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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
sowie eine Vorrichtung zur Herstellung von Profilen aus Flachmaterial.
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Zum Herstellen von Profilmaterial,
wie bspw. Urprofilen, Rohren oder anderen Profilen wird häufig von
einem Flachmaterial ausgegangen, das mittels mechanischer Werkzeuge
in die gewünschte
geometrische Form gebracht wird. Das Umformen geschieht in der Regel
mittels eines kontinuierlichen Prozesses, bei dem abgelängtes Flachmaterial
oder Endlosmaterial, bspw. durch Profilierrollen geführt wird.
Die Profilierrollen verbiegen das Flach material dann lokal, so dass
das Flachmaterial beim Passieren der Profilrollen die gewünschte Form
erhält.
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Zum Ändern der gewünschten
Form ist der Austausch oder die Verstellung der beteiligten Profilrollen
erforderlich.
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Die Verstellung oder der Austausch
von Profilrollen ist häufig
unerwünscht.
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Davon ausgehend ist es Aufgabe der
Erfindung, ein flexibles Verfahren zur Herstellung von Langprofilen
sowie eine entsprechende Vorrichtung dazu zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren
gemäß Anspruch
1 sowie mit der Vorrichtung gemäß dem entsprechenden
Vorrichtungsanspruch gelöst.
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Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf einem
Laserbiegeverfahren, bei dem durch Erzeugung von extremen Temperaturgradienten
mittels Laserstrahl lokale Temperaturspannungen erzeugt werden,
so dass die elastisch-plastische Grenze des Materials überschritten
wird. Beim Abkühlen
erfolgt dann die Biegung des Materials vollständig ohne Werkzeugeinsatz (Freiformverfahren).
Dieses Grundprinzip wird beim Durchlauf von Flachmaterial in einem
kontinuierlichen Prozess vorzugsweise zur Umformung von Metallbändern (Blech)
angewendet. Das Material wird an einem Laserkopf vorbeigeführt, der
das Material lokal in einem linienförmigen Bereich erwärmt. Die
Erwärmung
ist derart schnell, dass in dem Blech ein sehr großer lokaler
Temperaturgradient entsteht, wobei die Erwärmung des Werkstücks insgesamt
jedoch gering bleibt. Der hohe Temperaturgradient hat hohe Temperaturspannungen
zur Folge, die sich spätestens
beim Abkühlen
des Werkstücks
in einer gewünschten
Verformung derselben niederschlagen. Der von dem Laserbrennfleck
beim Vorbeiführen
des Bandmaterials erwärmte
linienförmige
Bereich wird dadurch zu einer Biegekante. Ruht der Laserkopf und
wird das umzuformende streifenförmige
Material in Längsrichtung
gradlinig vorbeigeführt,
ist die entstehende Biegekante parallel zu der Längsrichtung des Langprofils
ausgerichtet. Auf diese Weise können
Winkelprofile, U-Profile, Wannenprofile, mehreckige Rohrprofile
oder ähnliche
Profile erhalten werden. Der Laserkkopf kann so bewegt werden, dass
sein Brennfleck „Schlangenlinien" fährt. Die
entstehende Biegelinie ist dann gewellt.
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Die Seite, von der aus der Laserstrahl
auf das Flachmaterial eingewirkt hat, erhält eine konkave stumpfwinklige
Biegung. Sind mehrere Laserköpfe auf
ein und derselben Seite des Flachmaterial angeordnet, kann eine
insgesamt konkave Profilierung erreicht werden. Sollen Profile mit
wechselnden Biegerichtungen erzeugt werden, bspw. ein im Querschnitt W-förmiges Profil,
können
auch Laserköpfe
sowohl über
dem Blech als auch unter dem Blech, d.h. an beiden Flachseiten desselben
angeordnet werden.
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Bei einer weiter entwickelten Ausführungsform
der Erfindung enthält
die Laserumformanlage eine Regeleinrichtung zur Regulierung der
zum Biegen aufgewandten Laserleistung. Die Regulierung kann bei
gleichbleibender Bewegungsgeschwindigkeit durch Einflussnahme auf
die Laserleistung erfolgen. Alternativ kann die Regulierung bei
konstant gehaltener Laserleistung durch Änderung der Relativgeschwindigkeit
zwischen dem Material und dem Laserauftreffpunkt erfolgen. Alternativ
können
beide Parameter, nämlich
Materialgeschwindigkeit und Laserleistung geändert werden. Die Regulierung
kann mit dem Ziel erfolgen, den erzielten Biegewinkel konstant zu
halten.
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Dazu wird der Biegewinkel bezüglich der
Bewegungsrichtung des Materials hinter dem Laserauftreffpunkt gemessen
und mit einem Sollwert verglichen. Anhand der erhaltenen Abweichung
werden die Relativgeschwindigkeit und/oder die Laserleistung nachgestellt.
Damit lassen sich die üblicherweise
vorhandenen langwelligen Schwankungen von Materialeigenschaften
und Materialdicken ausgleichen.
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Werden die Laserköpfe bewegt während das Flachmaterial
vorbeigeführt
wird, können
nichtgerade, d.h. von der geraden Linienform abweichende Biegekanten
erzeugt werden. Beispielsweise können diese
zickzack-förmig
ausgebildet sein. Weiter ist es möglich, den Laserstrahl zu takten,
um unterbrochene Biegelinien zu erzeugen. Weiter ist es bedarfsweise
möglich,
einen oder mehrere der vorhandenen Laserköpfe mit einer Schneidfunktion
auszustatten, um mit diesem Laserkopf Schlitze oder Löcher in
das Flachmaterial zu schneiden. Hier ist es auch möglich, einen
ansonsten zum Biegen verwendeten Laserkopf durch kurzzeitige Umschaltung
seiner Leistungscharakteristik, seiner Fokussierung und/oder seiner
Gaszufuhr eine Schneidfunktion ausüben zu lassen.
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Zur Durchführung des Biegevorgangs wird das
zu biegende Flachmaterial vorzugsweise unmittelbar nach seiner punktuellen
(linienförmigen)
Erhitzung an einer Kühlstation
vorbeigeführt,
die dem Flachmaterial die zugeführte
Wärmeenergie
möglichst
vollständig
wieder entzieht. Damit wird die gewünschte Formänderung erreicht und gewissermaßen eingefroren.
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Es ist sowohl möglich mehrere verschiedene Biegelinien
zu erzeugen, als auch das Material in einem bereits gebogenen Bereich
nochmals zu biegen. Auf diese Weise können die bei einem Wärmebehandlungsvorgang
erzielten Biegewinkel addiert werden, so dass letztendlich scharf
gebogene Kanten zu erzeugen sind. Werden hingegen größere Biegeradien
gewünscht,
können
mehrere Biegekanten in geringem Abstand nebeneinander angeordnet
werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet die
Verformung des Werkstücks
und somit die Herstellung der gewünschten Form ohne äußere mechanische
Krafteinwirkung und somit ohne Werkzeuge. Die gewünschte Form
wird allein durch entsprechende Positionierung der beteiligten Laserköpfe erreicht. Dies
kann mit einer ein- oder mehrachsigen Positioniereinrichtung schnell
und computergesteuert geschehen, so dass eine flexible Fertigung
möglich
ist.
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Das Verfahren wird in einem kontinuierlichen Prozess
durchgeführt,
so das Endlosmaterial bearbeitbar ist. Es entsteht eine konstante
Biegeform. Der Vorschub des Endlosmaterials wird vorzugsweise über Rollen
oder eine anderweitige Vorschubeinrichtung bewirkt, die bezüglich der
Durchlaufrichtung des Materials vor den Laserköpfen angeordnet ist. Sie wirkt
deshalb auf das unverformte Materials und muss auch bei Änderung
des gewünschten
Profils nicht verstellt werden.
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Die entsprechende Vorrichtung weist
wenigstens einen Laserkopf auf, der hinsichtlich der Leistungsdichte
in seinem Brennfleck so eingestellt oder so justierbar ist, dass
im mit gegebener Geschwindigkeit vorbeigeführtem Blech ein Temperaturgradient
erzeugt wird, der hohe mechanische Spannungen hervorruft. Der Laserkopf
und die Vorschubeinrichtung unterstehen dabei einer zentralen Steuerung,
die anhand der gewünschten
Werkstückform und
den Eigenschaften des Ausgangsmaterials die Positionierung der Laserköpfe, deren
Leistungseinstellung und die Regulierung der Vorschubgeschwindigkeit übernimmt.
Die Laser arbeiten dabei vorzugsweise im Dauerbetrieb. Alternativ
können
sie auch gepulst werden, wobei die erhitzten Bereiche vorzugsweise
aneinander anschließen,
wenn eine durchgehende Biegelinie erzeugt werden soll.
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Vorteilhafte Einzelheiten von Ausführungsformen
der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung veranschaulicht. Es zeigen:
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1 eine
werkzeugfreie Laserumformanlage für Bandmaterial in schematischer
perspektivischer Darstellung;
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2 ein
Metallband während
seiner Umformphase in Draufsicht in schematisierter Darstellung;
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3 das
Werkstück
nach 2, geschnitten
entlang der Linie III-III;
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4 das
Werkstück
nach 2, geschnitten
entlang der Linie IV-IV;
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5 das
Werkstück
nach 2, geschnitten
entlang der Linie V-V;
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6 ein
Werkstück
in einer anderweitig eingestellten Laserumformanlage in quergeschnittener Darstellung
und
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7 das
Werkstück
im Bereich seines Brennflecks in schematisierter perspektivischer
und vergrößerter Darstellung.
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In 1 ist
eine Laserumformanlage 1 veranschaulicht, die zur Herstellung
von Profilmaterial 2 aus Bandmaterial 3 dient.
Das Bandmaterial 3 ist ein flacher Blechstreifen, der bspw.
auf handliche Längen
abgelenkt oder als Wickel, d.h. gewissermaßen Endlosmaterial bereitgestellt
ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
soll mit der Laserumformanlage 1 ein flaches wannenförmiges Profil
erzeugt werden.
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Die Laserumformanlage 1 weist
mindestens einen Laserkopf 4, vorzugsweise aber mehrere
Laserköpfe 4, 5 auf,
die über
entsprechende Lichtleitmittel 6, 7 mit einer Laserlichtquelle 8 verbunden sind.
Die Laserlichtquelle 8 enthält wenigstens einen Laser,
z.B. einen CO2-Laser, und entsprechende
optische Einrichtungen zur gleichzeitigen Versorgung der Lichtleitmittel 6, 7 und
somit der Laserköpfe 4, 5 mit
Laserenergie.
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Abweichend kann für jeden Laserkopf 4, 5 auch
jeweils ein eigener Laser vorgesehen sein.
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Die Laserköpfe 4, 5 erzeugen
jeweils einen Laserstrahl 11, 12, der auf das
Profilmaterial 2 gerichtet ist und dort einen Brennfleck 14, 15 erzeugt.
Der Brennfleck ist so eingestellt, dass, wie 7 zeigt, ein dem Laserkopf 4 bzw.
5 zugewandter Teil 16, auf eine Temperatur erwärmt wird,
die so bemessen ist, dass die sich einstellenden Temperaturspannungen über der
Warmfließgrenze
des Materials liegen. Dem Laserstrahl abgewandte Teil 17 wird
hingegen kaum erwärmt.
Dadurch werden zwischen den Teilen 16, 17 sowie
zwischen dem Teil 16 und dem benachbarten Bereichen 18, 19 jeweils
ein sehr hoher Temperaturgradient (Temperaturgefälle) und entsprechend hohe
Temperaturspannungen erzeugt. Dies wird durch eine entsprechende
Abstimmung der Vorschubgeschwindigkeit und der Leistungsdichte in dem
Brennfleck 14, 15 auf die Materialeigenschaften erreicht.
Vorzugsweise wird mit relativ hoher Leistungsdichte und hoher Vorschubgeschwindigkeit
gearbeitet, um eine so schnelle Erwärmung zu erzielen, dass nur
wenig Wärme
aus dem Teil 16 in den Teil 17 übertragen
wird.
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Die Laserköpfe 4, 5 sind
jeweils über
eine Positioniereinrichtung 21, 22 ortsverstellbar,
jedoch in Betrieb vorzugsweise ortsfest gehalten. Die Positioniereinrichtungen 21, 22 sind
untereinander gleich aufgebaut. Die folgende Beschreibung für die Positioniereinrichtung 21 gilt
entsprechend für
die Positioniereinrichtung 22:
Die Positioniereinrichtung 21 ist
mehrachsig ausgebildet. In 1 ist
eine quer zu dem Profilmaterial 2 ausgerichtete Führungseinrichtung 23 veranschaulicht.
An dieser ist ein Schlitten 24 in Querrichtung Q verschiebbar
gelagert. Der Schlitten 24 kann somit parallel zu der Flachseite
des Bandmaterials 3 und quer zu dessen Bewegungsrichtung
verfahren werden. Er trägt
eine Schwenkeinrichtung 25, die ihrerseits den Laserkopf 4 trägt. Die
Schwenkeinrichtung 25 gestattet die Verschwenkung des Laserkopfs 4 um eine
sich parallel zu der Längs-
und Bewegungsrichtung des Bandmaterials 3 erstreckende
Achse 26, wie in 1 durch
einen Pfeil 27 angedeutet ist.
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Zusätzlich kann die Führungseinrichtung 23 eine
Höhen-
oder Abstandsverstellung gestatten, mit der der Abstand zwischen
dem Laserkopf 4 und dem Bandmaterial 3 verstellbar
ist. Eine solche Höhen- oder
Abstandsverstellung wird bspw. durch eine Vertikalpositioniereinrichtung 28 oder
eine anderweitige Verstelleinrichtung geboten.
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Die Laserköpfe 4, 5 bilden
Laserstationen, an denen das Bandmaterial 3 (Flachmaterial)
vorbeigeführt
wird. Zusätzlich
sind Kühlstationen 29, 30 vorgesehen,
die vorzugsweise in unmittelbarer Nachbarschaft zu den Laserköpfen 4, 5 und
in deren Spur angeordnet sind. Sie erzeugen einen Fluidstrahl (bspw.
Kühlgas
oder auch eine Flüssigkeit),
der in einem Kühlfleck 31, 32 auf
das Werkstück
trifft. Der Kühlfleck 31, 32 ist
dabei so angeordnet, dass der von dem Laserstrahl 11, 12 erhitzte
Bereich durch den Kühlfleck 31, 32 läuft. Die
Kühlstation 29, 30 wird bspw.
durch ein jeweils geeignet ausgebildete Düse gebildet, die mit dem Kühlfluid
beaufschlagt und mit dem Laserkopf 4, 5 verbunden
ist. Die Positioniereinrichtungen 21, 22 tragen
somit sowohl die Laserköpfe 4, 5,
als auch die Kühlstationen 29, 30.
Auf diese Weise bewirkt eine Positionierung des Laserkopf automatisch
auch die erforderliche Positionierung der Kühlstation. Somit wird sichergestellt,
dass der Kühlfleck 31, 32 bei
Verstellung des Laserkopfs 4, 5 jeweils auch den
richtigen, nämlich
den erhitzten Bereich des Werkstücks
trifft.
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Ergänzend kann eine Kühlstation 33 vorgesehen
sein, die dem Laserkopf 4 gegenüberliegend angeordnet ist.
In 1 ist diese Kühlstation 33 lediglich
schematisch angedeutet. Sie kann durch eine Düse gebildet sein, die Kühlfluid
auf die Unterseite, d.h. die dem Laserstrahl 11 gegenüberliegende
Seite des Werkstücks
leitet. Auf diese Weise können
die zu erzeugende Temperaturspannungen noch erhöht werden. Eine entsprechende
Kühlstation
kann auch dem Laserkopf 5 gegenüberliegend angeordnet sein.
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Die beiden Laserköpfe 4, 5 sind
jeweils auf der gleichen Seite des Bandmaterials 3, d.h.
in 1 von der Oberseite
her wirkend angeordnet. Alternativ oder ergänzend kann, wenigstens ein
Laserkopf vorgesehen sein, der von der Unterseite her, d.h. von der
Gegenseite auf das Bandmaterial 3 einwirkt. 1 veranschaulicht einen
solchen Laserkopf 34 lediglich schematisch. Auch dieser
Laserkopf 34 kann wiederum über eine eigene Positioniereinrichtung
gehalten und eingestellt werden. Er ermöglicht die Herstellung von
ein oder mehrfach gegensinnig gebogenen Profilen.
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Zu der Laserumformanlage 1 gehört außerdem eine
Vorschubeinrichtung 36, die vorzugsweise vor den Laserköpfen 4, 5 angeordnet
ist. Sie kann bspw. aus zwei einander zugeordneten angetriebenen
Walzen 37, 38 bestehen, zwischen denen das Bandmaterial
in einer Transportrichtung T gefördert wird,
die mit der Längsrichtung
des Bandmaterials 3 übereinstimmt.
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Die insoweit beschriebene Laserumformanlage 1 arbeitet
wie folgt: In Betrieb fördert
die Vorschubeinrichtung 36 Bandmaterial 3 mit
konstanter Geschwindigkeit fortwährend.
Die Laserköpfe 4, 5 sind
so eingestellt, dass ihre Brennflecken 14, 15 an den
Stellen auf das Bandmaterial 3 treffen, an denen Biegelinien
zu erzeugen sind. Die Laserleistung ist dabei so eingestellt, dass,
wie 7 veranschaulicht,
der von dem Brennfleck 14 erfasste Teil 16 so erwärmt wird,
dass die erzeugten Temperaturspannungen lokal die Fließgrenze
des Materials überschreiten.
Beispielsweise werden bei Verwendung von Eisenmetallen Temperaturen
zwischen 600° und 1500° erzeugt.
Es ist sowohl möglich,
das Material bis nahe an seine Erweichungstemperatur heran zu erwärmen, als
auch es partiell zu schmelzen. Die Fördergeschwindigkeit ist dabei
so auf den Energieeintrag eingestellt, dass die Unterseite des Blechs seine
Temperatur unverändert
beibehält,
d.h. zu mindest unterhalb einer Temperatur von 200°C bis 300°C bleibt.
Bedarfsweise kann dies durch eine Kühleinrichtung erreicht werde.
Diese kann die Rückseite
z.B. mit Kühlfluiden
beaufschlagen.
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Bei Materialstärken von bspw. 1 mm entstehen
auf engstem Raum (kleiner 1 mm) Temperaturgefälle um mehrere 100°C. Diese
haben eine Temperaturausdehnung des Bereichs 16 zur Folge,
die wesentlich größer ist,
als die des Bereichs 17. In Folge der erhöhten Temperatur
in dem Bereich 16 kommt es hierdurch zur Materialverdrängung und
plastischer Verformung. Sobald das Material jedoch den Brennfleck 14 verlässt und
abzukühlen
beginnt, zieht es sich, wie in 7 durch
Pfeile 41, 42 veranschaulicht zusammen. Dieser
Kontraktion kann der Bereich 17, der nicht wesentlich erwärmt war,
nicht folgen, so dass infolge der auftretenden lokalen Spannungen eine
Biegung in Richtung der Pfeile 41, 42 erfolgt.
Mit anderen Worten: Die von dem Brennfleck 14 hinterlassene
Spur bildet eine konkav gebogene Rinne. Dieser Vorgang ist nochmals
in 2 veranschaulicht.
An den Brennfleck 14 schließt sich ein Abkühlbereich 43 an,
in dem das Flachmaterial 3 eine Biegung erfährt. Wie
in 2 veranschaulicht,
wölbt sich
der Rand des Materials auf. Dies lassen auch die 3 und 4 erkennen.
Während 3 noch das vollkommene ebene
Bandmaterial 3 veranschaulicht ist aus 4 ersichtlich, wie sich die Ränder 44, 45 des Materials
gegenüber
dem sonstigen Material abgewinkelt haben. Aus der Spur der Brennflecken 14, 15 sind
Biegekanten 46, 47 geworden. Die in das Material
eingeleiteten Spannungen sind thermisch erzeugt und nicht mechanisch,
etwa durch Rollen oder Kufen oder dergl. von außen eingeleitet. Jedoch können solche
Elemente zu Unterstützung
des Umformvorgangs vorgesehen werden.
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Soll die Biegung noch vergrößert werden, kann
die Biegebehandlung wiederholt werden. Dazu können weitere Laserköpfe vorgesehen
sein, die wiederum die Biegekanten 46, 47 oder
knapp neben diesen liegende Linien 46a, 47a erhitzen.
In 2 sind entsprechende
Brennflecken 49, 50 veranschaulicht, auf die jeweils
ein Abkühlbereich 51 folgt.
Entsprechend können
die Biegewinkel vergrößert werden, wie 5 veranschaulicht. Es können Biegeradien erzeugt
werden, die geringer sind, als auf mechanischem Wege ohne Materialschädigung möglich. Auch
bei vergleichsweise spröden,
schlecht zu biegenden Metallen, die zur Rissbildung neigen, können scharfe
Biegekanten erzeugt werden.
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Mit der Anordnung von Laserköpfen 4, 5 auf einer
Seite des Bandmaterials 3 kann, wie die 1 bis 5 veranschaulichen,
ein einseitig gebogenes (konkaves) Profil erzeugt werden. 6 veranschaulicht ein konkav
konvexes Profil, das mittels zweier Laserköpfe 4, 5 von
oben gesehen konkave Biegekanten erhält, während ein Laserkopf 34 von
der Gegenseite wirkend eine von oben gesehen konvexe Biegekante
erzeugt.
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Bei einer weiter verfeinerten Ausführungsform
kann, wie aus 1 hervorgeht,
ein Regelkreis vorgesehen sein, zu dem eine Steuereinrichtung 52 und
eine Messeinrichtung 53 gehören. Die Messeinrichtung 53 dient
zur Messung des von dem Laserkopf 4 erzeugten Biegewinkels
und ist beispielsweise eine Tasteinrichtung. Sie ist bezüglich der
Bewegungsrichtung des Profilmaterials 2 stromabwärtig zu dem
Laserkopf 4 angeordnet. Alternativ oder zusätzlich kann
eine entsprechende Messeinrichtung hinter dem Laserkopf 5 vorgesehen
sein. Die Messeinrichtung 53 ist an die Steuereinrichtung 52 angeschlossen,
die ihrerseits den Laser 8 und/oder die Vorschubeinrichtung 36 und/oder
den Laserkopf 4 und/oder 5 steuert. Die Steuerung erfolgt
in Form einer Regelung in der Weise, dass die Transportgeschwindigkeit des
Profilmaterials 2 erhöht
und/oder die Laserleistung des Lasers 8 herabgesetzt wird,
wenn der gemessene Winkel größer ist
als gewünscht.
Ist der Winkel hingegen zu gering, wird die Transportgeschwindigkeit
des Profilmaterials 2 vermindert und/oder die Leistung
des Lasers 8 heraufgesetzt. Alternativ kann der Fokus des
Laserkopfs 4, 5 vergrößert oder verkleinert werden.
Auf diese Weise lässt sich
der erzeugte Biegewinkel sehr genau einhalten. Der Betrieb der Anlage
ist unempfindlich gegen langfristige Änderungen der Materialeigenschaften
des Profilmaterials 2 oder seiner Wandstärke.
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Die vorgestellte Laserumformanlage
gestattet die Erzeugung von Endlosprofilen oder Langprofilen aus
Flachmaterial ohne Zuhilfenahme mechanischer Werkzeuge. Die erzielte
Verformung beruht allein auf der Erzeugung von Temperaturspannungen mittels
Lasereinwirkung und nachfolgender Abkühlung des Materials. Die Bearbeitung
erfolgt in kontinuierlichem Durchlauf bei ruhenden Laserköpfen und gleichförmig, d.h.
mit konstanter Geschwindigkeit bewegtem Material.
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Die Einstellung der gewünschten
Biegeformen erfolgt allein durch Positionierung der Laserköpfe und
Leistungseinstellung derselben sowie ggf. durch die Regulierung
der Vorschubgeschwindigkeit. Um verschiedene Formen zu erzeugen,
sind keine verschiedenen Werkzeuge erforderlich.