DE102021120648A1

DE102021120648A1 - Optimierung des Schneidprozesses beim Laserschneiden eines Werkstücks

Info

Publication number: DE102021120648A1
Application number: DE102021120648.0A
Authority: DE
Inventors: Jannik Lind; Niklas Weckenmann
Original assignee: Precitec GmbH and Co KG
Current assignee: Precitec GmbH and Co KG
Priority date: 2021-08-09
Filing date: 2021-08-09
Publication date: 2023-02-09
Also published as: CN115703173A

Abstract

Verfahren zum Schneiden eines Werkstücks (1) mittels eines Laserstrahls (10), umfassend: Aufteilen des Laserstrahls (10) durch ein Strahlformungselement (400) in einen Primärstrahl (10a) und mindestens einen Sekundärstrahl (10b), und Einstrahlen des Primärstrahls (10a) und des Sekundärstrahls (10b) entlang eines Schneidpfads, um eine Schnittfuge (3) auszubilden, wobei der Sekundärstrahl (10b) dem Primärstrahl (10a) nachfolgt, wobei in Abhängigkeit von zumindest einem Prozessparameter zumindest einer der folgenden Aufteilungsparameter eingestellt wird, umfassend eine Anzahl der Sekundärstrahlen (10b), eine Fokuslage des Primärstrahls (10a) und/oder des Sekundärstrahls (10b), ein Fokusdurchmesser des Primärstrahls (10a) und/oder des Sekundärstrahls (10b), eine Leistungsverteilung zwischen dem Primärstrahl (10a) und dem mindestens einen Sekundärstrahl (10b) und einen Abstand zwischen dem Primärstrahl (10a) und dem mindestens einen Sekundärstrahl (10b) eingestellt wird; sowie Laserbearbeitungsvorrichtung mit Steuereinheit (300) zum Ausführen des Verfahrens.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schneiden eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls, sowie eine Laserbearbeitungsvorrichtung, die eingerichtet ist, das Verfahren auszuführen.
Hintergrund
In einer Laserbearbeitungsvorrichtung zum Schneiden eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls wird der von einer Laserstrahlquelle oder einem Ende einer Laserleitfaser austretende Laserstrahl mit Hilfe einer Strahlführungs- und Fokussieroptik auf ein zu bearbeitendes Werkstück geleitet, um an einem Laserspot auf dem Werkstück durch Aufschmelzen und/oder Verdampfen von Material eine Schnittfuge auszubilden.
US 2002/0088784 A1 und US 6,664,504 B2 beschreiben eine Anlage zum Schneiden oder Schweißen mit einem Laserstrahl, bei der ein Hauptlaserstrahl in einen Zentralstrahl und einen peripheren Strahl von ringförmiger oder zylindrischer Form unterteilt wird, wobei der Zentralstrahl auf einen Fokussierungspunkt fokussiert wird und der periphere Strahl auf eine ringförmige Fokussierungszone fokussiert wird, die vom Fokussierungspunkt getrennt ist.
DE 11 2014 006 673 T5 und WO 2016/029396 A1 beschreiben eine optische Linse mit mehreren Brennpunkten auf der optischen Achse, die bei einer Laserverarbeitung angewendet wird.
DE 10 2008 053 397 A1 beschreibt ein Verfahren zum Schmelzschneiden von Werkstücken mit Laserstrahlung, bei dem der Neigungswinkel der Schneidfront durch eine Anpassung der radialen Ausdehnung des Laserstrahls in Strahlausbreitungsrichtung eines Laserstrahls und/oder eine der Vorschubbewegung überlagerte Bewegung des Brennpunktes des Laserstrahls verändert wird.
DE 10 2019 108 681 A1 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung eines Mehrfachspots bei der Lasermaterialbearbeitung durch mehrfache Spiegelung eines Teils des Laserstrahls. In einem Beispiel mit einem Doppelspot bewirkt eine Verschiebung von Spiegeln eine Änderung der Leistungsaufteilung zwischen zwei Teilstrahlen. Mittels der Verkippung eines Spiegels entsteht ein kleiner Winkel zwischen den beiden Teilstrahlen, so dass diese an unterschiedliche Positionen auf dem Werkstück treffen.
DE 10 2018 205 545 A1 beschreibt einen Laserbearbeitungskopf zum Bearbeiten eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls, insbesondere zum Laserschneiden, umfassend ein doppelbrechendes Strahlteilerelement zur Aufteilung des Laserstrahls auf zwei Teilstrahlen. Das doppelbrechende Strahlteilerelement hat eine nicht parallel zur Strahleintrittsfläche ausgerichtete Strahlaustrittsfläche. Eine Fokussieroptik fokussiert die Teilstrahlen.
Kurzfassung der Erfindung
Beim Laserschneiden nimmt mit zunehmender Schneidgeschwindigkeit an der Schnittfläche die Oberflächenrauigkeit zu, bis der Schnittabriss erreicht wird. Die Ursache hierfür ist eine Abnahme des lokalen Schneidfrontwinkels bzw. ein lokal verringerter Einfallswinkel der Laserstrahlung, welche zu einem lokalen Maximum der absorbierten Bestrahlungsstärke führt. So kann mit zunehmender Schneidgeschwindigkeit die absorbierte Bestrahlungsstärke auf der Schneidfront ungleichmäßig werden, was wiederum zu folgenden Nachteilen führen kann: Durch ein Ansteigen der absorbierten Bestrahlungsstärke kann das Material zu verdampfen beginnen. Dadurch wird lokal ein erhöhtes Materialvolumen aufgeschmolzen. Der Volumenstrom des aufgeschmolzenen Materials wird dann zum großen Teil oberhalb der Verdampfungsposition über die Schnittflächen ausgetrieben. Ein großer Anteil erstarrt dabei auf der Schnittfläche, sodass die Oberflächenrauigkeit zunimmt. Die erzielbare Oberflächenrauigkeit kann daher durch ein Verhältnis zwischen aufgeschmolzenem und ausgetriebenem Material angegeben werden. Wird kein Material mehr von der Werkstückunterseite ausgetrieben, reißt der Schnitt ab.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Laserbearbeitungsvorrichtung zum Schneiden eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls anzugeben, um kostengünstig eine präzise und saubere Ausbildung einer Schnittfuge auch bei einer höheren Schneidgeschwindigkeit und/oder mit einer geringeren Oberflächenrauigkeit der Schnittfläche zu ermöglichen. Es ist wünschenswert, den Laserschneidprozess in Bezug auf die Schneidgeschwindigkeit und/oder die Oberflächenrauigkeit der Schnittfläche zu optimieren, insbesondere bei Materialstärken ≥ 1 mm, oder sogar ≥ 10 mm.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst. Merkmale bevorzugter Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Gemäß einem Aspekt umfasst ein Verfahren zum Schneiden eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls: Aufteilen des Laserstrahls durch ein Strahlformungselement in einen Primärstrahl und mindestens einen Sekundärstrahl; und Einstrahlen des Primärstrahls und des Sekundärstrahls entlang eines Schneidpfads, um eine Schnittfuge auszubilden, wobei der Sekundärstrahl dem Primärstrahl nachfolgt, wobei in Abhängigkeit von zumindest einem Prozessparameter zumindest ein Aufteilungsparameter für das Aufteilen des Laserstrahls eingestellt wird, und wobei der zumindest eine Aufteilungsparameter umfasst: eine Anzahl der Sekundärstrahlen, eine Fokuslage des Primärstrahls und/oder des Sekundärstrahls, ein Fokusdurchmesser des Primärstrahls und/oder des Sekundärstrahls, eine Leistung des Primärstrahls und/oder des Sekundärstrahls, eine Leistungsverteilung zwischen dem Primärstrahl und dem mindestens einen Sekundärstrahl und einen Abstand zwischen dem Primärstrahl und dem mindestens einen Sekundärstrahl. Der Abstand zwischen dem Primärstrahl und dem mindestens einen Sekundärstrahl ist durch den (lateralen) Abstand der Foki bzw. der Fokuslagen des Primärstrahls und des Sekundärstrahls definiert und kann auch als Spotabstand (d.h. Abstand zwischen dem sogenannten Primärspot und dem sogenannten Sekundärspot) bezeichnet werden. Der Abstand ist daher unabhängig von einem Arbeitsabstand bzw. Abstand zur Werkstückoberfläche.
Das Einstrahlen des Primärstrahls und des Sekundärstrahls kann umfassen: Ausbilden eines Primärspots bzw. Hauptlaserspot und mindestens eines Sekundärspots bzw. Nebenlaserspots auf dem Werkstück.
Die Erfindung basiert auf der Grundidee, durch Aufteilen des Laserstrahls einen doppelten oder mehrfachen Laserspot des Laserstrahls entlang eines Schneidpfads zum Schneiden eines Werkstücks zu erzeugen und durch das Einstellen wenigstens eines Parameters der Aufteilung in Abhängigkeit von einem Prozessparameter einen Energieeintrag in die Bearbeitungszone (insbesondere an Positionen der jeweiligen Laserspots) zu steuern. Es wird somit, dem Primärspot in Schneidrichtung nachfolgend, ein Sekundärspot in der Prozesswechselwirkungszone positioniert. Durch das Einstrahlen des Sekundärstrahls, der dem Primärstrahl nachfolgt, kann gezielt ein lokales Maximum der absorbierten Bestrahlungsstärke auf der Schneidfront bzw. ein Erreichen der Verdampfungstemperatur vermieden werden. Denn der Sekundärstrahl, der dem Primärstrahl in Schneidrichtung nachfolgend positioniert ist, kann eine Abnahme des lokalen Schneidfrontwinkels und einen damit verbundenen ungleichmäßigen Anstieg der absorbierten Bestrahlungsstärkevermeiden. Unter Berücksichtigung der oben beschriebenen Wirkzusammenhänge in der Prozesszone ist es somit möglich, die Aufteilungsparameter gezielt einzustellen und dadurch die maximale Schneidgeschwindigkeit zu steigern und/oder die Oberflächenrauigkeit der Schnittfläche zu reduzieren.
Die Aufteilungsparameter sind Parameter des Aufteilens des Laserstrahls in den Primärstrahl und den mindestens einen Sekundärstrahl. In einem Bearbeitungsbereich findet eine Absorption von Laserlicht des Laserstrahls statt, wodurch die Schnittfuge ausgebildet wird. Der Primärstrahl bzw. Hauptlaserstrahl bildet einen Primärlaserfleck bzw. Primärlaserspot bzw. Primärspot bzw. Hauptlaserspot, und der mindestens eine Sekundärstrahl bzw. Nebenlaserstrahl bildet mindestens einen Sekundärlaserfleck bzw. Sekundärlaserspot bzw. Sekundärspot bzw. Nebenlaserspot. Durch die Strahlaufteilung ist der Energieeintrag in das Werkstück auf den Primärlaserspot und den mindestens einen Sekundärlaserspot verteilt, wobei der Sekundärstrahl dem Primärstrahl entlang des Schneidpfads nachfolgt und zumindest einer der Aufteilungsparameter in Abhängigkeit von zumindest einem Prozessparameter eingestellt wird. Dies ermöglicht eine bessere Steuerung oder Ausführung und Qualität des Schneidprozesses insbesondere bei einer hohen Schneidgeschwindigkeit, und/oder ermöglicht eine höhere Schneidgeschwindigkeit.
Die Schneidgeschwindigkeit ist eine Relativgeschwindigkeit zwischen dem Primärstrahl entlang des Schneidpfads und dem Werkstück. Beispielsweise kann der Laserstrahl, z.B. durch Bewegen der den Laserstrahl einstrahlenden Laserbearbeitungsvorrichtung oder durch eine Scannereinheit in der Laserbearbeitungsvorrichtung, über das Werkstück bewegt werden, und/oder das Werkstück kann mit einer Vorschubgeschwindigkeit bewegt werden.
Das Einstellen zumindest eines der Aufteilungsparameter in Abhängigkeit von zumindest einem Prozessparameter kann insbesondere während des Schneidens erfolgen.
Vorzugsweise ist der Primärstrahl und/oder der Sekundärstrahl unpolarisiert. Vorzugsweise ist das Strahlformungselement ein nicht-doppelbrechendes optisches Element, d.h. beim Aufteilen des Laserstrahls durch das Strahlformungselement erfolgt keine Doppelbrechung.
Der Sekundärstrahl folgt dem Primärstrahl nach, d.h. der zumindest eine Sekundärstrahl wird dem Primärstrahl hinterher geführt, in Schneidrichtung nachfolgend. Beim Schneiden trifft somit der Sekundärstrahl nach dem Primärstrahl auf einen jeweiligen Bearbeitungsbereich. Sowohl der Primärstrahl als auch der Sekundärstrahl werden entlang des Schneidpfads eingestrahlt. Beim Schneiden kann somit der Sekundärstrahl auf einen bereits vom Primärstrahl bearbeiteten Bearbeitungsbereich treffen und/oder den Bearbeitungsbereich vergrößern. Durch das Aufteilen des Laserstrahls und Einstellen zumindest eines der Aufteilungsparameter kann die Geometrie der Schneidfront entlang des Schneidpfads und/oder quer dazu beeinflusst oder gesteuert werden.
Der zumindest eine Sekundärstrahl kann beispielsweise auf demselben Pfad geführt werden wie der Primärstrahl, d.h. dieselbe Werkstückoberfläche überstreichen. Einer des zumindest einen Sekundärstrahls kann aber auch quer versetzt zu dem Pfad geführt werden, auf dem der Primärstrahl geführt wird; dabei werden sowohl der Sekundärstrahl als auch der Primärstrahl entlang des Schneidpfads geführt. Der Pfad, auf dem der Primärstrahl geführt wird, wird auch als Primärpfad bezeichnet und entspricht vorzugsweise dem Schneidpfad. Der Sekundärstrahl wird im Nachlauf zum Primärstrahl geführt, vorzugsweise auf dem Primärpfad des Primärstrahls, also auf demselben Pfad wie der Primärstrahl.
Der Primärstrahl und der mindestens eine Sekundärstrahl werden vorzugsweise in denselben Bearbeitungsbereich eingestrahlt, d.h. in den Wechselwirkungsbereich des Laserstrahls mit dem Werkstück. D.h., sie werden gleichzeitig in denselben Bearbeitungsbereich eingestrahlt. Der Wechselwirkungsbereich kann auch als Prozesswechselwirkungszone bezeichnet werden. Der Wechselwirkungsbereich kann ein Schmelzbad umfassen oder ein Schmelzefilm mit teilweiser auftretender Verdampfung.
In Ausführungsformen können mehrere Sekundärstrahlen hintereinander entlang des Schneidpfads eingestrahlt werden. Vorzugsweise werden sowohl der Primärstrahl als auch die mehreren Sekundärstrahlen hintereinander auf demselben Pfad, z.B. auf dem Schneidpfad, geführt.
Vorzugsweise sind der Primärstrahl und der Sekundärstrahl zueinander versetzt bzw. voneinander beabstandet. Vorzugsweise überlappen sich daher der Primärstrahl und der Sekundärstrahl nicht auf der Werkstückoberfläche und/oder die Foki des Primärstrahls und der Sekundärstrahls überlappen sich vorzugsweise nicht. Vorzugsweise sind der Primärstrahl und der Sekundärstrahl nicht koaxial. Vorzugsweise weisen der Primärstrahl und der Sekundärstrahl jeweils einen punktförmigen oder kreisförmigen Strahlquerschnitt auf. Sie sind somit vorzugsweise nicht ringförmig. Beispielsweise können der Primärstrahl und der jeweilige Sekundärstrahl jeweils einen punktförmigen oder kreisförmigen Laserspot am Werkstück bilden.
Der Primärstrahl und der mindestens eine Sekundärstrahl werden nachfolgend auch als Teilstrahlen bezeichnet.
Das Verfahren zum Schneiden kann beispielsweise ein Verfahren zum Laserschmelzschneiden oder ein Verfahren zum Laserbrennschneiden sein. Insbesondere das Schneiden mit inertem Prozessgas (Laserschmelzschneiden), wie Stickstoff und/oder Argon, welches beispielsweise koaxial zum Bearbeitungslaser aus dem Schneidkopf austritt und auf die Bearbeitungszone einwirkt, profitiert besonderes von dem Verfahren. Beim Laserbrennschneiden kann durch Einstellen des mindestens einen Aufteilungsparameters eine Schlackeanhaftung im Nachlauf der Schnittfuge verhindert werden und ein erfolgreicher Laserschnitt gewährleistet werden.
Vorzugsweise wird zumindest einer der Aufteilungsparameter eingestellt in Abhängigkeit von zumindest einem Prozessparameter. Die Prozessparameter können zumindest einen der folgenden Prozessparameter umfassen: Die Schneidgeschwindigkeit, insbesondere die momentane Schneidgeschwindigkeit, die Materialstärke oder Dicke des Werkstücks (insbesondere an der Position der auszubildenden Schnittfuge), die Materialart (z.B. Metall oder Kunststoff) oder das Material (z.B. Kupfer, Stahl, Aluminium) des Werkstücks, eine Düsenart, eine Düsengeometrie, ein Düsenöffnungsdurchmesser, ein Strahlparameterprodukt des nicht-aufgeteilten Laserstrahls, ein Divergenzwinkel des nicht-aufgeteilten Laserstrahls, ein Faserdurchmesser einer Lichtleitfaser bzw. eines Lichtleitkabels (zum Einkoppeln des Laserstrahls in den Laserbearbeitungskopf), eine Laserleistung des nicht-aufgeteilten Laserstrahls, eine Puls-An-Zeit des nicht-aufgeteilten Laserstrahls, eine Puls-Aus-Zeit des nicht-aufgeteilten Laserstrahls, eine Pulsspitzenleistung des nicht-aufgeteilten Laserstrahls, eine Prozessgasart (inert oder reaktiv), einen Prozessgasdruck, ein Prozessgas (z.B. Argon, Sauerstoff, Druckluft, Stickstoff), eine Fokuslage des nicht-aufgeteilten Laserstrahls (insbesondere die Fokuslage in Richtung orthogonal zur Oberfläche des Werkstücks an der Bearbeitungsposition oder in Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls), das Abbildungsverhältnis eines optischen Systems einer den Primärstrahl und den Sekundärstrahl einstrahlenden Laserbearbeitungsvorrichtung, der Fokusdurchmesser des nicht-aufgeteilten Laserstrahls, der Abstand zum Werkstück (insbesondere der Abstand der Laserbearbeitungsvorrichtung bzw. des Laserbearbeitungskopfs bzw. der Düse zur Werkstückoberfläche), der Schneidfrontwinkel oder der lokale Einfallswinkel (des Primärstrahls und/oder eines Sekundärstrahls) an der Schneidfront, die Schnitttiefe, die maximale Schnitttiefe, ab der unregelmäßige Riefen auf der Schnittfläche gebildet werden (d.h., die Schnitttiefe, ab der Riefen auf der Schnittfläche beginnen, unregelmäßig zu werden). Das Abbildungsverhältnis kann insbesondere das Abbildungsverhältnis eines Laserbearbeitungskopfs zum Einstrahlen des Primärstrahls und des mindestens einen Sekundärstrahls entlang des Schneidpfads sein, insbesondere das Abbildungsverhältnis eines optischen Systems des Laserbearbeitungskopfs. Das Abbildungsverhältnis kann beispielsweise bei einem über eine Lichtleitfaser zugeführten Laserstrahl das Verhältnis von Fokusdurchmesser zu dem Faserkerndurchmesser sein.
Das Einstrahlen des Primärstrahls und des Sekundärstrahls entlang eines Schneidpfads kann beispielsweise umfassen: Einstellen des Strahlformungselements, wobei eine Position des Sekundärstrahls relativ zum Primärstrahl eingestellt wird. Das Einstellen des Strahlformungselements kann beispielsweise ein Drehen des Strahlformungselements um eine optische Achse des einfallenden Laserstrahls und/oder ein Einstellen einer Einführlänge, um die das Strahlformungselement in den Laserstrahl eingeführt ist, umfassen. Auf diese Weise kann der Sekundärstrahl dem Primärstrahl in einem einstellbaren Abstand und/oder in einer einstellbaren Richtung nachfolgen.
In Ausführungsformen werden der Primärstrahl und der Sekundärstrahl durch einen Laserbearbeitungskopf eingestrahlt, wobei der Laserbearbeitungskopf umfasst: das Strahlformungselement zum Aufteilen des Laserstrahls in den Primärstrahl und den mindestens einen Sekundärstrahl. Der Laserbearbeitungskopf kann insbesondere weiter umfassen: eine Kollimationsoptik zum Kollimieren des Laserstrahls und eine Fokussieroptik zum Fokussieren des Laserstrahls. Der kollimierte Laserstrahl kann ein (annähernd) kollineares Strahlenbündel sein, oder ein Strahlenbündel/Laserstrahl mit gegenüber dem zugeführten Laserstrahl verringerter Divergenz sein. Die Fokussieroptik kann transmittierende und/oder reflektierende optische Elemente, wie bspw. Linsen, Linsenpakete, Spiegel, Spiegelpakete, ein F-Theta-Objektiv, o.ä. umfassen. Das Strahlformungselement ist vorzugsweise separat von der Fokussieroptik. Vorzugsweise ist die Fokussieroptik dem Strahlformungselement nachgeordnet im Strahlengang angeordnet. Das Strahlformungselement kann der Kollimationsoptik nachgeordnet angeordnet sein. Somit kann das Strahlformungselement im kollimierten Laserstrahl angeordnet sein. Insbesondere kann das Strahlformungselement zwischen Kollimationsoptik und Fokussieroptik angeordnet sein. Alternativ kann die Kollimationsoptik dem Strahlformungselement nachgeordnet sein. Somit kann das Strahlformungselement im divergenten (zugeführten) Laserstrahl angeordnet sein.
Ein Fokus des Primärstrahls und ein Fokus des Sekundärstrahls können beispielsweise im oder unterhalb oder oberhalb des ausgebildeten Primärspots oder Sekundärspots liegen, bzw. auf oder unterhalb oder oberhalb einer Oberfläche des Werkstücks.
Vorzugsweise durchlaufen der Primärstrahl und der wenigstens eine Sekundärstrahl dieselbe (gemeinsame) Kollimationsoptik und/oder Fokussieroptik.
Das Strahlformungselement kann ein bewegliches oder schaltbares oder deaktivierbares Strahlformungselement sein. Beispielsweise kann die Aufteilung des Laserstrahls in den Primärstrahl und den zumindest einen Sekundärstrahl durch das Strahlformungselement ein- und ausschaltbar sein und/oder das Strahlformungselement aus dem Strahlengang des Laserstrahls herausbewegbar und in den Strahlengang des Laserstrahls hineinbewegbar sein.
In Ausführungsformen umfasst oder ist das Strahlformungselement ein brechendes optisches Element, insbesondere ein nicht-polarisierendes, brechendes optisches Element. Vorzugsweise ist das Strahlformungselement optisch isotrop.
Lichtbrechung, auch als Brechung oder Diffraktion bezeichnet, tritt beim Durchtritt von Licht durch eine Grenzfläche oder Oberfläche auf, an der sich der Brechungsindex sprunghaft ändert. Lichtbrechung tritt insbesondere auf, wenn das Licht unter einem Winkel ungleich 90° auf die Grenzfläche oder Oberfläche der lichtbrechenden Platte trifft.
Vorzugsweise ist das Strahlformungselement eingerichtet, den das Strahlformungselement durchlaufenden Sekundärstrahl abzulenken. Beispielsweise kann das Strahlformungselement eine optische Fläche haben, die schräg zu einer Strahlebene des einfallenden Laserstrahls angeordnet ist, beispielsweise eine optische Fläche einer Keilplatte. Als Strahlebene wird eine Ebene bezeichnet, zu der der einfallende Laserstrahl orthogonal (d.h. normal) ist.
Das Strahlformungselement kann mindestens eine lichtbrechende Platte umfassen, z.B. eine Keilplatte. Vorzugsweise ist die jeweilige lichtbrechende Platte optisch isotrop.
In Ausführungsformen erfolgt das Einstellen des zumindest einen Aufteilungsparameters durch Bewegen des Strahlformungselements.
Ein brechendes optisches Element als Strahlformungselement kann das Einstellen eines Aufteilungsparameters sehr vereinfachen und einen einfachen Aufbau ermöglichen. So kann, anders als beispielsweise bei Verwendung von Spiegeln, ein brechendes optisches Element eine direkte Einstellung eines Aufteilungsparameters ermöglichen, indem beispielsweise das brechende optische Element (oder eine jeweilige lichtbrechende Platte) bewegt (gedreht, gekippt, geschwenkt, verschoben) wird.
Beispielsweise kann ein Einstellen eines Abstands zwischen dem Primärstrahl und dem mindestens einen Sekundärstrahl durch Drehen des Strahlformungselements oder durch Einstellen eines Anordnungswinkels des Strahlformungselements erfolgen. Somit kann ein Spotabstand einfach eingestellt werden. Beispielsweise kann das Strahlformungselement gedreht werden um eine Achse parallel zur Strahlebene. Der Anordnungswinkel kann ein Winkel einer optischen Fläche des Strahlformungselements in Bezug auf die Strahlebene sein.
Beispielsweise kann ein Einstellen einer Leistungsverteilung zwischen dem Primärstrahl und dem mindestens einen Sekundärstrahl ein Bewegen des Strahlformungselements (z.B. einer lichtbrechenden Platte) oder wenigstens einer lichtbrechenden Platte des Strahlformungselements in einer Richtung quer zur optischen Achse des einfallenden Laserstrahls umfassen. Beispielsweise kann ein Einstellen einer Leistungsverteilung zwischen dem Primärstrahl und dem mindestens einen Sekundärstrahl ein Einstellen einer Überlappung des Strahlformungselements (oder wenigstens einer lichtbrechenden Platte des Strahlformungselements) mit einem Querschnitt des Laserstrahls umfassen.
Beispielsweise kann ein Einstellen einer Anzahl der Sekundärstrahlen ein Bewegen des Strahlformungselements (z.B. einer lichtbrechenden Platte) oder wenigstens einer lichtbrechenden Platte des Strahlformungselements in einer Richtung quer zur optischen Achse des einfallenden Laserstrahls umfassen.
Ein brechendes optisches Element kann auch als lichtbrechendes optisches Element oder refraktives optisches Element bezeichnet werden. Das Strahlformungselement kann beispielsweise mindestens eine Keilplatte, ein Axikonarray, wenigstens ein Linsenpaket, und/oder eine zur Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls geneigt angeordnete Platte umfassen oder sein. Die Platte kann beispielsweise parallele optische Flächen aufweisen. Eine optische Fläche ist eine Fläche, durch die der mindestens eine Teilstrahl in die lichtbrechende Platte eintritt oder aus der lichtbrechenden Platte austritt. Die optischen Flächen sind einander gegenüberliegende Oberflächen der Platte. Die Platte kann somit auch eine Platte sein, bei der die erste Oberfläche, durch die der Teilstrahl in die Platte eintritt, parallel zu der zweiten Oberfläche ist, durch die der Teilstrahl aus der Platte austritt. Durch Aufteilen des Laserstrahls durch ein brechendes optisches Element kann eine Aufteilung des Laserstrahls mit einer möglichst geringen Anzahl optischer Elemente bewirkt werden. Insbesondere kann eine Verlustleistung des Strahlformungselements minimiert werden.
Beispielsweise kann das Strahlformungselement mindestens eine lichtbrechende Platte aufweisen, wobei jeder lichtbrechenden Platte ein Teilstrahl des Laserstrahls zugeordnet ist, der mindestens durch diese lichtbrechende Platte hindurchtritt. Mehrere lichtbrechende Platten können beispielsweise gestaffelt hintereinander entlang der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls angeordnet sein, wobei vorzugsweise ein erster Teilstrahl (z.B. der Primärstrahl) keine der lichtbrechenden Platten durchläuft, ein zweiter Teilstrahl (z.B. ein erster Sekundärstrahl) nur eine erste lichtbrechende Platte durchläuft und eine jeweiliger weiterer Teilstrahl (z.B. ein weiterer Sekundärstrahl) zusätzlich jeweils eine weitere der lichtbrechenden Platten durchläuft. Mehrere lichtbrechende Platten können beispielsweise nebeneinander in einer Richtung quer zur Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls versetzt angeordnet sein, wobei ein jeweiliger Teilstrahl (z.B. ein Sekundärstrahl) eine (oder nur eine) jeweilige lichtbrechende Platte durchläuft. Beispielsweise durchläuft ein erster Teilstrahl (z.B. der Primärstrahl) keine der lichtbrechenden Platten.
In Ausführungsformen umfasst oder ist das Strahlformungselement mindestens eine lichtbrechende Platte, die in einem Teilquerschnitt des Laserstrahls angeordnet ist, wobei ein Teilstrahl, insbesondere der Primärstrahl, die mindestens eine lichtbrechende Platte nicht durchläuft. Vorzugsweise durchläuft der mindestens eine Sekundärstrahl die mindestens eine lichtbrechende Platte entlang einer Ausbreitungsrichtung. Vorzugsweise ist die lichtbrechende Platte eingerichtet, die lichtbrechende Platte in der Ausbreitungsrichtung durchlaufendes unpolarisiertes Laserlicht unpolarisiert zu belassen. Sie kann beispielsweise nicht-polarisierend sein.
Die lichtbrechende Platte kann auch als brechende Platte oder als refraktive Platte bezeichnet werden. Die lichtbrechende Platte kann eine Keilplatte sein oder parallele optische Flächen aufweisen. Die lichtbrechende Platte ist ein brechendes optisches Element. Vorzugsweise ist die jeweilige lichtbrechende Platte optisch isotrop.
Der Schritt des Aufteilens des Laserstrahls durch ein Strahlformungselement in einen Primärstrahl und mindestens einen Sekundärstrahl kann beispielsweise ein Schritt des Aufteilens des Laserstrahls durch mindestens eine lichtbrechende Platte in einen Primärstrahl und mindestens einen Sekundärstrahl sein, wobei die mindestens eine lichtbrechende Platte in einem Teilquerschnitt des Laserstrahls angeordnet ist, wobei der Primärstrahl die mindestens eine lichtbrechende Platte nicht durchläuft, und wobei der mindestens eine Sekundärstrahl die mindestens eine lichtbrechende Platte entlang einer jeweiligen Ausbreitungsrichtung durchläuft, wobei die lichtbrechende Platte eingerichtet ist, die lichtbrechende Platte in der Ausbreitungsrichtung durchlaufendes unpolarisiertes Laserlicht unpolarisiert zu belassen.
Die Ausbreitungsrichtung des jeweiligen Teilstrahls (z.B. Sekundärstrahls) in der Platte kann auch als Durchlaufrichtung, in der der Teilstrahl die Platte durchläuft, bezeichnet werden.
Die lichtbrechende Platte ermöglicht es, den Laserstrahl aufzuteilen, um einen doppelten oder mehrfachen Laserspot des Laserstrahls zu erzeugen, ohne die Polarisationseigenschaften des Laserstrahls zu ändern, indem nur ein Teil des Laserstrahls eine lichtbrechende Platte durchläuft und dadurch gegenüber dem anderen Teil des Laserstrahls abgelenkt wird. Dies ermöglicht es, vorteilhafte Polarisationseigenschaften des Laserstrahls (zumindest für eine Teilstrahl) zu erhalten, insbesondere sowohl für den Primärstrahl als auch für den mindestens einen Sekundärstrahl.
Die lichtbrechende Platte ist dazu eingerichtet, unpolarisiertes Laserlicht unpolarisiert zu belassen, insbesondere beim Durchlaufen der lichtbrechenden Platte in der Ausbreitungsrichtung. Sie ist somit eingerichtet, die Polarisationseigenschaften von unpolarisiertem Laserlicht zu erhalten, insbesondere wenn dieses die lichtbrechende Platte in der Ausbreitungsrichtung durchläuft. D.h., die lichtbrechende Platte ist dazu eingerichtet, den Polarisationsgrad von unpolarisiertem Laserlicht zu erhalten. Wenn ein zufällig polarisierter oder unpolarisierter Laserstrahl eingesetzt wird, wird der Laserstrahl also beim Durchlaufen der lichtbrechenden Platte nicht bezüglich seiner Polarisation geändert und insbesondere nicht polarisiert. Dies kann es ermöglichen, ein gewünschtes Intensitätsverhältnis von Primärstrahl und Sekundärstrahl zu erzeugen, ohne dass im Strahlengang des Laserstrahls eine unzulässig hohe Absorption durch eine Strahlaufteilung mittels Polarisation entsteht. Im Unterschied zu einer Strahlaufteilung durch ein doppelbrechendes Element findet keine Polarisation der erzeugten Primär- und Sekundärstrahlen statt, und ein gewünschtes Intensitätsverhältnis kann durch geeignete Anordnung der lichtbrechenden Platte erzeugt werden.
Beispielsweise kann zumindest einer der Aufteilungsparameter, der in Abhängigkeit von zumindest einem Prozessparameter eingestellt wird, durch Verstellen der mindestens einen lichtbrechenden Platte eingestellt werden.
Ein Teilstrahl, z.B. der Primärstrahl, durchläuft die lichtbrechende Platte nicht. D.h., der betreffende Teilstrahl läuft an der lichtbrechenden Platte vorbei.
In Ausführungsformen ist zumindest einer von dem Laserstrahl, dem Primärstrahl und dem mindestens einen Sekundärstrahl unpolarisiert ist. Unpolarisiertes Licht kann auch als zufällig polarisiertes Licht mit wechselnder zufälliger Polarisation bezeichnet werden.
In Ausführungsformen umfasst das Strahlformungselement mindestens eine lichtbrechende Keilplatte. Die Keilplatte kann die beschriebene lichtbrechende Platte sein.
Beispielsweise kann die Dicke der Keilplatte in einer Richtung von einem Randbereich des Strahlquerschnitts des Laserstrahls zu einer optischen Achse des einfallenden Laserstrahls entsprechend dem Keilwinkel der Keilplatte zu- oder abnehmen. Beispielsweise kann die Keilplatte quer zu dieser Richtung sich beidseitig erstrecken, insbesondere sich beidseitig mindestens über den Strahlquerschnitt des Laserstrahls erstrecken, oder sich beidseitig über den Strahlquerschnitt des Laserstrahls hinaus erstrecken.
Vorzugsweise liegt der Keilwinkel der Keilplatte im Bereich von 0,001 rad bis 0,1 rad, bevorzugt im Bereich von 0,001 rad bis 0,01 rad oder sogar von 0,0015 rad bis 0,00567 rad.
In Ausführungsformen umfasst das Strahlformungselement mindestens eine lichtbrechende Platte, die an zumindest einer optischen Fläche einen Neigungswinkel zu der Strahlebene des einfallenden Laserstrahls aufweist, wobei der Neigungswinkel innerhalb eines Bereichs von -0,9 rad bis 0,9 rad eingestellt wird, bevorzugt innerhalb eines Bereichs von von -0,27 rad bis 0,27 rad.
Vorzugsweise ist diese optische Fläche eine Fläche, durch die der betreffende Teilstrahl aus der lichtbrechenden Platte austritt.
Vorzugsweise verläuft diese optische Fläche in einer Richtung von einem Randbereich des Laserstrahls zu einer optischen Achse des einfallenden Laserstrahls entsprechend dem Neigungswinkel schräg zu der Strahlebene. Beispielsweise kann die Keilplatte quer zu dieser Richtung sich beidseitig erstrecken, insbesondere sich beidseitig mindestens über den Strahlquerschnitt des Laserstrahls erstrecken, oder sich beidseitig über den Strahlquerschnitt des Laserstrahls hinaus erstrecken.
Die lichtbrechende Platte kann eine Keilplatte sein. In dem Fall, dass die lichtbrechende Platte parallele optische Flächen aufweist, ist vorzugsweise der Neigungswinkel ungleich 0,000 rad, d.h., ungleich 0 mrad.
Vorzugsweise wird ein Abstand d zwischen einem Laserspot des mindestens einen Sekundärstrahls und einem Laserspot des Primärstrahls entlang der der Schneidrichtung innerhalb eines Bereichs von 0,1 mm bis 2 mm eingestellt, bevorzugt innerhalb eines Bereichs von 0,225 mm bis 0,85 mm.
Vorzugsweise wird ein Leistungsanteil des Primärstrahls bezogen auf die Gesamtleistung des Primärstrahls und des mindestens einen Sekundärstrahls innerhalb eines Bereichs von 0,1 bis 0,9 eingestellt, bevorzugt innerhalb eines Bereichs von 0,2 bis 0,8. Der Leistungsanteil kann insbesondere von 0,5 verschieden sein. Bevorzugt hat der Primärstrahl die größte Leistung der Teilstrahlen. Auch ein Leistungsanteil des Primärstrahls kleiner als 0,5 kann Vorteile beim Laserschmelzschneiden und/oder Laserbrennschneiden bringen.
Beispielsweise ist das Werkstück ein metallisches Werkstück, insbesondere aus einer Stahl-Legierung, Aluminium-Legierung, Kupfer-Legierung und/oder Messing-Legierung. Das Werkstück kann insbesondere aus einer Baustahl-Legierung, Edelstahl-Legierung, Aluminium-Legierung, Kupfer-Legierung und/oder Messing-Legierung sein. Das Werkstück kann auch aus Aluminium, Kupfer oder Messing sein.
Das Werkstück hat vorzugweise eine Materialstärke ≥ 1 mm, insbesondere eine Materialstärke ≥ 10 mm. Die Materialstärke ist als Ausdehnung des Werkstücks in Strahlausbreitungsrichtung zu verstehen, d.h. in Richtung der Schnitttiefe.
Vorzugsweise weist der Laserstrahl Wellenlängen im infraroten Bereich, beispielsweise zwischen 780 nm und 1400 nm, insbesondere zwischen 1000 nm und 1100 nm, auf. Dies hat den Vorteil, dass eine kostengünstige IR Laserquelle verwendet werden kann. Der Laserstrahl kann aber auch eine Wellenlänge im sichtbaren grünen oder blauen Bereich, insbesondere im Bereich zwischen 400 nm und 450 nm oder zwischen 510 nm und 550 nm, aufweisen.
Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst eine Laserbearbeitungsvorrichtung zum Schneiden eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls: einen Laserbearbeitungskopf zum Einstrahlen eines Primärstrahls und mindestens eines Sekundärstrahls entlang eines Schneidpfads, um eine Schnittfuge auszubilden, wobei der Laserbearbeitungskopf ein Strahlformungselement zum Aufteilen des Laserstrahls in den Primärstrahl und den mindestens einen Sekundärstrahl aufweist; und eine Steuereinheit, die eingerichtet ist, ein Verfahren gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche durchzuführen.
Die Steuereinheit kann insbesondere zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens zum Schneiden eines Werkstücks mittels des Laserstrahls eingerichtet sein.
Der Laserbearbeitungskopf weist beispielsweise ein Gehäuse und einen darin angeordneten Strahlengang für den Laserstrahl auf, wobei das Strahlformungselement im Strahlengang angeordnet ist. Wie oben beschrieben, kann der Laserbearbeitungskopf das Strahlformungselement, eine Kollimationsoptik und eine Fokussieroptik umfassen und/oder eine Faserbuchse für eine Lichtleitfaser zum Zuführen des Laserstrahls. Der Laserbearbeitungskopf kann eine Bewegungsvorrichtung für das beschriebene Bewegen und/oder Drehen des Strahlformungselements oder des optischen Elements bzw. der lichtbrechenden Platte umfassen.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Figuren im Detail beschrieben.

1 zeigt schematisch eine Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 zeigt schematisch eine Prozesswechselwirkungszone beim Schneiden gemäß einem Vergleichsbeispiel;
3 zeigt Röntgen- und Mikroskopaufnahmen eines Schmelzschneidprozesses;
4 zeigt schematisch eine Prozesswechselwirkungszone beim Schneiden gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5 zeigt schematisch das Aufteilen des Laserstrahls durch ein gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
6 zeigt schematisch das Aufteilen des Laserstrahls durch ein Strahlformungselement in Form einer Keilplatte gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen
Im Folgenden werden, sofern nicht anders vermerkt, für gleiche und gleichwirkende Elemente dieselben Bezugszeichen verwendet.
1 zeigt schematisch einen Aufbau einer Laserbearbeitungsvorrichtung zum Schneiden eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Im Folgenden wird die Erfindung am Beispiel einer Laserbearbeitungsvorrichtung zum Laserschmelzschneiden eines Werkstücks erläutert, ist aber nicht hierauf beschränkt. Die Laserbearbeitungsvorrichtung kann auch eine Laserbearbeitungsvorrichtung zum Laserbrennschneiden sein.
Die Laserbearbeitungsvorrichtung umfasst einen Laserbearbeitungskopf 100 zum Einstrahlen eines Laserstrahls 10 auf ein Werkstück 1. Beispielsweise kann der von einer Laserquelle 200 erzeugte Laserstrahl 10 über eine Lichtleitfaser 210, gegebenenfalls über eine Faserbuchse 220, in den Laserbearbeitungskopf 100 eingekoppelt werden. Der Laserstrahl 10 wird durch ein Strahlformungselement 400 in zwei Teilstrahlen 10a, 10b aufgeteilt, wie beispielhaft in 5 und 6 dargestellt ist. Von den Teilstrahlen 10a, 10b ist ein erster Teilstrahl 10a ein Primärstrahl, und der weitere Teilstrahl (oder die weiteren Teilstrahlen) 10b ist ein Sekundärstrahl, der dem Primärstrahl 10a entlang des Schneidpfads nachfolgt. In 1 verläuft der Schneidpfad von links nach rechts.
Das Strahlformungselement 400 umfasst zumindest ein optisches Element, das den Laserstrahl 10 (Bearbeitungsstrahl) transmittiert, etwa ein brechendes optisches Element, mindestens eine lichtbrechende Platte, oder mindestens eine lichtbrechende Keilplatte. Ein optisches System des Laserbearbeitungskopfs 100 umfasst neben dem Strahlformungselement 400 weiter eine Kollimationsoptik 110 und eine Fokussieroptik 120. Vorzugsweise ist das Strahlformungselement 400 im kollimierten Laserstrahl 10, d.h. zwischen der Kollimationsoptik 110 und der Fokussieroptik 120, angeordnet, so dass die Aufteilung in die beiden Teilstrahlen 10a, 10b basierend auf dem näherungsweise kollimierten Laserstrahl 10 erfolgt. Mit anderen Worten kann das Strahlformungselement 400 in Laserstrahlausbreitungsrichtung nach der Kollimationsoptik 110 angeordnet sein. Die beiden Teilstrahlen 10a, 10b können anschließend durch die gemeinsame Fokussieroptik 120 für das Laserschneiden fokussiert werden. Alternativ kann für jeden Teilstrahl 10a, 10b eine separate Fokussieroptik 120 vorgesehen sein, um die Fokuslagen der beiden Teilstrahlen 10, 10b unabhängig voneinander einzustellen.
Das Strahlformungselement 400 kann auch in Laserstrahlausbreitungsrichtung der Kollimationsoptik 110 vorangehend angeordnet sein, wie gestrichelt dargestellt ist, so dass die Aufteilung in die beiden Teilstrahlen 10a, 10b basierend auf dem divergenten Laserstrahl 10 erfolgt.
Auch wenn vorliegend eine Aufteilung des Laserstrahls 10 in genau zwei Teilstrahlen 10a, 10b beschrieben ist, ist die Offenbarung nicht darauf beschränkt. Der Laserstrahl 10 kann in zwei oder mehr Teilstrahlen aufgeteilt werden.
Beim Laserschneiden wird der Laserstrahl 10 relativ zum Werkstück 1 mit der Schneidgeschwindigkeit s bewegt. Der Laserstrahl 10 oder Bearbeitungsstrahl wird durch das optische System (Bearbeitungsoptik) 110, 120, 400 auf das Werkstück 1 geführt und fokussiert. Dabei bildet jeder der Teilstrahlen 10a, 10b einen Laserspot auf dem Werkstück 1. Die Bearbeitungsoptik und ihre einzelnen Elemente, insbesondere das Strahlformungselement 400, werden durch eine übergeordnete Steuerungseinheit 300 gesteuert, beispielsweise über eine jeweilige zugeordnete Bewegungsvorrichtung. Die Steuereinheit 300 ist insbesondere eingerichtet, ein Verfahren gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung durchzuführen.
Ein Verfahren gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zum Schneiden eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls umfasst die Schritte: Aufteilen des Laserstrahls durch ein Strahlformungselement in einen Primärstrahl und mindestens einen Sekundärstrahl; und Einstrahlen des Primärstrahls und des Sekundärstrahls entlang eines Schneidpfads, um eine Schnittfuge auszubilden, wobei der Sekundärstrahl dem Primärstrahl nachfolgt. Für das Aufteilen des Laserstrahls wird in Abhängigkeit von zumindest einem Prozessparameter zumindest ein Aufteilungsparameter eingestellt, um einen Energieeintrag in die Prozesswechselwirkungszone gezielt zu steuern. In Abhängigkeit von zumindest einem Prozessparameter wird also zumindest ein Aufteilungsparameter für das Aufteilen des Laserstrahls 10 eingestellt. Der zumindest eine Aufteilungsparameter umfasst: eine Anzahl der Sekundärstrahlen 10b, eine Fokuslage des Primärstrahls 10a und/oder des Sekundärstrahls 10b, einen Fokusdurchmesser des Primärstrahls 10a und/oder des Sekundärstrahls 10b, eine Leistung des Primärstrahls 10a und/oder des Sekundärstrahls 10b, eine Leistungsverteilung zwischen dem Primärstrahl 10a und dem mindestens einen Sekundärstrahl 10b und einen Abstand zwischen dem Primärstrahl 10a und dem mindestens einen Sekundärstrahl 10b. Die Prozessparameter können zumindest einen der folgenden Prozessparameter umfassen: Die Schneidgeschwindigkeit, insbesondere die momentane Schneidgeschwindigkeit, die Materialstärke oder Dicke des Werkstücks (insbesondere an der Position der auszubildenden Schnittfuge), die Materialart (z.B. Metall oder Kunststoff) oder das Material (z.B. Kupfer, Stahl, Aluminium) des Werkstücks, eine Prozessgasart (inert oder reaktiv), einen Prozessgasdruck, ein Prozessgas (z.B. Argon, Sauerstoff, Druckluft, Stickstoff), eine Fokuslage des nicht-aufgeteilten Laserstrahls (insbesondere die Fokuslage in Richtung orthogonal zur Oberfläche des Werkstücks an der Bearbeitungsposition oder in Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls), das Abbildungsverhältnis eines optischen Systems einer den Primärstrahl und den Sekundärstrahl einstrahlenden Laserbearbeitungsvorrichtung, der Fokusdurchmesser des nicht-aufgeteilten Laserstrahls, der Abstand zum Werkstück (insbesondere der Abstand der Laserbearbeitungsvorrichtung bzw. des Laserbearbeitungskopfs bzw. der Düse zur Werkstückoberfläche), der Schneidfrontwinkel oder der lokale Einfallswinkel (des Primärstrahls und/oder eines Sekundärstrahls) an der Schneidfront, die Schnitttiefe, die maximale Schnitttiefe, ab der unregelmäßige Riefen auf der Schnittfläche gebildet werden (d.h., die Schnitttiefe, ab der Riefen auf der Schnittfläche beginnen, unregelmäßig zu werden).
Das Strahlformungselement 400 kann schaltbar sein. Das heißt beispielsweise, das Strahlformungselement 400 kann aus dem Strahlengang des Laserstrahls 10 herausbewegbar sein. Somit ist bei Bedarf auch ein konventionelles Laserschneiden ohne die Aufteilung des Laserstrahls 10 durch das Strahlformungselement 400 möglich.
Das Strahlformungselement 400 ist gemäß einer Ausführungsform drehbar um die Laserstrahlachse (die optische Achse A des Laserstrahls oder des Strahlengangs). Somit kann bei einer variierenden Schneidrichtung, also einer variierenden Richtung des Schneidpfades, durch Drehen des Strahlformungselements 400 der Sekundärstrahl 10b dem Primärstrahl 10a entlang des Schneidpfads nachgeführt werden. Insbesondere kann beispielsweise das Strahlformungselement 400 in Abhängigkeit der Vorschubrichtung des Werkstücks 1 gesteuert werden.
2 zeigt schematisch ein Vergleichsbeispiel einer Prozesswechselwirkungszone beim Laserschmelzschneiden mit einem einzelnen Laserstrahl 10' mit der Leistung P, der einen einzelnen Laserspot auf dem Werkstück 1 bildet. Im gezeigten Beispiel hat die Schneidfront 2 einen unregelmäßigen Verlauf mit unterschiedlichen lokalen Schneidfrontwinkeln. Als lokaler Schneidfrontwinkel wird der Winkel zwischen der Schneidfront und der Orthogonalen zur Strahlausbreitungsrichtung des Laserstrahls 10' bezeichnet. Der Winkel zwischen der lokalen Flächennormalen $\vec{n}$
(Vektor n) der Schneidfront 2 und der Strahlausbreitungsrichtung des einfallenden Laserstrahls 10' wird als lokaler Einfallswinkel θ bezeichnet. Somit entspricht der lokale Schneidfrontwinkel dem lokalen Einfallswinkel θ.
2 zeigt im linken Bereich an der gebildeten Schnittfuge 3 unregelmäßige Riefen 4. Als Trenngrenze (Schnittabriss) wird die Schneidgeschwindigkeit s definiert, ab der keine Trennung des Werkstücks 1 mehr erfolgt. Bei Schneidgeschwindigkeiten s knapp unter der Trenngrenzen oder bei ungünstig gewählten Prozessparametern tritt unter anderem eine schlechte Oberflächenqualität der Schnittflächen auf. Diese schlechte Qualität ist unter anderem gekennzeichnet durch eine ungleichmäßige Riefenbildung, welche für eine hohe Oberflächenrauigkeit sorgt. Unregelmäßige Riefen sind gekennzeichnet durch eine starke lokale Änderung ihres Verlaufs entlang der Schnitttiefe (in Strahlausbreitungsrichtung). Die Schnitttiefe, bei der die Riefen 4 beginnen ungleichmäßig zu werden, entspricht der Schnitttiefe, bei der der lokale Einfallswinkel θ sich unzulässig verringert. In einem solchen Fall tritt an dieser Position eine lokale Verdampfung 6 des Werkstückmaterials auf.
In 3 sind schematisch Röntgenaufnahmen (obere Reihe) und Mikroskop-Aufnahmen (untere Reihe) eines Schmelzschneidprozesses von Edelstrahl in Abhängigkeit der Schneidgeschwindigkeit s dargestellt. Die Schneidgeschwindigkeit s ist jeweils angegeben. Bei einer Schneidgeschwindigkeit s von 1 m/min ist das Riefenbild regelmäßig ausgebildet. Bei einer Schneidgeschwindigkeit s > 1 m/min ist das Riefenbild unregelmäßig. Mit zunehmender Schneidgeschwindigkeit s ist im Röntgenbild eine lokal größer werdende Ausbeulung (erkennbar durch den hellen Bereich) an der Schneidfront bzw. an den Schnittflächen sichtbar (Pfeil). An dieser Position ist der lokale Einfallswinkel θ geringer. An dieser Position wird die Verdampfungstemperatur des Materials erreicht. An dieser Position wird die Schmelze vermehrt entgegen der Schneidrichtung und/oder orthogonal zur Laserstrahlachse bzw. Strahlausbreitungsrichtung über die Schnittflächen getrieben. An dieser Position wird das Riefenbild in der Mikroskop-Aufnahme unregelmäßig (Pfeil). Bei der höchsten Schneidgeschwindigkeit 2,8 m/min ist ein Schnittabriss erfolgt.
4 zeigt schematisch eine Prozesswechselwirkungszone beim Schneiden gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei ein Primärlaserspot durch den Primärstrahl 10a mit der Leistung P₁ und ein Sekundärlaserspot durch den Sekundärstrahl 10b mit der Leistung P₂ gebildet werden. Durch das Strahlformungselement 400, beispielsweise eine Keilplatte, in der Bearbeitungsoptik wird dem Hauptlaserspot des Primärstrahls 10a in Schneidrichtung folgend ein Nebenlaserspot oder Sekundärlaserspot des Sekundärstrahls 10b in die Prozesswechselwirkungszone positioniert. Der Nebenlaserspot des Sekundärstrahls 10b verhindert eine einsetzende Verdampfung, indem vermieden wird, dass der lokale Einfallswinkel θ aufgrund von lokal fehlender absorbierter Energie selbstregulierend verringert wird. Der lokale Einfallswinkel θ wird somit näher bei 90° gehalten.
5 und 6 zeigen schematisch das Aufteilen des Laserstrahls gemäß Ausführungsformen der Erfindung. 5 zeigt ein Strahlformungselement 400 in Form einer Keilplatte 400`, die in einem Teil des Strahlverschnitts des Laserstrahls 10 angeordnet ist. Die Keilplatte 400` hat einen Keilwinkel α. Wie dargestellt, nimmt die Dicke der Keilplatte 400` in einer Richtung von einem Randbereich des Strahlverschnitts des Laserstrahls 10 zu einer optischen Achse A des auf die Keilplatte 400` einfallenden Laserstrahls 10 entsprechend dem Keilwinkel α zu. In Querrichtung dazu, beispielsweise quer zu der lokalen Schneidpfadrichtung, erstreckt sich die Keilplatte 400` beidseitig über den Strahlquerschnitt des Laserstrahls 10. Durch die Keilplatte 400` in der Bearbeitungsoptik wird neben dem Primärlaserspot oder Hauptlaserspot (Leistung P₁) in Schneidrichtung folgend ein Sekundärlaserspot oder Nebenlaserspot (Leistung P₂) in die Prozesswechselwirkungszone positioniert. Die Keilplatte 400` im kollimierten Strahl teilt diesen auf, so dass der Primärlaserspot 10p und der Sekundärlaserspot 10s gebildet werden. Die Laserspots 10p, 10s können sich wie dargestellt in der Ebene E des Strahlfokus des Primärstrahls 10a und des Strahlfokus des Primärstrahls 10b befinden. Sie können sich aber auch oberhalb oder unterhalb der Ebene E der Strahlfokusse befinden. Durch Einstellen einer (lateralen) Position v der Keilplatte 400` in der Richtung R kann der Leistungsanteil P₁/P_ges bzw. P₂/P_ges von P₁ oder P₂ als Aufteilungsparameter eingestellt werden, wobei gilt: P_ges = P₁ + P₂, wobei P_ges die Gesamtleistung des auf das Werkstück 1 eingestrahlten Laserstrahls 10 ist.
Entsprechend der Ausrichtung der Keilplatte 400` mit vom Randbereich des Strahlquerschnitts zur optischen Achse A zunehmender Dicke ist im gebildeten Doppelstrahl der Teilstrahlen 10a, 10b eine Strahltaille 12 ausgebildet.
Zur Erzeugung mehrerer Sekundärstrahlen 10b und/oder zum Einstellen der Anzahl der Sekundärstrahlen als Aufteilungsparameter kann beispielsweise wenigstens eine weitere Keilplatte 400" vorgesehen sein, die einen anderen Teilquerschnitt des Laserstrahls 10 überdeckt als die erste Keilplatte 400`. Diese kann in entsprechender Weise wie die Keilplatte 400` einstellbar oder verstellbar sein.
Weitere Einstellmöglichkeiten der Keilplatte 400` (bzw. 400") sind in 6 veranschaulicht. 6 zeigt eine Variante der Ausführungsform nach 5. Die in Strahlausbreitungsrichtung hintere der optischen Flächen der Keilplatte 400` weist hier einen Neigungswinkel β zu der Strahlebene S des einfallenden Laserstrahls 10 auf. Dementsprechend weist die in Strahlausbreitungsrichtung erste optische Fläche der Keilplatte 400` einen Neigungswinkel α + β zu der Strahlebene S des einfallenden Laserstrahls auf.
Durch Variation des Keilwinkels α wird der Abstand d der Laserspots 10p, 10s als Aufteilungsparameter eingestellt. Durch Einstellen einer Position h (Höhenposition, parallel zur Strahlausbreitungsrichtung) wird der Abstand zwischen der Strahltaille 12 und den Doppelfoki 10p, 10s in Propagationsrichtung des Laserstrahls als Aufteilungsparameter eingestellt. Durch Einstellen des Neigungswinkels β, der auch als Einbauwinkel bezeichnet werden kann, wird der Abstand d der Laserspots 10p, 10s und der Abstand zwischen der Strahltaille 12 und den Doppelfoki 10p, 10s in Propagationsrichtung als Aufteilungsparameter eingestellt. Der Keilwinkel α und der Neigungswinkel β bestimmen, ob der Doppelfokus oberhalb bzw. unterhalb der Strahltaille 12 liegt. Im Falle α - β <0 liegt die Strahltaille 12 unterhalb des Doppelfokus, im Falle α - β >0 liegt die Strahltaille 12 oberhalb des Doppelfokus. In gleicher Weise wie in 5 kann durch Einstellen der Position bzw. des Abstandes v der Leistungsanteil P₁/P_ges des Primärstrahls (mit Leistung P₁) und der Leistungsanteil P₂/P_ges des Sekundärstrahls (mit Leistung P₂) als Aufteilungsparameter eingestellt werden, wobei wiederum gilt: P_ges = P₁ + P₂.
In Experimenten konnte der Einfluss der Doppelfoki im Vergleich zu einem Schneidverfahren mit einem Standard-Laserstrahl, d.h. mit einem Single-Spot Laserstrahl nachgewiesen werden. Beim Schneiden von Edelstrahl von 10 mm bzw. 20 mm mit 6 kW Laserleistung (Gesamtleistung) konnte die maximale Schneidgeschwindigkeit durch geeignete Wahl der Aufteilungsparameter, insbesondere durch geeignete Wahl des Spotabstands und der Leistungsverteilung zwischen dem Primärstrahl 10a und dem Sekundärstrahl 10b, um 19% bzw. um 23% gesteigert werden.
Die maximale Schneidgeschwindigkeit, die Oberflächenrauigkeit der Schnittfläche und die Bartbildung sind von einer Vielzahl von Parametern abhängig, unter anderem von der lokalen absorbierten Bestrahlungsstärke auf der Schneidfront. Für einen gezielten bzw. gesteuerten Energieeintrag des Bearbeitungslasers in die Bearbeitungszone wird daher gemäß der vorliegenden Erfindung in einem Verfahren zum Schneiden eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls der Laserstrahl durch ein Strahlformungselement in einen Primärstrahl und mindestens einen Sekundärstrahl aufgeteilt, und der Primärstrahl und der Sekundärstrahl werden entlang eines Schneidpfads eingestrahlt, um eine Schnittfuge auszubilden, wobei der Sekundärstrahl dem Primärstrahl nachfolgt. Durch Einstellen mindestens eines der Aufteilungsparameter in Abhängigkeit von zumindest einem Prozessparameter kann der Laserschneidprozess in Bezug auf eine maximale Schneidgeschwindigkeit und/oder eine minimale Oberflächenrauigkeit der Schnittfläche optimiert werden, insbesondere bei Materialstärken bzw. Schnitttiefen größer als 1 mm bzw. insbesondere größer als oder gleich 10 mm. Somit kann eine präzise und saubere Ausbildung der Schnittfuge auch bei einer höheren Schneidgeschwindigkeit ermöglicht werden, wobei das Strahlformungselement präzise einstellbar ist und kostengünstig bereitgestellt werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 20020088784 A1 [0003]
US 6664504 B2 [0003]
DE 112014006673 T5 [0004]
WO 2016029396 A1 [0004]
DE 102008053397 A1 [0005]
DE 102019108681 A1 [0006]
DE 102018205545 A1 [0007]

Claims

Verfahren zum Schneiden eines Werkstücks (1) mittels eines Laserstrahls (10), umfassend: Aufteilen des Laserstrahls (10) durch ein Strahlformungselement (400) in einen Primärstrahl (10a) und mindestens einen Sekundärstrahl (10b); und Einstrahlen des Primärstrahls (10a) und des Sekundärstrahls (10b) entlang eines Schneidpfads, um eine Schnittfuge (3) auszubilden, wobei der Sekundärstrahl (10b) dem Primärstrahl (10a) nachfolgt, wobei in Abhängigkeit von zumindest einem Prozessparameter zumindest ein Aufteilungsparameter für das Aufteilen des Laserstrahls (10) eingestellt wird, und wobei der zumindest eine Aufteilungsparameter umfasst: eine Anzahl der Sekundärstrahlen (10b), eine Fokuslage des Primärstrahls (10a) und/oder des Sekundärstrahls (10b), ein Fokusdurchmesser des Primärstrahls (10a) und/oder des Sekundärstrahls (10b), eine Leistung des Primärstrahls (10a) und/oder des Sekundärstrahls (10b), eine Leistungsverteilung zwischen dem Primärstrahl (10a) und dem mindestens einen Sekundärstrahl (10b) und einen Abstand zwischen dem Primärstrahl (10a) und dem mindestens einen Sekundärstrahl (10b).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei zumindest einer der Aufteilungsparameter eingestellt wird in Abhängigkeit von zumindest einem der folgenden Prozessparameter: einer Schneidgeschwindigkeit (s), einem Abstand zum Werkstück (1), eine Düsenart, eine Düsengeometrie, ein Düsenöffnungsdurchmesser, ein Strahlparameterprodukt des nicht-aufgeteilten Laserstrahls (10), ein Divergenzwinkel des nicht-aufgeteilten Laserstrahls (10), ein Faserdurchmesser des Lichtleitkabels, eine Laserleistung des nicht-aufgeteilten Laserstrahls (10), eine Puls-An-Zeit des nicht-aufgeteilten Laserstrahls (10), eine Puls-Aus-Zeit des nicht-aufgeteilten Laserstrahls (10), eine Pulsspitzenleistung des nicht-aufgeteilten Laserstrahls (10), einer Materialstärke des Werkstücks (1), einer Materialart oder einem Material des Werkstücks (1), einem Abbildungsverhältnis eines optischen Systems (110, 120) einer den Primärstrahl (10a) und den Sekundärstrahl (10b) einstrahlenden Laserbearbeitungsvorrichtung, einer Fokuslage des nicht-aufgeteilten Laserstrahls (10), einem Fokusdurchmesser des nicht-aufgeteilten Laserstrahls (10), einem lokalen Einfallswinkel (θ) an der Schneidfront (2), einem Prozessgas, einer Prozessgasart, einem Prozessgasdruck, einer Schnitttiefe, und einer maximalen Schnitttiefe, ab der unregelmäßige Riefen (4) auf der Schnittfläche gebildet werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Strahlformungselement (400) ein brechendes optisches Element und/oder ein nicht-polarisierendes, brechendes optisches Element ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Einstellen des zumindest einen Aufteilungsparameters durch Bewegen des Strahlformungselements (400) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Aufteilung des Laserstrahls (10) in den Primärstrahl (10a) und den zumindest einen Sekundärstrahl (10b) durch das Strahlformungselement (400) ein- und ausschaltbar ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Strahlformungselement (400) aus dem Strahlengang des Laserstrahls (10) herausbewegbar und in den Strahlengang des Laserstrahls (10) hineinbewegbar ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Strahlformungselement (400) mindestens eine lichtbrechende Platte (400`) umfasst, die in einem Teilquerschnitt des Laserstrahls (10) angeordnet ist, wobei der Primärstrahl (10a) die mindestens eine lichtbrechende Platte (400`) nicht durchläuft, wobei der mindestens eine Sekundärstrahl (10b) die mindestens eine lichtbrechende Platte (400`) entlang einer Ausbreitungsrichtung durchläuft.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Strahlformungselement (400) mindestens eine lichtbrechende Keilplatte (400`) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Keilwinkel (α) der Keilplatte (400`) im Bereich von 0,001 rad bis 0,1 rad liegt, bevorzugt im Bereich von 0,001 rad bis 0,01 rad oder von 0,0015 rad bis 0,00567 rad.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Strahlformungselement (400) mindestens eine lichtbrechende Platte umfasst, die an zumindest einer optischen Fläche einen Neigungswinkel (β) zu der Strahlebene (S) des einfallenden Laserstrahls (10) aufweist, wobei der Neigungswinkel (β) innerhalb eines Bereichs von -0,9 rad bis 0,9 rad eingestellt wird, bevorzugt innerhalb eines Bereichs von von -0,27 rad bis 0,27 rad.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Abstand (d) zwischen einem Laserspot (10s) des mindestens einen Sekundärstrahls (10b) und einem Laserspot (10p) des Primärstrahls (10a) entlang der der Schneidrichtung innerhalb eines Bereichs von 0,05 mm bis 4 mm eingestellt wird, bevorzugt innerhalb eines Bereichs von 0,225 mm bis 0,85 mm.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Leistungsanteil (P₁/P_ges) des Primärstrahls (10a) bezogen auf die Gesamtleistung (P_ges) des Primärstrahls (10a) und des mindestens einen Sekundärstrahls (10b) innerhalb eines Bereichs von 0,1 bis 0,9 eingestellt wird, bevorzugt innerhalb eines Bereichs von 0,2 bis 0,8.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Werkstück (1) ein metallisches Werkstück (1) ist, insbesondere aus einer Stahl-Legierung, Aluminium-Legierung, Kupfer-Legierung und/oder Messing-Legierung.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Verfahren ein Verfahren zum Laserschmelzschneiden und/oder ein Verfahren zum Laserbrennschneiden ist.
Laserbearbeitungsvorrichtung zum Schneiden eines Werkstücks (1) mittels eines Laserstrahls (10), umfassend: einen Laserbearbeitungskopf zum Einstrahlen eines Primärstrahls (10a) und mindestens eines Sekundärstrahls (10b) entlang eines Schneidpfads, um eine Schnittfuge (3) auszubilden, wobei der Laserbearbeitungskopf ein Strahlformungselement (400) zum Aufteilen des Laserstrahls (10) in den Primärstrahl (10a) und den mindestens einen Sekundärstrahl (10b) aufweist; und eine Steuereinheit (300), die eingerichtet ist, ein Verfahren gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche durchzuführen.