DE3925646A1 - Verfahren und vorrichtung zum formabtragen von werkstoff mittels eines laserstrahls - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Formabtragen von Werkstoff an einer Werkstückober­ fläche entsprechend einer vorgegebenen Kontur mittels Laser­ strahlen, insbesondere zur Herstellung von gerillten Walzen für Papiermaschinen; die Erfindung bezieht sich darüber­ hinaus auch auf eine Vorrichtung zur Ausführung dieses Ver­ fahrens.

Die Anwendung von Laserstrahlen zur Materialbearbeitung ist lange bekannt. Schweißen, Schneiden und Bohren gehören heute zum Aktionsfeld des Lasers; darüberhinaus sind auch bereits Anwendungen bekannt geworden zur Härtung und Veredelung von metallischen Oberflächen.

Bei allem wird von den hervorragenden und gleichbleibenden Eigenschaften des Lasers Gebrauch gemacht, nämlich davon, daß mit einem Laserstrahl eine gezielte und damit geringe Wärme­ einbringung in ein Werkstück möglich ist. Damit lassen sich Werkstücke in hervorragender Weise verzugsarm bearbeiten.

Die bekannten Laserschneider gehen stets davon aus, daß das vom Laserstrahl verdampfte oder aufgeschmolzene oder auch anderweitig ablösbare Werkstoffvolumen in Richtung des Laser­ strahls aus den bearbeiteten Werkstücken austreten kann, und zwar nach unten.

Beim Laser-Schneiden entsteht jeweils eine offene Abflußmöglichkeit und das genannte Werkstoff­ volumen kann an der Austrittsstelle des Laserstrahls ab­ fließen.

Aus dem DE-GM 87 01 354 ist eine Vorrichtung zur Einarbei­ tung von kegel- oder keilförmigen Segmenten in eine Werk­ stückoberfläche bekannt. Das zugrunde liegende Verfahren geht davon aus, daß die Seitenkonturen dieser Segmente mit dem Laserstrahl eingeschnitten und die ausgeschnittenen Segmente dann magnetisch entfernt werden.

Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren der gattungsgemäßen Art anzu­ geben, mit dem eine formgebende Bearbeitung einer Werkstück­ oberfläche derart möglich ist, daß sich eine einstufige Be­ arbeitung der Werkstückoberfläche ergibt. Der vorliegenden Erfindung liegt weiter die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Ausführung dieses Verfahrens anzugeben.

Die genannte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das vom Laser­ strahl beaufschlagte, d.h. verdampfte oder aufgeschmolzene Werkstoffvolumen mittels eines Gasstrahls aus dem Bereich der Kontur entfernt wird.

Dabei kann ein kontinuierlicher oder pulsierender Laser­ strahl benutzt werden, wobei im zweitgenannten Beispiel das Impuls-Pausen-Verhältnis so gewählt ist, daß das mit einem Einzelimpuls gelöste Werkstoffvolumen möglichst rückstands­ frei den Fugenbereich verlassen kann (Anspruch 2).

Grundsätzlich ist es möglich, den Laserstrahl so zu fokussieren, daß die einzuarbeitende Kontur in einem einzigen Arbeits­ schritt eingearbeitet wird, und zwar mit relativ geringer Relativgeschwindigkeit zwischen dem Werkstück und dem Laser­ strahl (Anspruch 3). Eine zweite Möglichkeit besteht darin, den Laserstrahl so zu fokussieren, daß die einzuarbeitende Kontur in einer Mehrzahl aufeinander folgender Arbeits­ schritte mit variabler Fokuslage und höherer Relativge­ schwindigkeit zwischen dem Werkstück und dem Laserstrahl eingearbeitet wird (Anspruch 4); diese Betriebsweise ist auch mit konstanter Fokuslage des Laserstrahls möglich (Anspruch 5).

Die Vorrichtung zur Ausführung des gattungsgemäßen Ver­ fahrens geht von einer Übertragungsoptik für den Laserstrahl aus, über die dieser zum Auftreffpunkt auf der Werkstück- bzw. Konturenoberfläche gelenkt wird. Diese Vorrichtung ist dadurch charakterisiert, daß die Übertragungsoptik funktionell so mit einer Gasdüse gekoppelt ist, daß der Gasstrahl das vom Laserstrahl verdampfte oder erschmolzene Werkstoffvolumen aus dem Bereich der Kontur wegbläst.

Der Gasstrahl ist dabei je nachdem ob es sich um das Ein- Schritt-Verfahren (Tief-Abtragverfahren) oder das Mehr- Schritt-Verfahren (Pendel-Abtragverfahren) handelt, relativ zum Laserstrahl so ausgerichtet, daß das Werkstoffvolumen nach oben ausgetragen wird, und zwar im einen Fall (Tief-Ab­ tragverfahren gemäß Anspruch 7, 8) derart, daß der Fugenwerk­ stoff überwiegend senkrecht nach oben austritt und im anderen Fall (Pendel-Abtragverfahren gemäß Anspruch 9, 10) derart,daß der Gasstrahl steil auf die Fuge bzw. Rille trifft und der Fugenwerkstoff die Rille nach oben vorwärts und rückwärts in Rillenrichtung verläßt.

Die Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in

Fig. 1 die Prinzipdarstellung der Vorrichtung zum Form­ abtragen von Werkstoff,

Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt der Prinzipdarstellung der Vorrichtung nach Fig. 1 in zwei Schnittdar­ stellungen, wobei die Vorrichtung zur Ausführung des Pendel-Abtragverfahrens eingestellt ist;

Fig. 3 zeigt den Ausschnitt nach Fig. 2 zur Darstellung des Tief-Abtragverfahrens.

Gemäß Fig. 1 wird ein von einem (nicht dargestellten) Lasergene­ rator emittierter Laserstrahl 1 einer in einem Tubus inte­ grierten geometrischen Übertragungsoptik 2 zugeführt. Der Laserstrahl 1 wird an einem Reflektor 3 umgelenkt und einem Hohlspiegel 4, vorzugsweise einem Parabolspiegel, zugeführt. Hier wird der Laserstrahl 1 abermals umgelenkt und nach außerhalb des Tubus übertragen. Der Hohlspiegel 4 ist so konzipiert, daß der (quasi als Rundstrahl in die Übertragungsoptik 2 eintretende) Laserstrahl 1 im Abstand der Brennweite f des Hohlspiegels 4 von der optischen Achse der Über­ tragungsoptik 2 fokussiert wird.

Parallel zur optischen Achse der Übertragungsoptik 2 ist ein Werkstück 6 angeordnet, in das Konturen vorgegebener Breite und Tiefe, insbesondere Rillen eingearbeitet werden sollen. Diesbezüglich ist als spezieller Anwendungsfall an die Herstellung von gerillten Walzen gedacht, wie sie in Verbindung mit Papiermaschinen als Drainagewalzen, Ent­ wässerungswalzen, Vortrockenwalzen oder dergleichen einge­ setzt werden. Das in Fig. 1 dargestellte Werkstück 6 ist somit als Walze zu verstehen, in die mit dem Laserstrahl 1 eine Rille (10 in Fig. 2) eingearbeitet werden soll. Diese Rillen haben dabei etwa eine Tiefe von 5 mm und eine Breite von 0,5 mm; die Rillenflanken sollten möglichst parallel zueinander sein.

Je nach Auslegung der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung wird das Werkstück 6 relativ zur Übertragungsoptik 2 oder diese relativ zum Werkstück 6 bewegt und zwar je nach­ dem, ob die Kontur in einem oder in mehreren Arbeitsschritten eingearbeitet werden soll mit der entsprechenden Relativ- Vorschubgeschwindigkeit v.

In erfindungsgemäßer Weiterbildung der insoweit im Rahmen der Fertigungstechnik bekannten Vorrichtung zur Materialbe­ arbeitung mittels eines Laserstrahls an sich ist dieser Vor­ richtung eine Gasstrahl-Düse 5 zugeordnet, und zwar so, daß ihre Achse und die Achse des Laserstrahls 1 in einer Ebene liegen, die etwa senkrecht zur Werkstückoberfläche 6′ liegt. Die Achse des Laserstrahls 1 selbst liegt dabei etwa senkrecht zur Werkstückoberfläche 6′ . Die vom Laserstrahl 1 und vom Gasstrahl 5′ gebildete Ebene ist dabei senkrecht d.h. symmetrisch zur einzuarbeitenden Kontur orientiert.

Die Arbeitsweise der insoweit beschriebenen Vorrichtung ist so, daß der Brennpunkt des mit geeigneter Brennweite fokussierten Laserstrahls 1, d.h. die Fokuslage (Δf) des Brennpunkts relativ zur Werkstückoberfläche 6′, so eingestellt wird, daß

• a) die Wechselwirkung zwischen Laserstrahl 1 und Werkstück 6 auf einer Fläche stattfindet, die näherungsweise dem Produkt aus Breite und Tiefe der einzuarbeitenden Kontur bzw. Rille entspricht, oder
• b) die Wechselwirkung zwischen Laserstrahl 1 und Werkstück 6 überwiegend im Fugengrund auf einer dem Querschnitt des fokussierten Laserstrahls entsprechenden Fläche stattfindet.

Der erstgenannte Fall entspricht dem o.g. Ein-Schritt-Ver­ fahren, das im folgenden als Tief-Abtragverfahren bezeichnet wird. Dieses Verfahren erfordert eine auf die Schnittiefe optimierte Fokussierung des Laserstrahls 1 und eine kon­ stante Fokuslage (Δ f = const.).

Der zweite Fall entspricht dem o.g. Mehr-Schritt-Verfahren, das im folgenden als Pendel-Abtragverfahren bezeichnet wird. Dieses Verfahren erfordert eine optimierte Tiefenschärfe. Hier kann die Fokuslage konstant bleiben oder entsprechend dem schrittweise tieferen Eindringen nachgeführt werden.

Wie erwähnt kann sowohl mit einem sogenannten kontinuierlichen Laser oder einem sogenannten gepulsten Laser gearbeitet werden. Die wesentliche Problematik liegt darin, daß der vom Laser­ strahl beaufschlagte und vom übrigen Werkstück bzw. Werkstoff gelöste Fugenwerkstoff aus der schmalen, schlanken und am Grund geschlossenen Fuge/Rille sicher entfernt wird, und zwar ohne daß diese gelösten Werkstoffvolumina wieder erstarren und an den Flankenwänden hängen bleiben. Dies wird letztlich dadurch erreicht, daß das vom Laserstrahl beaufschlagte Werk­ stoffvolumen von Gasstrahl 5′ quasi mit der Entstehung weg­ geblasen wird. Bei Verwendung eines gepulsten Lasers wird dabei das Impuls-Pausen-Verhältnis so gewählt, daß der Werkstückoberfläche mit jedem Impuls gerade so viel Energie zugeführt wird, daß das verdampfte oder geschmolzene Werk­ stoffvolumen genügend klein ist, um sicher aus dem Fugen­ bereich entfernt werden zu können.

Diese Arbeitsweise soll im folgenden nochmals anhand von Fig. 2 und Fig. 3 erläutert werden.

Fig. 2/3 zeigt eine Schnittdarstellung in der Ebene der ein­ zuarbeitenden Fuge oder Rille 10, sowie in einer hierzu senkrechten Ebene parallel zur Richtung des Laserstrahls 1. Dieser Laserstrahl 1 ist so fokussiert, daß eine Rille 10 mit der Spalttiefe S entsteht.

Der beim Laserstrahl-Pendelabtragen (Fig. 2) oder beim Laser­ strahl-Tiefabtragen (Fig. 3) mit dem Werkstoff des Werkstücks 6 in Wechselwirkung tretende Laserstrahl 1 verdampft oder ver­ flüssigt ein bestimmtes Werkstoffvolumen, das von dem aus der Düse 5 austretende Gasstrahl 5′ aus der Rille 10 ausgeblasen wird. Je nach Arbeitsverfahren, d.h. je nachdem ob nach dem o.g. Tief- oder Pendel-Abtragverfahren gearbeitet wird, ist die Zuordnung der Richtung des Gasstrahls 5′ relativ zu der des Laserstrahls 1 entsprechend variabel gewählt.

Beim Tief-Abtragverfahren wird der Gasstrahl 5′ unter einem relativ großen Winkel β von etwa 20-70° zum Auftreffpunkt des Laserstrahls 1 ausgerichtet. Somit trifft der in die schon eingearbeitete Rille 10 eintretende Gasstrahl 5′ so an der Abtragsfront auf, daß er überwiegend nach oben umge­ lenkt wird. Das abgetragene Werkstoffvolumen w kann somit die Rille 10 auf kürzestem Weg verlassen (vgl. Fig. 3).

Beim Pendel-Abtragverfahren wird der Gasstrahl 5′ so steil wie möglich, etwa unter 0° bis 30° der Auftreffstelle des Laserstrahls 1 zugeführt. Das abgetragene Werkstoffvolumen w kann dabei zu beiden Seiten des Laserstrahls 1 an der Rille 10 ausgeblasen werden.

Im Hinblick auf das Pendel-Abtragverfahren soll noch ange­ merkt werden, daß die Fokuslage des Laserstrahls 1 der Mehrzahl der aufeinander folgenden Arbeitsschritte ent­ sprechend variabel, d.h. der jeweiligen Spalttiefe ent­ sprechend nachgeführt werden kann; die Fokuslage kann beim Pendel-Abtragverfahren jedoch auch konstant ge­ halten werden.

Mit dem vorstehend beschriebenen Verfahren und der Vor­ richtung zur Ausführung dieses Verfahrens wird im Rahmen der Fertigungstechnik, d.h. der Materialbearbeitung, der Lasertechnik ein neues Anwendungsgebiet erschlossen.

Claims (10)

1. Verfahren zum Formabtragen von Werkstoff an einer Werkstückoberfläche entsprechend einer vorgegebenen Kontur mittels Laserstrahlen, insbesondere zur Herstellung von gerillten Walzen für Papiermaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß das vom Laserstrahl beaufschlagte, d.h. verdampfte oder aufgeschmolzene Werkstoff­ volumen mittels eines Gasstrahls aus dem Bereich der Kontur entfernt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß ein gepulster Laserstrahl verwendet wird, und
daß das verdampfte bzw. aufgeschmolzene Werk­ stoffvolumen jeweils in den Impulspausen des Laserstrahls entfernt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der Laserstrahl der geometrischen Tiefe der abzutragenden Kontur entsprechend fokussiert wird, und
daß die Kontur in einem einzigen Arbeitsschritt abgetragen wird (Tief- Abtragverfahren).

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl einer optimierten Tiefen­ schärfe entsprechend fokussiert wird, und daß die Kontur in einer Mehrzahl von Arbeits­ schritten nacheinander mit variabler Fokus­ lage abgetragen wird (Pendel-Abtragverfahren).

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl einer optimierten Tiefen­ schärfe entsprechend fokussiert wird, und daß die Kontur in einer Mehrzahl von Arbeitsschritten nacheinander mit konstanter Fokuslage abgetragen wird (Pendel-Abtragverfahren).

6. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Laserstrahl über eine mindestens einen Reflektor und einen Hohlspiegel, vorzugsweise einen Parabolspiegel, aufweisende Übertragungs­ optik zum Auftreffpunkt auf der Werkstück- bzw. Konturenoberfläche gelenkt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsoptik funktionell so mit einer Gasdüse gekoppelt ist, daß der Gasstrahl das vom Laserstrahl verdampfte bzw. aufge­ schmolzene Werkstoffvolumen aus dem Bereich der Kontur wegbläst.

7. Vorrichtung, zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtung des Gasstrahls relativ zur Strahl­ achse des Laserstrahls so ausgerichtet ist, daß das Werkstoffvolumen an der abgetragenen Kontur näherungsweise nach oben ausgetragen wird.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen der Richtung des Gasstrahls und der Strahlachse des Laserstrahls etwa 20..70° beträgt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6, zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtung des Gasstrahls relativ zur Strahlachse des Laserstrahls so ausgerichtet ist, daß der Gasstrahl so steil wie möglich der Auf­ treffstelle des Laserstrahls zugeführt wird.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen der Richtung des Gasstrahls und der Strahlachse des Laserstrahls etwa 0 bis 30° beträgt.