-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einbringen einer Lochkontur
in ein Werkstück
gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
-
Es
sind verschiedene Verfahren zum Einbringen einer Lochkontur in ein
Werkstück
bekannt. In vielen Anwendungsfällen
wird ein Laserstrahlschneidverfahren eingesetzt, um Lochkonturen
in ein Werkstück
einzubringen.
-
Aus
DE 42 26 620 C2 ist
ein Verfahren zum Laserstrahlschneiden bekannt, bei dem eine Lochkontur
in Form eines Schlitzes in ein Werkstück mit einem Laserstrahl eingebracht
wird. Der Laserstrahl ist von einem Gasstrahl umgeben, der Material,
das durch den Laserstrahl geschmolzen wird, aus der sich bildenden
Schnittfuge austreibt. Das beschriebene Verfahren beschäftigt sich
mit dem Problem, eine Verbreiterung der Schnittfuge zu vermeiden. Dazu
wird zur Aufrechterhaltung einer Dampfkapillare der Wasserstoffanteil
des inerten Schneidgas derart hoch eingestellt und das den Laserstrahl
umhüllende
inerte Schneidgase der Oberfläche
der Schmelze an der Schnittstelle mit einem solchen Druck und einer
solchen Druckverteilung zugeführt, dass
die Dampfkapillare unten geschlossen bleibt, die Temperaturen der
Oberfläche
der Schmelze auf Verdampfungstemperatur gehalten und die Schmelze
kontinuierlich auf der der Schneidrichtung abgewandten Seite der
Dampfkapillare aus der Schnittfuge ausgetrieben wird.
-
Aus
JP 3-221286 A ist ein Verfahren zum Bearbeiten von Material offenbart,
bei dem ein Laserstrahl eine Bohrung in ein Material einbringt.
Der Fokus des Laserstrahls wird geändert und ein Schneidprozess
wird durchgeführt.
Dadurch kann die Schneidezeit reduziert werden.
-
Weiterhin
ist aus WO 00/08353 eine piezoelektrische Aktoreinheit bekannt,
die einen elastisch ausgebildeten Hohlkörper aufweist. In dem Hohlkörper ist
ein piezoelektrischer Aktor vorgespannt, wobei der Hohlkörper mit
Ausnehmungen versehen ist, die knochenförmig ausgebildet sind und quer
zur Hohlkörperlängsachse
verlaufen. Der Hohlkörper stellt
eine Rohrfeder dar, die aufgrund der Ausnehmungen federelastische
Eigenschaften aufweist. Die knochenförmigen Ausnehmungen werden
in einem Stanzverfahren in eine Platte eingebracht und anschließend wird
die Platte zu dem zylinderförmigen Hohlkörper geformt
und verschweißt.
-
Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein verbessertes Verfahren
zum Einbringen einer Lochkontur bereitzustellen, wobei eine gewünschte Schnittfugenbreite
im Wesentlichen eingehalten wird.
-
Die
Aufgabe der Erfindung wird mit dem Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
-
Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen
der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen
angegeben. Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens
besteht darin, dass eine Lochkontur in zwei Verfahrensschritten
in das Werkstück
eingebracht wird. In einem ersten Verfahrensschritt wird mit einem
ersten Laserstrahl ein Loch in das Werkstück eingebracht und anschließend in
einem zweiten Verfahrensschritt mit einem zweiten Laserstrahl, der
einen größeren Durchmesser
als der erste Laserstrahl aufweist, ausgehend von dem Loch die gewünschte Lochkontur
in die Platte eingebracht. Durch das zweistufige Verfahren wird
eine Aufweitung der Schnittfuge, die durch den zweiten Laserstrahl
erzeugt wird, im Wesentlichen vermieden. Da beim Aufschmelzen des
Werkstückes
durch den zweiten Laserstrahl bereits ein durchgehendes Loch vorhanden
ist, wird eine seitliche Aufweitung der Schnittfuge vermieden. Somit
kann eine Lochkontur in ein Werkstück eingebracht werden, das
eine minimale Breite aufweist, die im Wesentlichen dem Durchmesser
des zweiten Laserstrahls entspricht. Zudem wird bei der Erzeugung
von Schlitzen eine über
die Länge
des Schlitzes kontinuierliche Breite des Schlitzes ermöglicht.
Die kontinuierliche Breite wiederum gewährleistet eine präzise Festlegung
der Ausnehmungen. Aufgrund der präzisen Breite des Schlitzes
können
Abstände
zwischen zwei parallel angeordneten Schlitzen auf einen kleinen
Wert eingestellt werden. Dadurch ist es möglich, eine hohe Dichte von
Schlitze auf einer vorgegebenen Fläche unterzubringen, ohne dass
eine notwendige Materialdicke unterschritten wird. Somit kann eine
große Elastizität in dem
Werkstück
erzeugt werden.
-
Als
Werkstück
wird eine Platte verwendet, die nach Einbringen der Lochkonturen
zu einem Zylinder gerollt und an zwei aneinander angrenzende Längskanten
zu einer hülsenförmigen Rohrfeder
verbunden wird. Auf diese Weise ist ein einfaches und schnelles
Herstellungsverfahren für
eine Rohrfeder gegeben.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird als erster Laserstrahl ein gepulster Laserstrahl verwendet.
Dabei wird die Pulslänge
des Laserstrahls in vorteilhafter Weise an die Dicke des Werkstückes angepasst
werden, so dass durch einen Laserpuls das Loch in das Werkstück eingebracht
wird.
-
Vorzugsweise
ist der zweite Laserstrahl als kontinuierlicher Laserstrahl ausgebildet.
Da der zweite Laserstrahl zur Einbringung einer größeren Lochkontur
verwendet wird, kann mit dem kontinuierlichen Laserstrahl in kurzer
Zeit eine relativ große
Lochkontur eingebracht werden.
-
Vorzugsweise
wird als Lochkontur ein Schlitz in das Werkstück eingebracht. Das verwendete
Verfahren eignet sich insbesondere für die Einbringung von Schlitzen,
da die Breite des Schlitzes durch die Breite des zweiten Laserstrahles
im We sentlichen festgelegt ist. Somit können Schlitze mit präziser Breite
in das Werkstück
eingebracht werden.
-
Vorzugsweise
weist das Loch im Wesentlichen den Durchmesser des ersten Laserstrahles
auf. Auf diese Weise kann das Loch in das Werkstück eingebracht werden, ohne
dass eine Bewegung des ersten Laserstrahles oder eine Bewegung des
Werkstückes
erforderlich ist.
-
Die
zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
vorgesehene Vorrichtung zum Einbringen einer Lochkontur in ein Werkstück weist
zwei Laserköpfe
auf, die mit einer Halterung verbunden sind, wobei die Laserstrahlen
der Laserköpfe
auf seitlich versetzte Bearbeitungspunkte des Werkstückes ausgerichtet
sind. Die Laserstrahlen der zwei Laserköpfe weisen unterschiedliche
Strahldurchmesser auf. Die Laserköpfe sind starr angeordnet.
Weiterhin ist eine Transportvorrichtung zur Halterung und zum Transport
des Werkstückes
vorgesehen.
-
Die
Vorrichtung ermöglicht
ein einfaches Einbringen einer Schlitzstruktur in das Werkstück, da aufgrund
der Anordnung nur das Werkstück
an der Vorrichtung vorbeibewegt werden muss. Es ist nicht erforderlich,
die zwei Laserköpfe
zu bewegen.
-
In
die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
erzeugte Rohrfeder werden Schlitze mit einer kontinuierlichen Breite
eingebracht. Die Schlitze können
aufgrund des verwendeten Verfahrens sehr schnell eingebracht werden.
Da die Breite der Schlitze präzise
festgelegt ist, kann eine hohe Dichte von Schlitzen auf der Rohrfeder
erreicht werden.
-
Vorzugsweise
weisen die Schlitze eine Breite auf, die kleiner ist als 0,5 mm.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Rohrfeder sind
die Schlitze in Form von parallelen Reihen auf der Rohrfeder ausgebildet.
Die Abstände
zwischen den Reihen sind vorzugsweise kleiner als 0,5 mm. Aufgrund der
geringen Abstände
parallel angeordneter Schlitze wird eine große elastische Eigenschaft der
Rohrfeder erreicht.
-
Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen
-
1 eine
Rohrfeder,
-
2 einen
Querschnitt der Rohrfeder,
-
3 eine
Detailansicht von Schlitzreihen der Rohrfeder,
-
4 eine
Vorrichtung zum Einbringen einer Lochkontur in ein Werkstück mit zwei
Laserstrahlen,
-
5 die
Vorrichtung in einer zweiten Arbeitsposition,
-
6 die
Vorrichtung in einer dritten Arbeitsposition
-
1 zeigt
eine Rohrfeder 15, die eine Zylinderform aufweist und im
Querschnitt, wie in 2 dargestellt ist, kreisförmig ausgebildet
ist. Die Rohrfeder 15 weist einen oberen und einen unteren
Randbereich 20, 21 auf. Die Rohrfeder 15 dient
beispielsweise zur Vorspannung eines piezoelektrischen Aktors, der
zwischen zwei Abschlussplatten eingespannt ist, die mit dem oberen
bzw. mit dem unteren Randbereich 20, 21 fest verbunden
sind.
-
2 zeigt,
dass die Rohrfeder 15 aus einer Platte gefertigt ist, die
gerollt wird und an den zwei Längsseiten über eine
Verbindungsnaht 18 verbunden ist. Die Verbindungsnaht 18 ist
beispielsweise in Form einer Schweißnaht oder einer Klebenaht
ausgebildet. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Rohrfeder
aus einem gezogenen Rohr hergestellt. Die Rohrfeder wird zum Vorspannen
eines Aktors 25, insbesondere eines piezoelektrischen Aktors 25 verwendet,
der in 2 schematisch eingezeichnet ist.
-
3 zeigt
eine Detailansicht eines oberen Bereiches der Rohrfeder 15.
Anschließend
an den oberen Randbereich 20 sind Reihen 16, 17 von Schlitzen 19 ausgebildet.
Die Schlitze sind in einer Linie angeordnet, die vorzugsweise senkrecht
zur Längsachse
der Rohrfeder 15 angeordnet ist. Eine Reihe 16, 17 besteht
aus einer Vielzahl von in Längsrichtung
hintereinander angeordneter Schlitze 19. Die einzelnen
Schlitze 19 sind in einem festgelegten ersten Abstand beabstandet
und um den zylinderförmigen
Umfang der Rohrfeder 15 verteilt. Die Schlitze einer zweiten
Reihe 17 sind gegenüber
den Schlitzen der ersten Reihe 16 in Längsrichtung der Rohrfeder 15 gesehen
seitlich versetzt, so dass ein Schlitz der zweiten Reihe 17 unter
einem Abstandsstück 24 der ersten
Reihe 16 angeordnet ist, über das zwei Schlitze 19 einer
Reihe 16, 17 voneinander beabstandet sind. Auf
diese Weise wird eine gleichmäßige Verteilung
der Schlitze 19 erreicht.
-
Die
Schlitze 19 weisen im Wesentlichen eine festgelegte Breite
D1 auf. Die Schlitze 19 sind nicht in den Endbereichen
in der Breite vergrößert. Damit sind
die Abstände
zwischen zwei Schlitzen 19 zweier Schlitzreihen 16, 17 konstant,
so dass ein minimaler Reihenabstand D2 zur Beabstandung der Reihen 16, 17 gewählt werden
kann. Vorzugsweise weisen die Schlitze 19 eine Breite D1
im Bereich von kleiner 0,5 mm auf. Versuche haben gezeigt, dass
vorteilhafte elastische Eigenschaften der Rohrfeder 15 mit
einer Breite im Größenbereich
von 0,3 mm erreicht werden. Der Schlitzabstand D2 liegt ebenfalls
im Bereich von 0,5 mm. Auch für
den Schlitzabstand D2 wurden gute elastische Eigenschaften im Bereich
von 0,3 mm erzielt. Vor zugsweise ist die Breite D1 der Schlitze 19 gleich
groß mit
dem Reihenabstand D2. Auf diese Weise wird eine symmetrische Verteilung
der Schlitze 19 und der Rohrfederwand erreicht. Somit wird
zum einen eine relativ große
und gleichmäßige Elastizität und zum
anderen eine große
Stabilität
der Rohrfeder 15 erreicht.
-
4 zeigt
eine Anordnung zum Einbringen einer Lochkontur in ein Werkstück 1,
das vorzugsweise in Form einer Platte ausgebildet ist. Die Platte
besteht beispielsweise aus Metall. Die Platte 1 ist auf
einer Transportvorrichtung 13 gehaltert, mit der die Platte
in mindestens einer Richtung verschiebbar ist. Über der Platte sind ein erster
und ein zweiter Laserkopf 2, 3 mit einer gemeinsamen
Halterung 12 einer Laservorrichtung verbunden. Der erste
Laserkopf 2 weist eine erste Laserstrahlquelle 8 auf,
die vorzugsweise eine gepulste Laserstrahlquelle darstellt. Die erste
Laserstrahlquelle 8 erzeugt einen ersten Laserstrahl 4,
der auf einen ersten Bearbeitungspunkt 22 der Platte 1 ausgerichtet
ist. Es sind vorzugsweise Einrichtungen vorgesehen, mit denen der
erste Laserstrahl 4 vorzugsweise auf einen gewünschten Strahldurchmesser
im ersten Bearbeitungspunkt fokussierbar ist. Zudem ist der erste
Laserkopf 2 vorzugsweise mit einer ersten Gasquelle 10 verbunden, die
ein Arbeits- und/oder Schutzgas über
den ersten Laserkopf 2 abgibt. Das Gas wird in Form eines
ersten Gasstrahls 6 abgegeben, der den ersten Laserstrahl 4 in
Form eines Zylinders umgibt.
-
Seitlich
versetzt zum ersten Laserkopf 2 ist ein zweiter Laserkopf 3 angeordnet,
der eine zweite Laserstrahlquelle 9 aufweist und vorzugsweise
mit einer zweiten Gasquelle 11 verbunden ist. Die zweite Laserstrahlquelle 9 erzeugt
vorzugsweise einen kontinuierlichen zweiten Laserstrahl 5.
Zudem ist die zweite Laserstrahlquelle 9 ein- und ausschaltbar.
Die zweite Gasquelle 11 erzeugt im zweiten Laserkopf 3 einen
zweiten Gasstrahl 7, der ein Arbeits- und/oder Schutzgas
aufweist, zylinderförmig
ausgebildet ist und den zweiten Laser strahl 5 umgibt. Der
zweite Laserstrahl 5 ist auf einen zweiten Bearbeitungspunkt 23 ausgerichtet,
der gegenüber
dem ersten Bearbeitungspunkt 22 seitlich versetzt ist.
Es sind vorzugsweise Einrichtungen vorgesehen, mit denen der zweite
Laserstrahl 5 vorzugsweise auf einen gewünschten
Strahldurchmesser im zweiten Bearbeitungspunkt 23 fokussierbar
ist. Der Strahldurchmesser des zweiten Laserstrahls 5 ist
im zweiten Bearbeitungspunkt 23 vorzugsweise größer als
der Strahldurchmesser des ersten Laserstrahls 4 im ersten
Bearbeitungspunkt 22.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
wird mit folgenden Schritten durchgeführt: In einem ersten Verfahrensschritt
wird mit Hilfe des ersten Laserkopfes 2 ein Einstichloch 14 in
die Platte 1 eingebracht. Je nach Anwendung kann das Einstichloch 14 auch als
Schlitz ausgeführt
sein. Beim Einbringen des Einstichloches 14 wird Material
der Platte 1 von dem ersten Laserstrahl 4 aufgeschmolzen
und verdampft. Das geschmolzene und verdampfte Material wird aus dem
Einstichloch 14 herausgetrieben, unter bestimmten Bedingungen
mit Unterstützung
des ersten Gasstrahls 6. Zumindest wird in einem Anfangsstadium,
in dem zwar schon Material von der Platte 1 abgetragen
wird, aber noch kein durchgehendes Loch 14 in der Platte 1 erzeugt
ist, ein Teil des Materials auf die Oberseite der Platte 1 explosionsartig
herausgetrieben. Durch diesen Effekt wird auch eine Verbreiterung
des Loches 14 gegenüber
dem Durchmesser des ersten Laserstrahls 4 erreicht. Somit
ist der Durchmesser des Einstichloches 14 größer als
der Durchmesser des ersten Laserstrahls 4.
-
Vorzugsweise
ist die erste Laserstrahlquelle 8 als gepulster Laser ausgebildet
und die Pulslänge entspricht
der Zeitdauer, die benötigt
wird, um das Einstichloch 14 in die Platte 1 einzubringen.
Ist die erste Laserstrahlquelle 8 als kontinuierliche Laserstrahlquelle
ausgebildet, dann wird die erste Laserstrahlquelle 8 nur
so kurz eingeschaltet, bis das Einstichloch 14 erzeugt
ist.
-
Nach
der Einbringung des Einstichloches 14 wird die Platte 1 durch
die Transportvorrichtung 13, die die Platte 1 trägt und bewegt,
in Richtung auf den zweiten Bearbeitungspunkt 23 bewegt.
-
5 zeigt
die Situation, dass das Einstichloch 14 den zweiten Bearbeitungspunkt 23 erreicht hat.
Erreicht das Einstichloch 14 den zweiten Bearbeitungspunkt 23,
so wird die Laserstrahlquelle 9 eingeschaltet. Der zweite
Laserstrahl 5 heizt die Platte 1 ausgehend von
dem Einstichloch 14 auf. Da in dieser Situation bereits
ein Einstichloch 14 besteht, wird das vom zweiten Laserstrahl 5 erwärmte und
verflüssigte bzw.
verdampfte Material der Platte 1 durch das Einstichloch 14 hindurch
nach unten aus dem Einstichloch 14 herausgedrückt. Auf
diese Weise wird eine Aufweitung einer Schnittfuge, die durch den
zweiten Laserstrahl 5 erzeugt wird, im Wesentlichen vermieden.
Dieser Effekt ist insbesondere dann von Vorteil, wenn der Durchmesser
des zweiten Laserstrahls am zweiten Bearbeitungspunkt größer ist
als der Durchmesser des Einstichloches. Damit entspricht die Breite
der vom zweiten Laserstrahl erzeugten Schnittfuge dem Durchmesser
des zweiten Laserstrahls 5 am zweiten Bearbeitungspunkt 23.
-
Gleichzeitig
wird die Platte 1 von der Transportvorrichtung 13 in
mindestens einer Richtung weiterbewegt, so dass ein Schlitz 19 erzeugt
wird. Diese Situation ist in 6 dargestellt.
Da das vom zweiten Laserstrahl 5 verflüssigte bzw. verdampfte Material vorzugsweise über den
zweiten Gasstrahl 7 sofort durch das Einstichloch 14 herausgedrückt wird,
wird bei diesem Laserschweißvorgang
eine Breite D1 des Schlitzes 19 erhalten, die im Wesentlichen
dem Durchmesser des zweiten Laserstrahls 5 entspricht. Somit
wird insgesamt über
die gesamte Länge
des Schlitzes 19 eine konstante Breite D1 des Schlitzes 19 erhalten.
-
Abhängig von
der gewünschten
Form der Lochkontur wird während
des Laserschweißvorganges
des zweiten Laserstrahls 5 die Platte 1 in entsprechenden
Richtungen durch die Transportvorrichtung 13 bewegt.
-
Vorzugsweise
werden Reihen von Schlitzen 19 in die Platte 1 eingebracht.
Die Schlitze der einzelnen Reihen sind vorzugsweise seitlich gegeneinander
versetzt.
-
Nach
Einbringung der Schlitze wird die Platte in eine Zylinderform gebogen
und an den sich gegenüberliegenden
Längsseiten
der Platte verbunden. Für
die Verbindung kann eine verschweißte oder verklebte Verbindungsnaht 18 gewählt werden.
-
Je
nach Anwendungsfall können
die Schlitze 19 auch schräg zu einer Längsachse
der sich ergebenden Rohrfeder 15 in die Platte 1 eingebracht
werden.
-
Je
nach Anwendungsform kann auch bei der Bearbeitung der Rohrfeder 15 zuerst
eine Hülse
aus einer Platte 1 hergestellt verwendet werden. Anschließend werden
die Lochkonturen mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung der 4 in
die Hülse eingebracht.
In dieser Ausführungsform
wird die Hülse
von der Transportvorrichtung 13 gehaltert und zum Einbringen
der Lochkonturen gedreht.
-
Die
Lochkonturen sind entlang von Reihen, vorzugsweise entlang von Ringen
auf der Hülse
angeordnet. In einer weiteren Bauform sind die Lochkonturen entlang
einer Spiralkontur auf der Rohrfeder 15 aufgebracht. Es
können
auch andere Lochkonturmuster, beispielsweise in Form von Doppel- oder
Mehrfachspiralen auf der Rohrfeder 15 aufgebracht werden.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
wurde am Beispiel einer Rohrfeder 15 beschrieben, kann
jedoch für
jede Art von Werkstück
eingesetzt werden, bei dem eine präzise Einhaltung einer Lochkontur vorteilhaft
ist. Anstelle von Schlitzen 19 können auch kreisförmige Konturen
oder Kombinationen von geometrischen Formen verwendet werden.
-
In
einer weiteren Ausführungsform
kann das Einstichloch durch einen schmalen Schlitz ersetzt werden,
der durch den nachfolgenden Laserstrahl aufgeweitet wird.