Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum lasergestützten Trennen eines Werkstücks.

Aus CA 2 259 700 AI ist ein lasergestütztes Schneidwerkzeug bekannt, bei dem Holz oder andere Materialien durch Trennung des Materials entlang einer Schwächungslinie bei Anwendung einer mechanischen Kraft in Verbindung mit Laserlicht erfolgt. Hierzu wird in Lichtleitern Laserlicht durch die Klinge geführt und auf den Bereich vor der Schneide gerichtet.

Aus US 5,906,459 ist ein laserunterstützter Fräsprozess bekannt, bei dem mit Hilfe des Lasers das zu fräsende Material erwärmt wird.

Aus US 5,409,376 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zum laserunterstützten Bohren an menschlichen Zähnen bekannt. Mit Hilfe des auf die Bohrstelle gerichteten Laserlichts wird die Zahnstruktur zum Erleichtern des Bohrvorgangs verändert.

Aus US 4,469,931 und DE 34 15 015 AI ist ein laserunterstütztes Sägegerät bekannt, bei dem eine Laserquelle eingesetzt wird, um vor dem Sägen einen Schnitt oder eine Nut in ein Holzstück zu schneiden. Laser und Säge sind starr zueinander angeordnet, so dass beim Sägen einer gebogenen Kontur die Schnitte des Lasers und des Sägeblatts auseinander fallen.

Aus US 2004/0104207 AI ist ein lasergestütztes, spanendes Bearbeitungsverfahren bekannt, bei dem das Laserlicht zur Erwärmung und gleichzeitigen Erweichung des Werkstücks eingesetzt wird. Hierdurch kann der Span schneller entfernt und die Temperatur der Werkzeug spitze besser kontrolliert werden. Aus CA 2 558 898 ist ein Fräsverfahren bekannt, bei dem ein erster Laser zur Erwärmung der Werkstückoberfläche und ein zweiter Laser zur Erwärmung einer Anfasung an dem Werkstück eingesetzt wird.

Bei dem Trennen eines Werkstücks, insbesondere entlang einer gebogenen Konturlinie, tritt gerade bei faserverstärkten Kunststoffen und anderen Schichtverbundmaterialien das Problem der Delamination auf. Die Delamination macht eine Nachbearbeitung der Trennkante erforderlich, wodurch Kosten und Bearbeitungszeit für die Trennaufgabe erhöht werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Trennvorgang mit einfachen Mitteln eine möglichst saubere Trennkante zu erzeugen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen aus Anspruch 1 und eine entsprechende Vorrichtung mit den Merkmalen aus Anspruch 5 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen bilden den Gegenstand der Unteransprüche.

Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum lasergestützten Trennen eines Werkstücks mit einem Trenn Werkzeug, dass entlang einer vorbestimmten Kontur relativ zu dem Werkstück verfahrbar ist. Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft also insbesondere solche Trennvorgänge, bei denen nicht ausschließlich das Werkstück, sondern vor allem das Trennwerkzeug verfahrbar ist. Das Verfahren greift ferner auf einen Laserscanner zurück, der innerhalb eines Arbeitsbereichs seinen Laserstrahl ausrichten und fokussieren kann. Der Laserscanner schneidet entlang der Kontur eine Nut in das Werkstück. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden der Verfahrweg des Werkzeugs und der Laserscanner gemeinsam derart angesteuert, dass das Werkzeug entlang der von dem Laserstrahl geschnittenen Nut schneidet, wobei bei einem gebogenen Konturabschnitt der Laserstrahl des Laserscanners innerhalb dessen Arbeitsbereichs relativ zu dem Werkzeug ausgelenkt wird. Das gezielte Verstellen des Laserstrahls mit Hilfe des Laserscanners erlaubt es, auch bei gebogenen und abgerundeten Konturen eine Nut für das Werkzeug vorzuschneiden und so die Voraussetzungen für eine bessere Schnittkante zu erzeugen. Bei einem Laserscanner handelt es sich um eine Vorrichtung, die einen Laserstrahl mit dem Ziel des Laserschneidens in einer Ebene oder in einem Volumen fokussieren kann. Der Vorgang der Fokussierung und Bewegung des Laserstrahls auf einer Bauteiloberfläche durch den Scanner wird als Belichtung bezeichnet.

In einer bevorzugten Ausgestaltung schneidet das Werkzeug innerhalb des Arbeitsbereichs des Laserscanners das Werkstück. Der Arbeitsbereich des Laserscanners ist bevorzugt als ein dreidimensionaler Arbeitsbereich ausgebildet, in dem der Laserstrahl fokussiert auf einen Punkt gerichtet werden kann. Im Rahmen des Verfahrens ist der Arbeitsbereich dann die zweidimensionale Projektion des dreidimensionalen Arbeitsbereichs auf die Oberfläche des Werkstücks.

Bei dem erfindungs gemäßen Verfahren kann der Laserscanner mehrfach entlang der zu schneidenden Kontur schneiden, um eine definierte Fasenbreite und/oder Fasengeometrie zu erzeugen. Die Verfahrgeschwindigkeit des Laserstrahls auf dem Werkstück und das Laserschneiden auf dem Werkstück erfolgen in der Regel mit einer deutlich größeren Geschwindigkeit als das Werkzeug relativ zu dem Werkstück verfahren wird. Insofern besteht die Möglichkeit, durch ein mehrfaches Verfahren des Lasers entlang der zu schneidenden Kontur eine bestimmte Fase und/oder eine bestimmte Fasengeometrie zu erzeugen. Der erfindungsgemäße Laserscanner ist nahe der Werkzeugschnittstelle montiert und bewegt sich, wie das Werkzeug, relativ zum Werkstück. Zusätzlich kann der Laserstrahl über die Freiheits grade des Laserscanners relativ zum Werkzeug bewegt werden. Diese Relativbewegung kann durch den Laserscanner mit Geschwindigkeiten erfolgen, die mindestens eine Größenordnung höher als die des Werkzeugs selbst sind. Dies ermöglicht eine sequentielle mehrfache Vorbearbeitung der Laservorritznut (Mehrfachbelichtung) mit entsprechend hoher Eindringtiefe.

In einer bevorzugten Weiterführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auf der vom Laserscanner abgewandten Seite eine in das Werkstück gerichtete Zerspankraftkomponente durch das Werkzeug aufgebracht. Insbesondere bei der Bearbeitung von Schichtverbundmaterialien und faserverstärkten Kunststoffen, hier langfaserverstärkten Kunststoffen, kann eine Delamination entlang der Schnittkante wirkungsvoll verhindert werden. Indem das Werkzeug zudem auf der gegenüberliegenden Seite einen ziehenden Schnitt vornimmt, ist ein Ausfasern der Schnittkante oder eine Delamination des Werkstücks wirkungsvoll auf beiden Seiten verhindert.

Die erfindungs gemäße Aufgabe wird ebenfalls durch eine Vorrichtung zum lasergestützten Trennen eines Werkstücks mit einem Trennwerkzeug erreicht. Das Trennwerkzeug ist entlang einer vorbestimmten Kontur relativ zu dem Werkstück verfahrbar. Der Laserstrahl kann innerhalb eines Arbeitsbereichs eines Laserscanners entlang der Kontur eine Nut in das Werkstück schneiden. Eine erfindungs gemäß vorgesehene Steuerung steuert einen Verfahrantrieb für das Trenn Werkzeug und für den Laserscanner derart an, dass das Werkzeug entlang der von dem Laserstrahl geschnittenen Nut schneidet, wobei bei einem gebogenen Konturabschnitt der Laserstrahl mittels des Laserscanners innerhalb des Arbeitsbereichs relativ zu dem Werkzeug ausgelenkt wird. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt im Rahmen des Trennvorgangs ein Trennen des Werkstücks auf zwei Arten. Zuerst werden äußere Schichten oder Teile der außenliegenden Schicht mit dem Laserstrahl getrennt und anschließend das übrige Material mit dem Trennwerkzeug. Durch das Verstellen des Laserstrahls in dem Arbeitsbereich des Laserscanners relativ zu dem Trennwerkzeug es möglich ist, auch mit dem vorauseilenden Laserschnitt eine gebogene Kontur zu schneiden.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Laserscanner rotierbar um die Werkzeughalterung montiert und verfährt mit dem Werkzeug. Der Laserscanner verfährt somit relativ zu dem Werkstück in zweifacher Weise, wobei die eine Bewegung gemeinsam mit dem Trennwerkzeug und die andere Bewegung durch Rotation um die Hochachse des Trennwerkzeugs erfolgen. Die Rotation des Laserscanners um die Hochachse des Werkzeugs gestattet eine Verschiebung des Arbeitsbereichs des Laserscanners auf der Werkstückoberfläche, damit der Arbeitsbereich des Laserscanners in Vorschubrichtung vor dem Trennwerkzeug positioniert ist. Die Bewegung des Laserstrahls innerhalb des Arbeitsbereichs des Laserscanners ist die Bewegung, die das Abfahren eines gebogenen Konturabschnitts gestattet mit einer Verfahrgeschwindigkeit relativ zum Werkstück, die vorzugsweise ungleich der Verfahrgeschwindigkeit des Werkzeugs relativ zum Werkstück ist. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Laserscanner um eine weitere Achse neigbar, die nicht parallel zu Hochachse des Werkzeugs ist. Das Neigen des Laserscanners erlaubt es, den Arbeitsbereich des Scanners auf der Werkstückoberfläche zu verschieben und einen Winkel zwischen Hauptachse des Laserscanners und Senkrechten auf der Werkstückoberfläche einzustellen.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Laserstrahl durch Rotation des Scanners um die Werkzeughochachse und Neigung um eine dazu nicht parallele Achse in einem Lasereinfallwinkel zur Werkstückoberfläche geneigt. Diese Rotation und Neigung der Laserscaneinheit gestattet es, einen definierten Fasenwinkel an dem Werkstück zu schneiden. Der Fasenwinkel entspricht der Projektion des Raumwinkels des Lasereinfalls auf eine Ebene orthogonal zur Vorschubrichtung des Trenn Werkzeug s .

In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung ist eine zweite Laserscaneinheit vorgesehen, deren Arbeitsbereich auf die geschnittene Kante auf der von der ersten Laserscaneinheit abgewandten Seite des Werkstücks gerichtet ist. Die zweite Laserscaneinheit erlaubt es, entlang der Schnittkante auch auf der der Laserscaneinheit abgewandten Seite des Werkstücks einen Grat zu entfernen und/oder eine Anfasung zu schneiden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 ein spanendes Werkzeug bei dem Trennvorgang eines ebenen

Werkstücks mit einem vorauseilenden Laserschnitt,

Fig. 2 eine Ansicht entlang der Linie A-A aus Fig. 1,

Fig. 3 eine Draufsicht auf das spanende Werkzeug aus Fig. 1,

Fig. 4 zeigt eine zweite Ausführungsform mit zwei Laserscannern in einer

Ansicht von der Seite,

Fig. 5 zeigt einen Schnitt entlang der Linie C-C aus Fig. 4,

Fig. 6 zeigt die einzelnen Arbeitsschritte A bis G bei einer beidseitig angefasten Schnittkante,

Fign. 7a-b zwei Varianten einer Fase an der Werkstückkante, Fig. 8 eine schematische Ansicht einer Wärmeeinflusszone und

Fig. 9 eine dritte Ausführungsform mit einem scheibenförmigen, spanenden

Werkzeug.

Fig. 1 zeigt ein spanendes Werkzeug 6, das mit der Drehrichtung und Drehzahl n um seine Hochachse 10 dreht und dabei in der Verfahrrichtung mit Verfahrgeschwindigkeit Vf verfährt. Ein Laserscanner 1 ist in einem Abstand Ii zu der Hochachse 10 des Werkzeugs angeordnet und um eine quer zur Hochachse stehende Achse D, die senkrecht zur der Werkstücknormalen verläuft, ausgerichtet. Der Laserscanner 1 ist um den Winkel i um die D-Achse geneigt. Der Laserscanner 1 erzeugt einen Fokuspunkt 11 auf der Oberseite des Werkstücks 5. Der Laserscanner 1 besitzt einen dreidimensionalen Arbeitsbereich 2 innerhalb dessen der Laserstrahl 7 fokussiert zur Erzeugung eines Fokuspunkts 11 bewegt werden kann.

In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Hauptachse 21 des Laserscanners durch ein Neigen um den Winkel i so ausgerichtet, dass sie die Hochachse 10 des Werkzeugs auf der Unterseite des Werkstücks 5 schneidet.

Fig. 2 zeigt den Aufbau aus Fig. 1 entlang der Schnittansicht A-A. Deutlich zu erkennen ist in Fig. 2, dass das spanende Werkzeug 6 entlang einer gebogenen Konturlinie 22 läuft, die durch den Fokuspunkt 11 des Laserscanners 1 vorgeschnitten ist. Ebenfalls deutlich zu erkennen in Fig. 2 ist, dass der Laserstrahl in dem ovalen Arbeitsbereich 2 des Laserscanners auf dem Werkstück außermittig ausgelenkt ist. Das spanende Werkzeug kann auf beliebigen Bearbeitungskonturen 8 verfahren werden. Auch eine Kurvenfahrt und spitze Winkel entlang dieser Bearbeitungskontur 8 sind möglich. Die beschriebene Rotation des Laserscanners 1 um die Hochachse 10 und die D- Achse dienen dazu, Bereiche vor dem spanenden Werkstück auf der Werkstückoberfläche mit dem Fokuspunkt 11 zu erreichen, um eine Bearbeitung durch den Laserstrahl vor der spanenden Bearbeitung erzielen zu können.

Fig. 3 zeigt den Schnitt aus Fig. 2, mit einer um den Winkel ßi rotierten Laserscaneinheit. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Laserscaneinheit 1 rotierbar um die Hochachse 10 des Werkzeugs. Dies erlaubt es, Arbeitsbereich 2 des Laserscanners 1 zu verschieben, um die gewünschte Kante zu schneiden.

Fig. 4 zeigt eine Trennvorrichtung mit einem zweiten Laserscanner 12, dessen Fokuspunkt 14 auf der abgewandten Seite des Werkstücks 13 liegt. Ebenso wie der erste Laserscanner 1 um den Winkel ι geneigt ist, ist auch der zweite Laserscanner 12 um einen Winkel a ₂ geneigt. Wie in der Schnittansicht entlang der Linie C-C aus Fig. 5 zu erkennen, ist die zweite Laserscaneinheit 12 um einen Winkel ß ₂ gegenüber der entgegengesetzten Vorschubrichtung des Trennwerkzeugs gedreht. Auch der Abstand 1 ₂ der zweiten Laserscaneinheit 12 gegenüber dem Werkstück kann von dem Abstand Ii verschieden sein. Mit der Verwendung eines ersten und eines zweiten Laserscanners kann die Werkstückkante auf beiden Seiten beispielsweise gefast werden.

Fig. 6 zeigt die Bearbeitungs schritte in ihrer Reihenfolge A bis G, wobei jeweils der gleiche Werkstückquerschnitt zu unterschiedlichen Zeitpunkten dargestellt ist, während sich der Trennvorgang vollzieht. Fig. 6 zeigt eine optionale Vermessung des Differenzabstandes Δζ zwischen einer bekannten Sensorposition und dem Werkstück, beispielsweise über eine Lasertriangulation 24. Figur 6B zeigt den einfallenden Laser der ersten Laserscannereinheit, der unter einem Winkel γι gegenüber der normalen Werkstückfläche 15 auf das Werkstück fällt und eine Furche oder Nut 16 oberflächlich in das Werkstück schneidet (vgl. Fig. 6C).

Fig. 6D zeigt das spanende Werkzeug 6, welches sich relativ zum Werkstück bewegt und das in Vorschubrichtung vor dem Werkzeug liegendes Material zerspant. Die Furche 16 ist auf der Werkstückoberfläche um den vertikalen Abstand Fi gegenüber der späteren Bauteilschnittfläche 17 versetzt. Nach der Zerspanung des betrachteten Querschnitts entsteht am Bauteil auf der Oberseite eine Fase zwischen der Bauteiloberfläche und der Bauteilschnittfläche mit der Länge Fi.

Unmittelbar hinter dem spanenden Werkzeug ist ein zweiter Laserstrahl geführt, der in einem projizierten Winkel γ ₂ zur Werkstückoberflächennormalen auf die Bauteilunterkante gelenkt ist. Je nach Größe des Winkels γ ₂ entsteht an die Werkstückunterseite an die Schnittfläche 17 angrenzend eine zusätzlich Fase der entsprechenden Breite F ₂ .

Fig. 7 zeigt, nunmehr vergrößert, mit den Varianten a und b eine Fase an der Werkstückkante, die mit dem Laserstrahl 7eingebracht wird. Bei einem von 0 verschiedenen Neigungswinkel γι kann auch die Fase mit einem entsprechenden Neigungswinkel γι hergestellt werden. Ebenfalls lassen sich gewünschte Geometrien, wie in Fig. 7b gezeigt, durch mehrmaliges Überfahren des Werkstückmaterials mit dem Laserlicht erzielen. Fig. 7b zeigt sechs Schnitte mit dem Laserstrahl 7 bei einer Führung des Laserstrahls mit einem projizierten Winkel γι von 0°. Je nach verwendetem Material können hier unterschiedliche Formen und Konturen in die Kante geschnitten werden. Fig. 8 zeigt schematisch die Wärmeeinflusszone 9 des Laserstrahls 7 auf das Werkstück 4. Der rechte schraffierte Bereich 19 dieser Wärmeeinflusszone wird in dem nicht weiter verwendeten Material des Werkstücks eingebracht und bei der Bearbeitung zerspant.

Fig. 9 zeigt einen Aufbau wie aus Fig. 1, jedoch mit einem scheibenförmigen und kurvenschneidfähigem, spanenden Werkzeug, wie beispielsweise einem Sägeblatt oder einer Trennscheibe. Auch hier ist der Laserscanner 1 um einen Winkel ι geneigt, um möglichst werkzeugnah zu schneiden. Auch das seitliche Verschwenken der Laserscaneinheit 1 ist durch den Winkel ßi angedeutet, um eine vorlaufende Führung bei gekrümmten Konturen zu ermöglichen

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt über den ersten Laserstrahl ein Trennen der äußersten Materiallagen mittels Laserstrahl, so dass das nachfolgende spanende Werkzeug zur delaminations- und gradfreien Kantenerzeugung eingesetzt werden kann.