DE69915885T2

DE69915885T2 - Verfahren und vorrichtung zum entfernen von kleinen ausgeschnittenen stücken aus einem laserschneidverfahren

Info

Publication number: DE69915885T2
Application number: DE69915885T
Authority: DE
Inventors: Sven-Olov Roos; Ulf Sandström; Daniel Bengtsson
Original assignee: Permanova Lasersystem AB
Current assignee: Permanova Lasersystem AB
Priority date: 1998-10-01
Filing date: 1999-09-23
Publication date: 2005-03-03
Anticipated expiration: 2019-09-24
Also published as: ATE262390T1; SE9803329D0; WO2000020159A1; SE521840C2; EP1146990B1; SE9803329L; DE69915885D1; EP1146990A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Entfernen von kleinen ausgeschnittenen Teilen oder Abfall beim Schneiden von Löchern und anderen kleinen Öffnungen in einem Werkstück mittels, eines Schneidelaserstrahls.
Laserschneiden hat sich als ein flexibles und kraftvolles Werkzeug zum Beispiel in der Automobilindustrie etabliert. Flexibles Schneiden verschiedener Löcher zu einem späten Zeitpunkt im Fertigungszyklus hat ein großes Potential.
Beim Laserschneiden wird ein Laserstrahl auf dem Werkstück mittels einer Linse oder eines Spiegels fokussiert. Aufgrund der hohen Energie des fokussierten Laserstrahls wird das Material in dem Werkstück in dem Schneidepunkt verdampft. Durch Bewegen des Laserstrahls in bezug zum Werkstück können Löcher und andere Öffnungen mit der gewünschten Konfiguration aus dem Werkstück, zum Beispiel einem Autogehäuse-Metallblech ausgeschnitten werden. Positionieren und Bewegen des Laserstrahls in bezug zum Werkstück wird oft mittels eines Industrieroboters durchgeführt.
Es ist erforderlich, das mittlere Abfallstück oder ein anderes ausgeschnittenes Stück nach dem Ausschneiden zu entsorgen, so dass es nicht in dem fertigen Produkt belassen wird, wo es die Funktion des Produkts beeinträchtigen könnte. Momentan gibt es kein zufriedenstellendes Verfahren zum Entsorgen von solchem Abfall. Da die Abfallstücke gewöhnlich klein sind, typischerweise um 1 cm², und einfach in einer unkontrollierbaren Weise verstreut werden, nachdem sie aus dem Werkstück ausgeschnitten wurden, ist es in der Praxis notwendig gewesen, sie mehr oder weniger manuell zu handhaben.
Normalerweise wird ein Gasfluss durch die Schneidedüse koaxial mit dem Laserstrahl vorgesehen, was es noch schwieriger macht, die Abfallteile zu entfernen. Das Gas selbst ist entweder ein aktives Gas, wie zum Beispiel Sauerstoff, oder ein passives Gas, gewöhnlich Stickstoff. Der Druck in der Düse beträgt normalerweise zwischen 3–20 bar, der höhere Druck wird dann beim Schneiden mit einem passiven Gas verwendet, während der niedrigere Druck beim Schneiden mit einem aktiven Gas verwendet wird. Die Auslassöffnung der Düse hat gewöhnlich einen Durchmesser von etwa 1 mm. Um den Schneidepunkt herum wird daher das Werkstück (Metallblech) einer Kraft von etwa 2 N bei einem Druck von 20 bar ausgesetzt. Ein solcher Gasfluss ist zum Wegblasen von geschmolzenem, überflüssigem Material erforderlich, das um den Schneidepunkt herum erzeugt wird, so dass die Schneideflächen sauber und glatt gehalten werden.
Wenn eine kleine Scheibe aus dem Werkstück herausgeschnitten wurde, wirkt im wesentlichen die Hälfte der genannten Kraft auf die Scheibe ein und macht die ausgeschnittene Scheibe noch unkontrollierbarer. Daher gestaltet der koaxial angeordnete Gasfluss es schwieriger, den Abfall in einer sicheren Weise zu entfernen.
Da die ausgeschnittenen Stücke vergleichsweise klein sind, können sie sich einfach in unzugänglichen Ecken des bearbeiteten Produkts festsetzen oder dort verschwinden. Es sollte daher verstanden werden, dass eine solche manuelle Handhabung des Abfalls oder mittels von Robotern kaum in einer sicheren Weise reproduziert werden kann.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung, die den Abfall und kleine ausgeschnittene Stücke entfernen, welche beim Herstellen von Löchern in dem Werkstück erzeugt werden, in solcher Weise, dass ein Herunterfallen derselben in das bearbeitete Produkt verhindert wird, wo sie die Funktion des fertigen Produkts beeinträchtigen könnten.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung, die umkompliziert sind, jedoch dennoch ein hohes Ausmaß von Repro duzierbarkeit in bezug auf die Handhabung der kleinen ausgeschnittenen Stücke aufweisen, und die nicht das Laseroptiksystem oder den koaxialen Gasfluss behindern.
Der Erfindung zufolge wird eine Saugkraft über dem vom Laserstrahl auszuschneidenden Bereich angelegt, wobei die Kraft asymmetrisch in Bezug auf den Laserstrahl angelegt wird, und das Schneiden eines Bereichs wird derart ausgeführt, dass bei Beendigung des Schneidens des Bereichs im wesentlichen der gesamte ausgeschnittene Bereich von der Saugkraft abgedeckt wird.
Die Saugkraft wird in solcher Weise in Bezug zu dem Schneidelaserstrahl angelegt, dass der Schneidepunkt des Laserstrahls während des Schneidevorgangs nahe dem Rand (Umfangsbereich) der von der Saugkraft auf dem Werkstück gebildeten Kontur (Saugbereich) liegt.
Das Dokument AT-B-402 169 offenbart eine ähnliche Vorrichtung zum Entfernen von geschmolzenem, ausgeschnittenem Material von einem Laserschneideprozess. Es gibt jedoch keine Angabe, dass das ausgeschnittene Material tatsächlich durch die Saugvorrichtung entfernt wurde.
Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung sind in den Ansprüchen 1 und 2 definiert und dadurch gekennzeichnet, dass ein Metalldetektor oder ein Ratterdetektor in Verbindung mit der Saugvorrichtung bzw. einem Behälter zum Auffangen des von der Saugvorrichtung entfernten ausgeschnittenen Abfalls vorgesehen ist zur Anzeige, dass der ausgeschnittene Teil tatsächlich von der Saugvorrichtung entfernt worden ist.
Einer bevorzugten Ausführungsform zufolge, weist die Saugvorrichtung eine Aussparung für die Schneidedüse auf derart, dass sie der Bewegung der Schneidedüse relativ zu dem Werkstück während des Schneidevorgangs folgt.
Im Folgenden soll ein Beispiel der Erfindung detaillierter unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden, in denen:
1 eine Düse für Laserschneiden in einem Werkstück darstellt,
2 die Düse zusammen mit einer Saugvorrichtung gemäß der Erfindung darstellt, und
3 den Prozess beim Ausschneiden einer kleinen, runden Scheibe darstellt.
1 stellt schematisch eine Düse 4 für Laserschneiden in einem Werkstück 2, zum Beispiel einem Metallblechteil für ein Auto dar. Mittels der Düse wird der ankommende Laserstrahl 1 auf dem Werkstück 2 mittels einer Linse 3 oder eines Spiegels fokussiert. Der fokussierte Laserstrahl trifft auf das Werkstück in einem Schneidepunkt 7 auf und durch Bewegen der Düse in bezug zum Werkstück 2 können Bereiche mit einer gewünschten Konfiguration aus dem Metallblech herausgeschnitten werden. In der Figur ist eine Schneidelinie 8 nach einer Querbewegung zwischen dem Werkstück und der Schneidedüse dargestellt. Der Laserschneidevorgang wird oft zum Ausschneiden kleiner sogenannter Varianzlöcher in das Metallblech zu einem späten Zeitpunkt im Fertigungszyklus eines Autos verwendet, in welchem Fall das ausgeschnittene Stück die Form einer Scheibe von ungefähr 1 cm² aufweist. Es ist in dieser Phase des Fertigungsprozesses äußerst wichtig, dass keine losen Abfallstücke zurückgelassen werden, da solche Stücke die Funktion des fertiggestellten Produkts beeinträchtigen können.
Die Düse umfasst ein Einlassrohr 10 für Anschluss an eine Gasquelle zum Liefern eines Gasflusses koaxial mit dem Laserstrahl, der durch die Öffnung 9 in der Düse 9 austritt. Wie bereits erwähnt, beträgt der Gasdruck in der Düse ungefähr 3–20 bar abhängig von dem verwendeten Gas. Die Düsenrohröffnung 9 hat in diesem Fall einen Durchmesser von etwa 1 mm. Dies bedeutet, dass der Bereich des Werkstücks (Metallblech) um den Schneidepunkt einer Kraft von etwa 2 N bei einem Gasdruck von 20 bar ausgesetzt wird. Wenn eine kleine Scheibe durch den Laserstrahl ausgeschnitten worden ist, wirkt etwa die Hälfte der Kraft auf die Scheibe und die Hälfte der Kraft auf das restliche Grundmaterial ein. Wie auch im Einführungsteil der Beschreibung erwähnt ist, bewirkt diese Kraft ein Wegschleudern der Scheibe in einer unkontrollierbaren Weise.
Der Erfindung zufolge wird die Saugvorrichtung 5 über dem ausgeschnittenen Bereich in Verbindung mit der Schneidedüse 4 so angebracht, dass eine entgegengesetzte Kraft auf das Werkstück 2 einwirkt. Die Saugvorrichtung ist schematisch in 2 in Form eines geneigten Saugrohrs mit einer Saugdüse oder Öffnung 6 dargestellt, die nahe und parallel zu dem Werkstück angeordnet ist, so dass nur ein kleiner Spalt zwischen der Saugoberfläche und dem Werkstück gebildet wird, um einen ausreichenden niedrigen Druck in der Saugvorrichtung zu liefern. Die Spaltbreite beträgt daher 1 mm oder weniger. Die durch die Öffnung bewirkte effektive Saugfläche sollte groß genug sein, um den ausgeschnittenen Bereich zu überdecken. Das Saugrohr umfasst vorzugsweise einen kreisförmigen Abschnitt mit einem etwas größeren Durchmesser als der Durchmesser der Scheibe oder eines anderen, durch das Saugrohr zu entfernenden ausgeschnittenen Teils, d. h. im Bereich von etwa 1 oder wenigen cm². Aufgrund der Neigung bildet der Vorsprung der Saugvorrichtungsöffnung auf der Basis (Werkstück) eine elliptische Kontur 6', wie in 3 dargestellt ist. Ein Unterdruck von etwa 0,5 bar kann in einer Saugvorrichtung dieses Typs leicht erreicht werden. Da die Scheibe eine typische Größe von 1 cm² hat, beträgt die Saugkraft um 5 N. Dies bedeutet, dass die Saugkraft etwa das 5-fache der Druckkraft von dem Gasfluss beträgt. Eine Notwendigkeit für eine richtige Funktion ist die asymmetrische Anordnung der Saugvorrichtung in Bezug zum Laserstrahl, so dass die Saugkraft auf der Scheibe für eine ausreichend lange Zeit aufrechterhalten werden kann, um die Scheibe von dem Einfluss des koaxialen Gasflusses wegzubewegen.
Wie in 2 dargestellt ist, ist die Saugvorrichtung 5 daher auf der Seite der Schneidedüse 4 in solcher Weise angeordnet, dass der Schneidepunkt 7 nahe dem Rand der Öffnung 6 des Saugrohrs angeordnet ist. Dies wird durch eine Aussparung 11 für die Schneidedüse 9 in der Wand des Saugrohrs erreicht. Verglichen mit dem Werkstück 2 ist der Schneidepunkt 7 dann in dem Umfangsteil der Kontur 6' angeordnet, die durch die Saugöffnung auf der Basis (Werkstück) gebildet wird. Zum Aufrechterhalten des benötigten niedrigen Drucks in dem Saugrohr wird die Aussparung gegen die Schneidedüse festgezogen. Darüber hinaus hängt die Größe und die Anordnung der Ausnehmung von der Neigung des Saugrohrs und dem verfügbaren Raum in Verbindung mit der Schneidedüse ab.
Wenn die Saugvorrichtung an der Schneidedüse 4 befestigt ist, folgt sie der Bewegung der Schneidedüse in bezug zum Werkstück. Ein Vorgang zum Ausschneiden einer kreisförmigen Scheibe ist in 3 dargestellt zusammen mit der Kontur 6' der Saugöffnung und der Kontur 9' der Schneidedüse. In 3A hat das Ausschneiden der Scheibe gerade begonnen, wobei ein Viertel des Schneidewegs 8 fertiggestellt ist. In 3B ist die Hälfte des Schneidewegs fertiggestellt worden und in 3C ist der Schneidevorgang fast abgeschlossen. In dieser Position ist die ausgeschnittene Scheibe vollständig von der Saugöffnung überdeckt. Der Erfindung zufolge wird der Schneidevorgang in solcher Weise durchgeführt, dass er abgeschlossen ist, wenn die Saugöffnung vollständig die Scheibe bedeckt. Durch Versuche ist bewiesen worden, dass diese Technik zum Entfernen der ausgeschnittenen Scheiben durch die Saugvorrichtung ein hohes Ausmaß von Vorhersagbarkeit aufweist.
Zum Anzeigen, dass die Scheibe tatsächlich aufgesaugt worden ist, ist entweder ein Metalldetektor an dem Saugrohr angeordnet oder ein Ratterdetektor ist in dem Saugbehälter angeordnet. Die Saugvorrichtung besteht aus einem nichtleitenden Material, zum Beispiel einem Kunststoff- oder Keramikmaterial, so dass Kapazitätssteuermittel für die Schneideoptik verwendet werden könnten.
Die Erfindung ist nicht auf das Beispiel begrenzt, das hier beschrieben wurde, sondern kann innerhalb des Umfangs der folgenden Patentansprüche variiert werden.

Claims

Verfahren zum Entfernen von kleinen ausgeschnittenen Teilen beim Schneiden von Löchern und anderen kleineren Öffnungen in einem Werkstück mittels eines Schneidelaserstrahls, wobei eine Saugkraft über dem vom Laserstrahl auszuschneidenden Bereich angelegt wird, wobei die Kraft asymmetrisch in Bezug auf den Schneidelaserstrahl angelegt wird, derart, dass der Schneidepunkt des Laserstrahls während des Schneidevorgangs nahe dem Rand der von der Saugkraft auf dem Werkstück gebildeten Kontur liegt und wobei das Ausschneiden eines Bereichs derart ausgeführt wird, dass bei Beendigung des Schneidens des Bereichs im wesentlichen der gesamte ausgeschnittene Bereich von der Saugkraft abgedeckt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Metalldetektor oder ein Ratterdetektor in Verbindung mit der Saugvorrichtung bzw. einem Behälter zum Auffangen des von der Saugvorrichtung (5) entfernten ausgeschnitten Abfalls vorgesehen ist zur Anzeige, dass das ausgeschnitte Teil tatsächlich von der Saugvorrichtung entfernt worden ist.
Vorrichtung zum Entfernen von kleinen ausgeschnittenen Teilen beim Schneiden von Löchern und anderen kleineren Öffnungen in einem Werkstück (2) mittels eines Schneidelaserstrahls (1), umfassend eine Schneidedüse (4) mit einem koaxial um den Laserstrahl herum angeordnetem Gasstrom, eine Saugvorrichtung (5), die oberhalb des in dem Werkstück mittels des Laserstrahls auszuschneidenden Bereichs angeordnet und asymmetrisch relativ zu dem Laserstrahl angeordnet ist, derart, dass der Laserschneidepunkt (7) während des Schneidevorgangs nahe dem Rand der von dem Saugmundstück (6) auf dem Werkstück gebildeten Kontur liegt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Metalldetektor oder ein Ratterdetektor in Verbindung mit der Saugvorrichtung (5) bzw. einem Behälter zum Auffangen des von der Saugvorrichtung (5) entfernten ausgeschnittenen Abfalls vorgesehen ist zur Anzeige, dass das ausgeschnittene Teil tatsächlich von der Saugvorrichtung entfernt worden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Saugvorrichtung eine Aussparung für die Schneidedüse (9) aufweist derart, dass sie der Bewegung der Schneidedüse (4) relativ zu dem Werkstück (2) während eines Schneidevorgangs folgt.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Saugvorrichtung (5) einen Unterdruck von ca. 0,5 bar hat.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Betrieb die Saugdüse (6) in einen kleinen Abstand oberhalb des Werkstücks (2) angeordnet ist, wobei die Saugfläche im wesentlichen parallel zu dem Werkstück und derart angeordnet ist, dass sie bei Beendigung des Schneidvorgangs das ausgeschnittene Teil völlig überdeckt.