SZELAGOWSKI, Arnd (Beethovenstr. 20, Kirchheim unter Teck, 73230, DE)
STUTE, Uwe (Rübezahlweg 11, neustadt am Rübenberge, 31535, DE)
WAHL, Eberhard (Öhrichstrasse 3, Weilheim, 73235, DE)
SZELAGOWSKI, Arnd (Beethovenstr. 20, Kirchheim unter Teck, 73230, DE)
STUTE, Uwe (Rübezahlweg 11, neustadt am Rübenberge, 31535, DE)
| Ansprüche Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken (12) mit einer Lasereinrichtung (18) und einer Lichtbogeneinrichtung (19), - bei welchem durch einen Laserstrahl (19) der Lasereinrichtung (17) als Führungseinrichtung ein oder mehrere Lichtbogen der Lichtbogeneinrichtung (18) geführt wird, - bei welchem zwischen der Lichtbogeneinrichtung (18) und einer Bearbeitungsstelle (22) am Werkstück (12) ein Lichtbogen (24) von der Lichtbogeneinrichtung (18) auf die Bearbeitungsstelle (22) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, - dass der Lichtbogen oder Plasmagasstrahl zum Schneiden verwendet wird. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, - dass der Laserstrahl (19) unmittelbar vor dem Auftreffen eines durch die Lichtbogeneinrichtung (18) erzeugten Plasmagasstrahles (23) auf der Bearbeitungsstelle (22) des Werkstücks (12) von außen an den Plasmagasstrahl (23) herangeführt wird und den Plasmagasstrahl (23) schneidet oder - dass der zumindest eine Laserstrahl (19) vollständig innerhalb des Plasmagasstrahles (23) ausgerichtet wird, und - dass durch den Laserstrahl (19) im Plasmagasstrahl (23) ein Kanal zur kontrollierten Erhöhung der Leitfähigkeit des Plasmagasstrahles (23) gebildet wird. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der innerhalb des Plasmagasstrahles (23) ausgerichtete Laserstrahl (19) koaxial zum Plasmagasstrahl (23) geführt wird. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Laserstrahl (19) innerhalb des Plasmagasstrahles (23) die Konzentration des ionisierten Gases entlang des Laserstrahlweges erhöht wird. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Strahldurchmesser des Laserstrahles (19) ein Durchmesser des Kanals im Plasmagasstrahl (23) zur Einschnürung des Lichtbogens für die Bearbeitung des Werkstücks (12) eingestellt wird. 6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (19) mit einem Fokuspunkt zu einer Elektrode der Lichtbogeneinrichtung (18) eingestellt wird, der an der Elektrode oder zwischen der Elektrode (26) und der Bearbeitungsstelle (22) am oder im Werkstück (12) liegt. 7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Plasmagasstrahl (23) von einem Hüllgas eingehüllt wird. 8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Plasmagasstrahl (23) senkrecht auf die Bearbeitungsstelle (22) des Werkstücks (12) zugeführt wird. 9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Plasmagasstrahl (23) und ein Laserstrahl (19) koaxial zur ringförmigen Elektrode (26), insbesondere durch eine Öffnung der ring¬ förmigen Elektrode (26) der Lichtbogeneinrichtung ( 18) auf die Bearbeitungsstelle (22) des Werkstücks (12) zugeführt wird. 10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Kombination des Laserstrahls der Lasereinrichtung ( 17) und des Lichtbogens (24) der Lichtbogeneinrichtung (18) die Lichtbogen- Spannung oder der Lichtbogenstrom oder beides geregelt und ü- berwacht wird. 11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser als Zündhilfe für den Start des Lichtbogens oder des Plasmagasstrahls eingesetzt wird. 12. Vorrichtung zur Aufnahme von Werkstücken für einen Bearbeitungsvorgang im Werkstück (12), insbesondere zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, mit einer Bearbeitungseinrichtung, die eine Lasereinrichtung (17) und eine Lichtbogeneinrichtung (18) umfasst, dadurch gekennzeichnet, - dass wenigstens ein Bearbeitungskopf (21) vorgesehen ist, durch den ein Plasmagasstrahl von der Lichtbogeneinrichtung (18) zur Bearbeitungsstelle (22) des Werkstücks (12) ausgerichtet ist, und - dass ein oder mehrere Laserstrahlen der Lasereinrichtung (17) von außen an den Plasmagasstrahl (23) unmittelbar vor der Bearbeitungsstelle (22) angrenzend und diesen schneidend zur Bearbeitungsstelle (22) geführt ist oder sind oder - dass ein Laserstrahl ( 19) der Lasereinrichtung (17) innerhalb des Plasmagasstrahles (23) geführt ist und - dass der Laserstrahl (19) in dem Plasmagasstrahl (23) einen Kanal zur Erhöhung der Leitfähigkeit des Plasmagasstrahles (23) ausbildet. 13. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Bearbeitungskopf (21) der zur Bearbeitungsstelle (22) geführte Laserstrahl (19) und die Elektrode (26) der Lichtbogeneinrichtung ( 18) ortsfest zueinander angeordnet sind. 14. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Bearbeitungskopf (21) durch einen ein- oder mehrachsigen Manipulator bewegbar ist. 15. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Bearbeitungskopf (21) in x- und y-Richtung entlang dem auf einer Werkstückaufnahme (14) aufliegenden Werkstück (12) verfahrbar ist und vorzugsweise in z-Richtung bewegbar oder um zumindest eine der drei Raumachsen schwenkbar aufgenommen ist. 16. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (26) der Lichtbogeneinrichtung (18) als Ringelektrode ausgebildet ist, und innerhalb einer zentralen Öffnung (28) der E- lektrode (26) ein Laserstrahl (23) durchführbar angeordnet ist. 17. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Bearbeitungskopf (21) eine den Plasmagasstrahl (23) bildende Düsenöffnung (29) benachbart zur Öffnung (28) der Elektrode (26) der Lichtbogeneinrichtung (18) aufweist, welche insbesondere durch die Ringelektrode ausgebildet ist, und bevorzugt koaxial zur Düsenöffnung (29) des Plasmagasstrahles (23) eine Hüllgasdüse (32) zur Ausgabe eines Hüllgases vorgesehen ist. 18. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (26) der Lichtbogeneinrichtung (18) an eine Düsenöffnung (29) angrenzend oder innerhalb der Düsenöffnung (29) der Plasmagasdüse angeordnet ist und vorzugsweise die Düsenöffnung (29) des Plasmagasstrahles (23) innerhalb der Düsenöffnung (30) des Hüllgases angeordnet ist. 19. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung von dem einen oder mehreren Laserstrahlen (19) von außen zum Plasmagasstrahl (23) zur Erzeugung des Kanals in ei¬ nem spitzen Winkel zwischen dem Plasmagasstrahl (23) und dem oder den Laserstrahlen (19) mit einem gemeinsamen Schnittpunkt in der Bearbeitungsstelle (22) von weniger als 15°, vorzugsweise als weniger als 10° und insbesondere weniger als 5°, vorgesehen ist. |
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bearbeitung von Werkstücken mit einer Lasereinrichtung und einer Lichtbogen- einrichtung, bei welchen ein Laserstrahl und ein Lichtbogen auf eine Bearbeitungsstelle zum Bearbeiten des Werkstückes zugeführt wird.
Aus der DE 201 01 452 Ul ist eine Bearbeitungsvorrichtung für ein Werkstück bekannt, welche eine Lasereinrichtung und eine Lichtbogeneinrichtung aufweist. Durch die Lichtbogeneinrichtung wird ein Lichtbogen auf die Bearbeitungsstelle des Werkstückes gerichtet. Von einer Lasereinrichtung wird über eine Fokussiereinrichtung ein Laserstrahl auf den Fußpunkt des Lichtbogens am Werkstück gerichtet, so dass diese sich am Werkstück treffen. Der Lichtbogen wird dabei durch den Laser-
BESTÄTIGUNGSKOPIE strahl geführt, wobei sich der Laserstrahl mit einer eigenen steuerbaren Kinematik gegenüber dem Lichtbogen bewegt und dadurch den Lichtbogen in die gewünschte Position führt und gegebenenfalls ablenkt. Der Lichtbogen folgt dem aufgrund der Laserstrahlbewegung wandernden Fußpunkt bzw. im Auftreffpunkt des Laserstrahls auf dem Werkstück. Somit kann der Lichtbogen entsprechend genau zum Werkstück positioniert und gelenkt werden. Insbesondere kann dadurch ein Pendelschweißen erzielt werden.
Aufgrund ständig steigender Anforderungen an die Bearbeitung von Materialien bezüglich deren Genauigkeit als auch bezüglich der Bearbeitungsgeschwindigkeit bzw. Verkürzung von Prozesszeiten ist es erforderlich, solche bekannten Technologien weiterzuentwickeln.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bearbeiten von Werkstücken mit einer Lasereinrichtung und einer Lichtbogeneinrichtung zu schaffen, wodurch eine Erhöhung einer Leistungsdichte in einem Plasmagasstrahl zur Erhöhung der Energieeinbringung zur Bearbeitung von Werkstücken ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken gelöst, bei dem gemäß einer ersten Alternative der Laserstrahl unmittelbar vor dem Auftreffen des Plasmagasstrahles der Lichtbogeneinrichtung auf die Bearbeitungsstelle des Werkstückes von außen an den Plasmagasstrahl herangeführt wird und den Plasmagasstrahl schneidet. Dadurch wird ermöglicht, dass innerhalb des Plasmagasstrahles ein Kanal durch den Laserstrahl geschaffen wird, der eine kontrollierte Erhöhung der Leitfähigkeit des Plasmagasstrahles bewirkt. Durch diese Erhöhung der Leitfähigkeit wird gleichzeitig auch eine Erhöhung des Lichtbogenstromes erzielt, wodurch ein erhöhter Energieeintrag aufgrund geringerer Verluste bzw. eines verringerten Widerstandes für den Lichtbogenstrom gegeben ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken wird gemäß einer zweiten alternativen Ausführungsform dadurch gelöst, dass der zumindest eine Laserstrahl vollständig innerhalb des Plasmagasstrahles ausgerichtet wird und dadurch im Plasmagasstrahl ein Kanal zur kontrollierten Erhöhung der Leitfähigkeit des Plasmagasstrahles gebildet wird. Der Lichtbogen wird aufgrund der erhöhten Leitfähigkeit und des dadurch verringerten Widerstandes entlang diesem Kanal geführt. Dadurch kann eine Fokussierung und Stabilisierung des Lichtbogens innerhalb dem Plasmagasstrahl erzielt werden. Damit wirkt der Laserstrahl selbst nicht oder nur unwesentlich im Prozess, d.h., die Laserenergie leistet keinen wesentlichen Beitrag zur Materialbearbeitung, sondern be- einflusst lediglich den Plasmagasstrahl.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit insbesondere ein Abtragen von Material mit einem Lichtbogen innerhalb eines laserinduzierten Plasmas. Dieses Abtragen kann sowohl eine Oberflächenbearbeitung von verschiedenen Materialien wie Metall, Glas, Keramik oder dgl. umfassen als auch ein Trennen oder Schneiden von solchen Materialien, insbesondere von Blechen. Ebenso kann auch ein Schweißen von Materialien möglich sein. Durch die Stabilisierung und Führung des Lichtbogens innerhalb des Kanals, der durch den Laserstrahl im Plasmagasstrahl erzeugt wird, kann auch ein Fügen von verschiedenen Stählen und Aluminium ermöglicht werden. Gleichzeitig ist eine geringere Materialzerstörung und eine höhere Präzision und höhere Geschwindigkeit in der Bearbeitung ermöglicht.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass der innerhalb des Plasmagasstrahles ausgerichtete Laserstrahl koaxial zum Plasmastrahl geführt wird. Dadurch kann ein Aufweiten des Lichtbogens reduziert und eine hohe Ionisierung des Plasmagases zur Erhöhung der Leitfähigkeit erzielt werden.
Des Weiteren wird durch den Laserstrahl innerhalb des Plasmagasstrahles die Konzentration des ionisierten Gases entlang des Laserstrahlweges erhöht. Mittels des Lasers wird ein Plasmakanal gezündet. Plasma wird als vierter Aggregatzustand verstanden, bei dem das Gas einen extrem hohen energetischen Zustand aufweist (Ionisation). Es ist damit elekt- risch leitend. Durch diese zusätzlich hochenergetischen Atome steigt die Konzentration bzw. Energie im Plasmagasstrahl.
Die Erhöhung der Leitfähigkeit ist sowohl durch die Generierung von Plasma durch den Laserstrahl, als auch durch die Erzeugung eines angeregten Zustandes der Gasmoleküle (opto-galvanischer Effekt) möglich, bei dem die zusätzliche Energie zur Ionisierung reduziert ist.
Durch den Strahldurchmesser des Laserstrahles wird bevorzugt ein Durchmesser des Kanals im Plasmagasstrahl zur Einschnürung des Lichtbogens für die Bearbeitung der Werkstücke eingestellt. Dadurch können verschiedene Prozessparameter gesteuert werden, so dass in Abhängigkeit der zur Bearbeitung anstehenden Aufgaben der Strahldurchmesser des Laserstrahles variiert werden kann. Die Größe bzw. der Durchmesser des durch den Laser aufgebauten Plasmakanals bestimmt den Durchmesser des Plasmagasstrahls. Durch Änderung des Plasmakanals mittels Variation des Laserstrahls infolge Rohstrahländerungen kann der Plasmagasstrahl gezielt manipuliert werden. Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit, je nach Anwendung (Oberflächenbearbeitung, Schneiden, Schweißen, etc.) die optimalsten Prozessparameter einzustellen. Die Breite des Plasmakanals bestimmt die Schnittfugenbreite und damit die Schnittgeschwindigkeit. Beim Schweißen lässt sich der notwendige Durchmesser des Arbeitspunktes zur Überlappung gezielt einstellen.
Der Laserstrahl wird bevorzugt mit einem Fokuspunkt zu einer Elektrode der Lichtbogeneinrichtung eingestellt, so dass der Fokuspunkt an der Elektrode oder zwischen der Elektrode und der Bearbeitungsstelle am oder im Werkstück liegt. Dadurch kann die Erhöhung der Leitfähigkeit und somit der Stromfluss des Lichtbogens beeinflusst und innerhalb des Plasmastrahls konzentriert werden. Gleichzeitig kann der Energieabtrag in Abhängigkeit des Bearbeitungsprozesses entsprechend angesteuert werden. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass der Fokuspunkt unterhalb des zu bearbeitenden Werkstückes liegt.
Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass der Plasmagasstrahl von einem Hüllgas eingehüllt ist. Dadurch kann eine Kontamination mit der Umgebung verringert werden. Des Weiteren kann eine bessere Formung des Plasmagasstrahles erzielt werden.
Ein wichtiger Vorteil des Lasereinsatzes ist in der verbesserten Zündfähigkeit beim Prozessstart zu sehen. Insbesondere kann durch eine gezielte Auswahl des Plasma- und des Hüllgases in Bezug auf die Absorptionseigenschaften die Prozessführung verbessert werden.
Zur besonders wirksamen Bearbeitung von Werkstücken ist vorgesehen, dass der Plasmagasstrahl senkrecht auf die Bearbeitungsstelle des Werkstückes zugeführt wird. Dadurch wird ein maximaler Energieeintrag erzielt. Gleichzeitig kann ein Austreiben des Materials aus einem Schnittspalt erzielt werden. Der Plasmagasstrahl unterstützt dabei die Ablation des durch den Lichtbogen aufgeheizten Materials.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens sieht vor, dass ein Plasmastrahl und ein Laserstrahl koaxial zu einer ringförmigen Elektrode bzw. Ringelektrode auf die Bearbeitungsstelle des Werkstücks zugeführt werden. Dadurch können während dem Bearbeiten der Werkstücke gleichbleibende Bedingungen zur Erhöhung der Leitfähigkeit des Kanals im Plasmagasstrahl erzielt werden. Des Weiteren wird durch eine solche koaxiale Anordnung ermöglicht, dass ein Abstand zwischen der Ringelektrode und der Bearbeitungsstelle des Werkstückes vergrößert wer ¬ den kann.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass in der Kombination des Laserstrahles der Laserstrahleinrichtung und des Lichtbogens der Lichtbogeneinrichtung die Lichtbogenspannung oder der Lichtbogenstrom geregelt und überwacht werden können. Dies ermöglicht eine gezielte Bearbeitung von Materialien, wie beispielsweise dem Schweißen oder dem Schneiden als auch dem teilweisen Abtragen, ins ¬ besondere dem Gravieren oder Einbringen von Konturen in ein Werkstück. In heutigen Schweißquellen wird bereits der Zusammenhang zwi ¬ schen Lichtbogenspannung oder -ström und Abstand als Regelgröße ge ¬ nutzt. Eine Überwachung dieser Größe kann damit sowohl zur Abstands ¬ regelung als auch zur Leistungsregelung eingesetzt werden. Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit einer geregelten Bearbeitung unter optimalen Bedingungen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zur Aufnahme von Werkstücken für einen Bearbeitungsvorgang im Werkstück gemäß einer ersten Ausführungsform dadurch gelöst, dass wenigstens ein Bearbeitungskopf vorgesehen, durch den ein Plasmagasstrahl von der Lichtbogeneinrichtung zur Bearbeitungsstelle des Werkstückes ausgerichtet ist und ein oder mehrere Laserstrahlen der Lasereinrichtung von außen an dem Plasmagasstrahl unmittelbar vor der Bearbeitungsstelle angrenzen und diesen schneiden. Dadurch kann innerhalb des Plasmagasstrahles ein Kanal zur Erhöhung der Leitfähigkeit des Plasmagasstrahl erzielt werden, wodurch wiederum eine gezieltes Führung des Lichtbogens ermöglicht wird. Bei dieser Ausführungsform kann insbesondere vorgesehen sein, dass mehrere Laserstrahlen unmittelbar vor der Bearbeitungsstelle außen angrenzend angeordnet sind, wodurch durch die Laserstrahlen eine Verengung des Plasmagasstrahles erzielt und eine Aufweitung verhindert wird.
Die Vorrichtung weist gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen alternativen Ausführungsform einen Bearbeitungskopf auf, bei dem der Laserstrahl der Lasereinrichtung innerhalb des Plasmagasstrahles geführt ist, so dass wiederum der Laserstrahl in dem Plasmagasstrahl einen Kanal zur Erhöhung der Leitfähigkeit des Plasmagasstrahles bildet. Dadurch kann wiederum der Plasmaschneidprozess durch die Unterstützung des Laserstrahles verbessert werden. Gleichzeitig kann auch bei dieser Ausführungsform eine verbesserte Kantenqualität und schmalere Schnittfugen sowie eine erhöhte Konturgenauigkeit geschaffen sein.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Vorrichtung sieht vor, dass in dem Bearbeitungskopf der zur Bearbeitungsstelle geführte Laserstrahl und eine Elektrode der Lichtbogeneinrichtung ortsfest zueinander geführt sind. Dies ermöglicht eine einfache Ansteuerung der Lasereinrichtung und Lichtbogeneinrichtung bezüglich der Führung entlang einer Bearbeitungsstelle am oder im Werkstück. Dadurch wird sichergestellt, dass immer gleiche Verhältnisse bezüglich der Erzeugung des Kanals im Plasmagasstrahl durch den Laserstrahl gegeben sind.
Bevorzugt wird der Bearbeitungskopf durch einen ein- oder mehrachsigen Manipulator insbesondere Roboters bewegt. Dadurch kann eine flexible Einsatzbereitschaft gegeben sein.
Alternativ kann vorgesehen werden, dass der Bearbeitungskopf nach Art eines Scanners oberhalb dem Werkstück zu dessen Bearbeitung bewegt wird. Dazu kann der Bearbeitungskopf bevorzugt in X- und Y-Richtung entlang dem auf einer Werkstückauflage aufnehmenden Werkstück verfahrbar und vorzugsweise in Z-Richtung bewegbar oder zumindest um eine der drei Raumachsen schwenkbar angeordnet. Eine solche Ausgestaltung ermöglicht, dass der Bearbeitungskopf beispielsweise in bestehende Konfigurationen einer Laserflachbettschneidmaschine eingesetzt werden kann. Darüber hinaus kann ein solcher Bearbeitungskopf auch für weitere bestehende Laserschneidmaschinen eingesetzt werden, welche ein ein- oder mehrachsiges Linearachsensystem aufweisen. Die für den Laserstrahl vorgesehenen Anschlüsse und Strahlführungskomponenten können dabei verwendet werden.
Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass die Elektrode der Lichtbogeneinrichtung als Ringelektrode ausgebildet ist und innerhalb einer zentralen Öffnung der Elektrode ein Laserstrahl durchführbar angeordnet ist. Diese Anordnung weist einen konstruktiv einfachen Aufbau auf. Darüber hinaus kann ein schneller und einfacher Austausch solcher Ringelektroden, die Verschleißteile sind, vorgesehen sein.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des Bearbeitungskopfes sieht vor, dass dieser eine Düsenöffnung aufweist, welcher zur Formung des Plasmagasstrahles dient und dass innerhalb dieser Düsenöffnung eine Elektrode der Lichtbogeneinrichtung vorgesehen ist. Dabei ist bevorzugt vorgesehen, dass die Elektrode als Ringelektrode zur zentralen Hindurchführung des Laserstrahles ausgebildet ist oder dass außerhalb der Düsenöffnung ein oder mehrere Laserstrahlen entlang geführt werden. Dieser Bearbeitungskopf kann koaxial zur Düsenöffnung für den Plasmagasstrahl eine Düsenöffnung zur Ausgabe eines Hüllgases umfassen, welches den Plasmagasstrahl umgibt, wodurch eine vorzeitige Aufweitung des Plasmagasstrahles verhindert wird.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Bearbeitungskopfes kann vorgesehen sein, dass die Elektrode der Lichtbogeneinrichtung an eine Düsenöffnung angrenzt oder innerhalb dieser Düsenöffnung liegt, so dass das Plasmagas die Elektrode vollständig umströmt und dass vorzugsweise in Strömungsrichtung des Plasmagasstrahles gesehen die Düsenöffnung für das Hüllgas nach dem Austritt des Plasmagases aus seiner Düsenöffnung liegt. Dadurch kann eine vollständige Umhüllung des Plasmagasstrahles sichergestellt werden.
Nach einer weiteren alternativen Ausgestaltung der Vorrichtung ist vorgesehen, dass die Zuführung von einem oder mehreren Laserstrahlen von außen zum Plasmagasstrahl zur Erzeugung des Kanals in einem spitzen Winkel zwischen dem Plasmagasstrahl und dem oder den Laserstrahlen mit einem gemeinsamen Schnittpunkt in der Bearbeitungsstelle oder vor der Bearbeitungsstelle von weniger als 15° vorzugsweise weniger 10° und insbesondere weniger als 5° aufweist. Dadurch kann einer Aufweitung des Plasmagasstrahles entgegengewirkt werden. Gleichzeitig kann vor dem Auftreffen auf die Bearbeitungsstelle ein Kanal im Plasmagasstrahl gebildet werden, um die Leitfähigkeit zu erhöhen und die Führung des Lichtbogens zu gewährleisten.
Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen derselben werden im Folgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Beispiele näher beschrieben und erläutert. Die der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmenden Merkmale können einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination erfindungsgemäß angewandt werden. Es zeigen :
Figur 1 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zum
Bearbeiten von Werkstücken, Figur 2 eine schematische Seitenansicht einer ersten Ausführungsform eines Bearbeitungskopfes der Vorrichtung gemäß Figur 1,
Figur 3 eine schematische Schnittansicht einer alternativen
Ausführungsform zu Figur 2 und
Figur 4 eine weitere schematische Schnittansicht einer alternativen Anordnung einer Lasereinrichtung und Lichtbogeneinrichtung zur Bildung des Bearbeitungskopfes.
In Figur 1 ist schematisch eine Vorrichtung 11 zur Aufnahme eines plat- tenförmigen Werkstückes 12 auf einer Werkstückauflage 14 dargestellt. Auf dieser Werkstückauflage 14 werden bevorzugt platten- oder tafelförmige Werkstücke 12 zur anschließenden Bearbeitung durch die Vorrichtung 11 aufgelegt. Die Vorrichtung 11 umfasst eine Steuerung 16, welche zur Ansteuerung einer Lasereinrichtung 17 und einer Lichtbogeneinrichtung 18 vorgesehen ist. Durch die Lasereinrichtung 17 wird ein Laserstrahl 19 erzeugt, der über ein nicht näher dargestelltes Strahlführungssystem einem Bearbeitungskopf 21 zugeführt und von dort aus auf eine Bearbeitungsstelle 22 am oder im Werkstück 12 gerichtet ist. Durch die Lichtbogeneinrichtung 18 wird ein Plasmagasstrahl 23 erzeugt, der ebenfalls über den Bearbeitungskopf 21 zur Bearbeitungsstelle 22 geführt wird. Innerhalb des Plasmagasstrahles 23 wird ein Lichtbogen 24 geführt, der der Bearbeitungsstelle 22 zugeführt wird.
Zur Bearbeitung des Werkstückes 12 kann vorgesehen sein, dass der Bearbeitungskopf 21 zumindest in X- und Y-Richtung oberhalb des auf der Werkstücknahme 14 aufliegenden Werkstückes 12 verfahrbar durch ein Linearachsensystem oder eine Handhabungseinrichtung vorgesehen sein. Darüber hinaus kann der Bearbeitungskopf 21 vorzugsweise in Z- Richtung bewegbar und/oder um zumindest eine der drei Raumachsen schwenkbar aufgenommen sein. Bevorzugt werden mehrachsige Linearsysteme oder Handhabungseinrichtungen, wie beispielsweise Roboter, eingesetzt. Alternativ kann vorgesehen sein, dass der Bearbeitungskopf 18 feststehend vorgesehen ist oder nur in der Z-Achse verfahrbar ist und die Werkstückaufnahme 14 in X- und Y-Richtung zur Bearbeitung bewegt wird.
Durch die Ausgestaltung der Vorrichtung 11 mit einer Lasereinrichtung 17 und einer Lichtbogeneinrichtung 18 wird eine Bearbeitung des Werkstückes mit einem laserinduzierten Plasma beziehungsweise einem in einem Kanal des Plasmagasstrahles 23 geführten Lichtbogen 24 erzeugt, wobei der Kanal durch den Laserstrahl 19 gebildet wird. Hierfür ist bevorzugt das Werkstück 12 als negative Elektrode ausgebildet und der Bearbeitungskopf als positive Elektrode. Anwendungsspezifisch kann dies auch vertauscht sein. Die Lasereinrichtung 17 kann dabei beispielsweise C0 2 -Laser oder UV-Laser verwenden. Als vorteilhaft erweisen sich auch Kurzpulslaser, sowie Laser mit langen Pulsdauern. Ebenso sind Diodenlaser oder Faser- bzw. Scheibenlaser einsetzbar.
In den nachfolgenden Figuren 2 bis 4 werden einzelne Ausführungsformen oder Anordnungen zum Aufbau und Bildung eines Bearbeitungskopfes 21 näher beschrieben.
In Figur 2 ist eine schematische Schnittansicht des Bearbeitungskopfes 21 dargestellt, bei welchem ein Laserstrahl 19 zentral durch den Bearbeitungskopf 21 hindurchgeführt und auf die Bearbeitungsstelle 22 gerichtet wird. Koaxial zum Laserstrahl 19 wird der Plasmagasstrahl 23 geführt, wobei der Laserstrahl 19 und der Plasmagasstrahl 23 durch eine Elektrode 26, insbesondere Ringelektrode 26 hindurchgeführt wurden. Durch die koaxiale Anordnung des Laserstrahles 19 innerhalb des Plasmagasstrahles 23 wird ein Kanal 27 gebildet, innerhalb dem das ionisier ¬ te Plasmagas eine erhöhte Leitfähigkeit aufweist, um einen Lichtbogen 24 zur Bearbeitungsstelle 22 zu führen.
Durch die ringförmige Elektrode 26 wird der Plasmagasstrom eingeengt und geformt. Durch den vorzugsweise koaxial dazu geführten Laserstrahl
19 wird eine Stützung des Fußpunktes beziehungsweise des Auftreff ¬ punktes des Plasmagasstrahles 23 an der Bearbeitungsstelle 22 ermög ¬ licht. Bei einer solchen Ausführungsform kann beispielsweise ein Hüllgas entfallen, so dass eine vereinfachte Ausgestaltung des Bearbeitungskopfes ermöglicht ist.
Der dem Bearbeitungskopf 21 zugeführte Plasmagasstrahl 23 besteht beispielsweise aus einatomigen Argon und/oder zweiatomigen Gasen, wie Wasserstoff, Stickstoff oder Sauerstoff, die ionisiert sind. Ebenso kann als Plasmagasstrahl ionisierte Luft eingesetzt werden. Insbesondere kann durch eine gezielte Auswahl der Hüllgases in Bezug auf die Absorptionseigenschaften die Prozessführung verbessert werden.
Die Ringelektrode 26 beziehungsweise deren Längsachse der Austrittsöffnung steht bevorzugt senkrecht zum flächigen Werkstück 12 beziehungsweise zu dessen Erstreckungsebene in X- und Y-Richtung. Die Ringelektrode 26 ist dabei bevorzugt als austauschbare Ringelektrode an dem Bearbeitungskopf 21 angeordnet und weist insbesondere eine dü- senförmige Austrittsöffnung auf.
In Figur 3 ist schematisch eine alternative Ausgestaltung des Bearbeitungskopfes 21 im Schnitt dargestellt. Eine Ringeiektrode 26 liegt mit ihrer Öffnung 28 innerhalb einer Düsenöffnung 29 einer Plasmagasdüse 31, welche wiederum innerhalb einer Düsenöffnung 30 einer Hüllgasdüse 32 liegt. Der Laserstrahl 19 wird wiederum koaxial durch die Ringelektrode 26 hindurchgeführt und auf die Bearbeitungsstelle 22 gerichtet. Die Plasmagasdüse 31 engt das zugeführte Plasmagas zur Bildung des Plasmagasstrahles durch die Düsenöffnung 29 ein. Anschließend wird der Plasmagasstrahl 23 durch die Hüllgasdüse 32 mit Hüllgas umhüllt. Diese Ausgestaltung weist analoge Vorteile wie die Ausführungsform gemäß der Figur 2 auf. Zusätzlich wird der Plasmagasstrahl innerhalb dem Hüllstrahl geführt. Dadurch kann eine Bündelung des Plasmagasstrahles 23 aufrechterhalten bleiben. Darüber hinaus kann der Laserstrahl 19 wieder eine Fokussierung des Kanals 27 bewirken, wodurch der Lichtbogen 24 ebenfalls auf die Bearbeitungsstelle 22 fokussiert wird.
In Figur 4 ist schematisch eine alternative Ausführungsform des Bearbeitungskopfes 21 im Schnitt zu den Figuren 2 und 3 dargestellt. Bei dieser Anordnung ist vorgesehen, dass die Elektrode 26 Stab- oder stiftförmig ausgebildet ist und innerhalb der Plasmagasdüse 31 angeordnet ist, wobei durch die Plasmagasdüse 31 der Plasmagasstrahl zunächst geformt wird und in Richtung auf die Bearbeitungsstelle 22 austritt. Außerhalb der Plasmagasdüse 31 werden ein oder mehrere Laserstrahlen 19 in Richtung auf die Bearbeitungsstelle 22 gerichtet. Bevorzugt schneidet der oder die Laserstrahlen 19 am oder vor dem Auftreffen auf der Bearbeitungsstelle den Plasmagasstrahl 23, so dass wiederum ein Kanal 22 zur Erhöhung der Leitfähigkeit des Plasmagases gebildet wird, um den Lichtbogen 29 zu lenken und zu führen. Die Zuführung der Laserstrahlen 19 erfolgt vorzugsweise in einem Winkel von weniger als 15° geneigt zur Vertikalen, welche die Zuführachse den Plasmagasstrahl bildet. Vorzugsweise ist ein Winkel von weniger als 10° und insbesondere von weniger als 5° vorgesehen. Dadurch kann ein großer Überlappungsbereich vor der Bearbeitungsstelle 22 zwischen dem oder den Laserstrahlen 19 oder dem Plasmagasstrahl 23 erzielt werden.
Zur Bearbeitung des Werkstückes 12, insbesondere zum Trennen des Werkstückes 12, ist bevorzugt vorgesehen, dass zunächst für den Beginn eines solchen Trenn- oder Schneidprozess ein sogenannter Pilotbogen zwischen der Plasmagasdüse 31 und einer Elektrode 26 mittels Hochspannung gezündet. Dieser Pilotbogen führt zu einer Ionisation zwischen der Plasmagasdüse 31 und dem Werkstück 12, wodurch ein Zünden des Lichtbogens 24 eingeleitet und der Pilotbogen ausgeschalten wird. Somit brennt der Plasmagasstrahl 23 zwischen der Elektrode 26 und dem Werkstück 12. Im Plasmagasstrahl 23 wird eine Entladungsstrecke durch den vom Laserstrahl 19 erzeugten Kanal 27 definiert, durch den der Lichtbogen 26 geführt wird und eine Materialablation erzielt werden kann. Des Weiteren wird durch diese Materialbearbeitung, insbesondere Materialabtrag, eine exakte Kantenkontur erzielt. Durch den zum Schneidspalt geführten Plasmagasstrahl 23 kann ein gezieltes Ausbringen des abgetragenen Materials erfolgen. Zusätzlich kann hier eine Absaugung unterstützend wirken. Während der Bearbeitung des Werkstückes 12 ist es bevorzugt vorgesehen, die zeitliche Übereinstimmung des Laserstrahls 19 und einer Maximalspannung der Elektroden 26 zu optimieren und gemeinsam anzusteuern. Dies könnte durch ein gemeinsames Basissignal erfolgen, welches identisch sowohl für die Stär- kung der Prozessenergie einer Lasereinrichtung 17 als auch für die Verstärkung der Prozessenergie der Elektrode 26 verwendet wird. In Abhängigkeit der Bearbeitungsaufgaben kann die Lage des Fokuspunktes des Laserstrahles 19 direkt unterhalb der Elektrode 26 liegen, so dass nur eine geringe Aufweitung des Laserstrahles 19 und des Kanals 27 im Plasmagasstrahl 23 erfolgt. Ebenso kann der Fokuspunkt zwischen der Elektrode und dem Werkstück 12, aber auch unterhalb des Werkstückes 12, liegen. Des Weiteren ist beim Plasmaschneiden ausreichend bekannt, dass der Zündvorgang des Plasmagasstrahls beim Einstechen ein enormes Verschleißen der Elektrode als auch der Düsen und Düsenkappe bewirkt. Durch den mittels Laser erzielten Plasmakanal ist bereits ein hohes Energieniveau im Gas vorhanden, so dass für den Zündvorgang weniger Energie benötigt wird, wodurch eine Schonung der Elektrode und damit ein reduzierter Verschleiß erzielt werden kann.
Next Patent: INFRARED RADIANT HEATING DEVICE