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EP-4265369-B1 - METHOD FOR LASER-BASED MACHINING OF A WORKPIECE

EP4265369B1EP 4265369 B1EP4265369 B1EP 4265369B1EP-4265369-B1

Inventors

  • KRUMM, CHRISTIAN
  • Freidy, Mouhamadali

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20220421

Claims (11)

  1. Method for laser machining a workpiece, wherein a predetermined workpiece surface (7', 37) is produced on the workpiece (1, 11, 21, 31, 41, 55) by removing material through a laser (52) of a laser machining device (50) which comprises a workpiece fixing device (54) which receives and fixes the workpiece (1, 11, 21, 31, 41, 55), a moving device (51) which moves the workpiece fixing device (54) relative to a device base (56) including the laser (52), whose laser beam (3', 13, 23, 33, 43, 53) with its geometric beam axis (5', 15, 25, 35, 45), is directed onto the workpiece (1, 11, 21, 31, 41, 55) received in the workpiece fixing device (54), wherein the laser machining device (50) is configured to align the workpiece (1, 11, 21, 31, 41, 55) arranged in the workpiece fixing device (54) relative to the laser beam (3', 13, 23, 33, 43, 53) and to move the laser beam (3', 13, 23, 33, 43, 53) relative to the workpiece (1, 11, 21, 31, 41, 55), characterized by the following steps: aligning the workpiece (1, 11, 21, 31, 41, 55) and the laser beam (3', 13, 23, 33, 43, 53) of the laser (52) relative to one another during the machining so that the beam axis (5', 15, 25, 35, 45) of the laser beam (3', 13, 23, 33, 43, 53 ) encloses an angle α between 1° and 10° with a tangent (17, 27, 38, 48) to the workpiece surface (7', 37) to be produced in a respective point where the beam axis (5', 15, 25, 35, 45) intersects the workpiece surface (7', 37) to be produced; and removing material from the workpiece (1, 11, 21, 31, 41, 55) through the laser beam (3', 13, 23, 33, 43, 53 ) aligned relative to the workpiece (1, 11, 21, 31, 41, 55) at the angle α, where 1° ≤ α ≤ 10°, wherein a flame (8') is generated when the laser beam (3', 13, 23, 33, 43, 53) strikes the workpiece (1, 11, 21, 31, 41, 55), wherein the flame (8') contains sublimated material of the workpiece (1, 11, 21, 31, 41, 55) resulted from irradiation by the laser beam (3', 13, 23, 33, 43, 53 ), wherein the flame (8') has an opening angle γ that depends on the material of the workpiece (1, 11, 21, 31, 41, 55) and of the laser beam (3', 13, 23, 33, 43, 53), and that the angle α is adjusted so that it is equal to the opening angle γ.
  2. Method according to claim 1, characterized in that the laser beam (3', 13, 23, 33, 43, 53) and the workpiece (1, 11, 21, 31, 41, 55) are moved relative to one another during the laser machining, so that a portion of the workpiece (1, 11, 21, 31, 41, 55) is removed, wherein the workpiece surface (7', 37) to be produced is formed at the interface with the removed portion.
  3. Method according to claim 1 or 2, characterized in that the angle α is determined as a function of the material of the workpiece (1, 11, 21, 31, 41, 55), the wavelength of the laser (52), and the average power of the laser (52).
  4. Method according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the laser (52) is pulsed.
  5. Method according to claim 4, characterized in that the angle α is determined as a function of a pulse duration and a pulse energy of the laser.
  6. Method according to one of the preceding claims characterized in that the laser beam (3, 13, 23, 33, 43, 53) is focused on the workpiece (1, 11, 21, 31, 41, 55), wherein the focal point of the focused laser beam (3, 13, 23, 33, 43, 53) is located at the point where the beam axis (5', 15, 25, 35, 45) intersects the workpiece surface (7', 37) to be produced.
  7. Method according to one of the preceding claims characterized in that the workpiece surface (7') to be produced is a flat surface.
  8. Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that the workpiece surface (37) to be produced is a cambered surface and the moving device rotates the workpiece (31) received in the workpiece fixing device about a workpiece axis of rotation during the material removal through the laser.
  9. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the removal of material from the workpiece (1, 11, 21, 31, 41, 55) is performed through the laser beam (3', 13, 23, 33, 43, 53) aligned relative to the workpiece (1, 11, 21, 31, 41, 55) with the angle α held constant.
  10. Method according to one of claims 1 to 8, characterized in that the angle α is varied within an angular range of 1° ≤ α ≤ 10° during the removal of material from the workpiece (1, 11, 21, 31, 41, 55).
  11. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the laser beam (3', 13, 23, 33, 43, 53) is moved relative to the surface of the workpiece (1, 11, 21, 31, 41, 55), wherein the angle α between the beam axis and the tangent to the workpiece surface to be produced is within the angular range of 1° ≤ α ≤ 10° during the relative movement, and wherein the relative movement is a superposition of a first movement and a second movement, wherein the laser beam (3', 13, 23, 33, 43, 53) is moved between a first point A on the surface of the workpiece (1, 11, 21, 31, 41, 55) and a second point B on the surface of the workpiece (1, 11, 21, 31, 41, 55), during the first movement, and wherein the laser beam (3', 13, 23, 33, 43, 53) is moved within a closed or open curve during the second movement, whereby the extent of the curve is small compared to a distance covered by the laser beam (3', 13, 23, 33, 43, 53) between the first point A and the second point B.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur laserbasierten Bearbeitung eines Werkstücks. Es ist bekannt, Werkstücke mittels kurzer intensiver Laserpulse zu bearbeiten. Die Laserstrahlung mit hoher Leistungsdichte führt zu einer Erhitzung des Materials an der Oberfläche des Werkstücks. Die Oberfläche des Werkstücks erreicht dabei lokal eine so hohe Temperatur, dass das Material des Werkstücks verdampft oder sublimiert. Bei hoher Leistungsdichte des Lasers entsteht ein Plasma aus Elektronen und Ionen des abgetragenen Materials. Der Materialabtrag wird auch als Laserablation oder Laserverdampfen bezeichnet. Das Material kann dabei beispielsweise flächig in Schichten abgetragen werden. Ferner besteht die Möglichkeit, ein Werkstück mittels kontinuierlicher oder gepulster Laserstrahlung zu durchtrennen. Dies wird als Laserschneiden oder Laserstrahlschneiden bezeichnet. Die Parameter der Laserstrahlung müssen an das zu bearbeitenden Material und die gewünschte Bearbeitung angepasst werden. Zu den Parametern der Laserstrahlung zählen die Wellenlänge und die mittlere Leistung. Ist die Laserstrahlung gepulst, gehören zu den Parametern ferner die Pulsenergie und Pulsdauer. Laserstrahl und Werkstück werden für die Laserbearbeitung definiert relativ zueinander ausgerichtet und gegebenenfalls bewegt, um Material innerhalb vorgegebener Bereiche des Werkstücks gezielt abzutragen und bestimmte Konturen an der Oberfläche des Werkstücks auszubilden. Hierzu gehört unter anderem das Erzeugen von Schneiden oder sonstigen Kanten an Werkstücken. Eine Laserbearbeitungsmaschine ist mit einem Laser ausgestattet, welcher einen Laserstrahl erzeugt. Der Laserstrahl erstreckt sich entlang einer Strahlachse. Dabei entspricht die Strahlachse einer geometrischen Geraden. Der Laser umfasst einen Laserkopf, der den Laserstrahl mit seiner Strahlachse gezielt auf ein Werkstück richtet und diesen gegebenenfalls innerhalb einer vorgegebenen Kontur über die Oberfläche eines Werkstücks bewegt. Das Werkstück wird in einer Vorrichtung zur Ausrichtung und Positionierung angeordnet, welche bei einer Werkzeugmaschine auch als Aufspanneinrichtung bezeichnet wird. Diese Vorrichtung ist mit einer Vorrichtungsbasis, einer Werkstück-Fixiereinrichtung und einer Bewegungseinrichtung ausgestattet. Die Vorrichtungsbasis ist ortsfest angeordnet. Sie kann Teil der Maschinenbasis der Laserbearbeitungsmaschine sein. Die Werkstück-Fixiereinrichtung nimmt das Werkstück auf und spannt es fest ein, so dass sich die Position des Werkstücks relativ zur Werkstück-Fixiereinrichtung während der Bearbeitung des Werkstücks nicht verändert. Die Bewegungseinrichtung sorgt für eine Bewegung der Werkstück-Fixiereinrichtung relativ zur Vorrichtungsbasis. Da der Laserkopf der Laserbearbeitungsmaschine in Relation zu der Vorrichtungsbasis in der Regel ortsfest angeordnet ist, sorgt die Bewegungseinrichtung damit auch für eine Relativbewegung zwischen dem Laserkopf einerseits und der Werkstück-Fixiereinrichtung andererseits. Entsprechend wird dadurch ein an der Werkstück-Fixiereinrichtung eingespanntes Werkstück relativ zu einem von dem Laserkopf erzeugten Laserstrahl bewegt. Dank der durch die Bewegungseinrichtung ausgelösten Relativbewegung kann damit eine Bearbeitung eines Werkstücks an seiner gesamten Oberfläche erfolgen, soweit die Werkstückoberfläche nicht durch die Werkstück-Fixiereinrichtung abgedeckt ist. Bei der Bearbeitung wird das Werkstück mit seiner Oberfläche unter verschiedenen Winkeln gegen den Laserstrahl ausgerichtet. Der Laserkopf kann mit einer Ablenkeinrichtung ausgestattet sein, die den Laserstrahl mittels optischer Komponenten ablenkt und dabei mit hoher Geschwindigkeit über eine Oberfläche des Werkstücks führt. Die Ablenkeinrichtung sorgt damit für eine zusätzliche Relativbewegung von Laserstrahl und Werkstück. Zur Bearbeitung eines Werkstücks wird der Laserstrahl üblicherweise mit seiner Strahlachse derart zu einem zu bearbeitenden Werkstück ausgerichtet, dass die Strahlachse senkrecht zu einer Oberfläche des Werkstücks ausgerichtet ist. Dies ist in Figur 1 dargestellt. Figur 1 zeigt ein Werkstück 1 und einen Laserstrahl 3 mit einer Strahlachse 5. Die Figuren 2 und 3 zeigen die Auftreffstelle 2, an der der Laserstrahl 3 auf eine ebene Oberfläche 1a des Werkstücks 1 trifft. Die Energiedichte des Laserstrahls 3 ist in seinem Zentrum größer als am Rand des Laserstrahls 3. Entsprechend ist die Temperatur im Zentrum des Laserstrahls 3 höher als am Rand. Dies führt dazu, dass an der Auftreffstelle 2 im Zentrum mehr Material von dem Werkstück abgetragen wird als am Rand der Auftreffstelle 2. Wenn der Laserstrahl 3 nicht relativ zu dem Werkstück 1 bewegt wird, erzeugt der Laserstrahl 3 eine runde Vertiefung 4 in der Oberfläche des Werkstücks 1. Diese hat die Form eines Teils einer Kugelschale oder eines Ellipsoids. Die Vertiefung 4 ist in der Mitte tiefer als am Rand. Eine Wolke oder Flamme 8, welche sich unter Einwirkung des Laserstrahls 3 an der Oberfläche des W