Werkstücks 29 aktiviert werden.
-
Im Folgenden wird ein beispielhafter Ablauf einer Laserbearbeitung mit einer Laserschneidbearbeitung und einer Laserglühbehandlung dargestellt. In der beispielsweise als SpeicherProgrammierbare-Steuerung ausgebildeten Werkzeugsteuerung können mehrere Abläufe gespeichert, gleichzeitig geladen und/oder aktiviert werden.
-
Zu Beginn der Bearbeitung wird der Rotationswechsler manuell oder automatisiert mit einem Werkstück beladen. Ein oder mehrere Näherungsschalter prüfen, ob das Werkstück vorhanden und korrekt positioniert ist, bevor entsprechende Spannvorrichtung schließen können. Deren Ansteuerung kann elektrisch oder pneumatisch erfolgen, wobei die Spannvorrichtungen ihren Zustandswechsel der Maschinensteuerung mitteilen und der Rotationswechsler aus der Be- und Entladeposition in die Bearbeitungsposition dreht. Dann kann die Laserschneidbearbeitung in einem Bewegungsmodus, d.h. im gesamten Bereich des Werkstücks, beginnen.
-
Sind die Schneidarbeiten durchgeführt, positioniert sich der Bearbeitungskopf für die Wärmebehandlung. Beispielsweise wird der Abstand zur Oberfläche vergrößert, um großflächig beispielsweise einem Flanschbereich Wärme zuzuführen. Zeitgleich oder im Anschluss wechselt die Abschirmvorrichtung in die Abschirmstellung. Die Abschirmvorrichtung kann beispielsweise über eine Steuerungsschnittstelle auf dem Rotationswechsler elektrisch und/oder pneumatisch angeschlossen und angesteuert werden. Die Abschirmvorrichtung kann z.B. im Automatikbetrieb programmgesteuert und pneumatisch angesteuert werden. Im Einrichtebetrieb kann die Abschirmvorrichtung über Schaltglieder bedient werden. Das Erreichen der Abschirmstellung kann, muss aber nicht, überwacht werden. Wurde die Wärmebehandlung vollzogen, kann die Abschirmvorrichtung wieder in die Freigabestellung zurückwechseln. Alternativ kann ein weiterer Flanschbereich wärmebehandelt werden.
-
Nach Beendigung der Laserbearbeitung dreht der Rotationswechsler zurück in die Be- und Entladeposition. Ein zwischenzeitlich auf einem weiteren Lagerungsbereich vorbereitetes Werkstück wird dadurch in den Arbeitsbereich gebracht und der entsprechende Ablauf wiederholt.
-
Kann ein Teilschritt des Ablaufs nicht korrekt ausgeführt werden, kann der Ablauf abgebrochen und evtl. automatisch neu gestartet werden. Alternativ kann ein Fehlersignal ausgegeben werden, das z.B. an der Bedienkonsole angezeigt wird, um ein aktives Abbrechen durch den Anwender anzustoßen.
-
Allgemein können die Bearbeitung im Bewegungsmodus und die Erwärmung im Lokalmodus in beliebiger Reihenfolge durchgeführt werden oder deren Durchführung beliebig wiederholt werden.
-
Die vorangehenden beispielhaften Anwendungsfälle beziehen sich auf eine Abschirmung der bei der Laserbearbeitung entstehenden Streustrahlung. Ebenso ist es möglich, dass bei einer Laserbearbeitung der bereits angesprochene Materialauswurf, z.B. in Form von Schlackespritzern, wie z.B. bei einer Laserschneidbearbeitung, entsteht. Beim Schneidvorgang werden der Laserstrahl und das Werkstück 29 relativ zueinander bewegt, sodass eine zweidimensionale Bearbeitungsbahn einen durchgängigen Schnittspalt bewirkt, entlang dessen der Laserstrahl das Werkstück 29 durchtrennt. Dabei wird das Material aufgeschmolzen und die während des Schneidvorganges entstehende Schmelze wird ausgeblasen.
-
Wenn die Bewegungsbahn des Laserstrahls sehr stark lokal begrenzt ist, wie z.B. bei einer Werkstückzone mit feinen Strukturen kann der austretende Materialaufwurf in eine Ausstoßrichtung gerichtet sein. Des Weiteren ist es möglich, dass die Struktur des Werkstücks selbst eine lokale Kontur bildet, welche bei einer lokalen Bearbeitung den Schmelzauswurf in eine Richtung ablenkt oder sogar konzentriert, wie dies z.B. bei Rohrenden der Fall sein kann. Empfindliche Maschinenteile, wie Bälge (z.B. die in 2 gezeigten Faltenbälge 31, 33, 35), elektrische Kabel, Schläuche und andere wärmeempfindliche Bauteile z.B. aus Kunststoff, können durch längeres Einwirken eines solchen Materialausstoßes beschädigt oder unzulässig stark verschmutzt werden.
-
6 zeigt die aus 2 bekannte Laserbearbeitungsanlage 3 mit der Abschirmvorrichtung 45 in Abschirmstellung 51. Das Werkstück 29 besitzt einen Rohrbereich, an dessen Ende sich ein weiteres Beispiel für einen lokalen Bearbeitungsbereich befindet, der ebenfalls als Lokalbereich 41 in 6 angedeutet wird. Durch die geometrische Form des Werkstücks in der Nähe des Lokalbereichs 41 (im Beispiel der 6 die Rundung auf der gegenüberliegenden Seite des Rohrs) wird der durch den Schneidprozess entstehende Materialauswurf 42 bei einer lokalen Laserschneidbearbeitung in Richtung des Faltenbalgs 35 abgelenkt. Das Schutzelement 47 weist in der dargestellten Abschirmstellung 51 nach oben. Dadurch kann das Schutzelement 47 in den Arbeitsbereich hineinragen und diesen einschränken. Beispielsweise wird die Bewegungsfreiheit des Bearbeitungskopfes 37 im Bereich des Schutzelements 47 eingeschränkt. Die Abschirmstellung 51 wird vor der Bearbeitung des Lokalbereichs 41 am Werkstück aktiviert. Der auf den Balg 35 gerichtete Schmelzaustrieb 42 trifft dadurch auf das Schutzelement 47 und kann den Balg 35 nicht mehr beschädigen.
-
Bei einer, für das Werkstück aus 6, nicht dargestellten Laserschneidbearbeitung im Bewegungsmodus, wird die Abschirmvorrichtung 45 in eine Freigabestellung (beispielsweise die Freigabestellung 49 in 4) überführt, so dass der Arbeitsbereich oberhalb des Werkstücks 29 nicht eingeschränkt wird.
-
Die hierin offenbarten Konzepte können fest installierte Abschirmungen oder den passiven Schutz der betroffenen Bauteile durch Schutzfolien oder Schutzbleche ergänzen. Ferner können sie zusammen mit einer speziell eingestellten Einstrahlrichtung der Laserstrahlung, die zu einer reduzierten oder speziell auf das Schutzelement gerichteten Streustrahlung und/oder einem reduzierten oder speziell auf das Schutzelement gerichteten Materialauswurf führt, eingesetzt werden.
-
Die vorausgehenden Ausführungsbeispiele von Laserbearbeitungsanlagen beziehen sich beispielhaft auf die Blechverarbeitung mit einer sogenannten fliegenden Optik, bei der das Werkstück stillsteht und die Bearbeitungsoptik über das Werkstück bewegt wird. Allerdings ist das hier beschriebene Schutzkonzept nicht auf eine derartige Bearbeitung von Werkstücken beschränkt. Vielmehr kann das Schutzkonzept auch bei der Bearbeitung von bewegten Werkstücken und bei an Robotern angebrachten Laserbearbeitungsköpfen oder Werkstücken Anwendung finden. Insbesondere kann das Laserschutzkonzept auch an Maschinen mit feststehendem oder nur in einer Richtung bewegbarem Bearbeitungskopf eingesetzt werden. Ferner versteht sich, dass das hier beschriebene Bearbeitungskonzept nicht nur bei einer Laserschneidmaschine, wie sie beispielhaft in 1 gezeigt wurde, sondern auch bei anderen Laserbearbeitungsmaschinen z.B. zum Laserhärten, Laserschweißen und Laserauftragsschweißen von Materialien bzw. an Stanz-Laser-Kombinationsmaschinen eingesetzt werden kann.
-
Es wird explizit betont, dass alle in der Beschreibung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale als getrennt und unabhängig voneinander zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung unabhängig von den Merkmalskombinationen in den Ausführungsformen und/oder den Ansprüchen angesehen werden sollen. Es wird explizit festgehalten, dass alle Bereichsangaben oder Angaben von Gruppen von Einheiten jeden möglichen Zwischenwert oder Untergruppe von Einheiten zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung offenbaren, insbesondere auch als Grenze einer Bereichsangabe.
