Die Erfindung liegt auf dem technischen Gebiet der Fertigung metallischer Werkstückteile durch Einsatz eines Laserstrahls und betrifft ein Verfahren, bei dem eine Modifikation des Werkstücks mit einem Laserstrahl im nicht-trennenden Modus mit konstanter Streckenenergie auf dem Werkstück erfolgt.

Im Handel verfügbare Laserschneidvorrichtungen mit einem verfahrbaren Laserbearbeitungskopf zur Führung eines Laserstrahls ermöglichen eine automatisierte Fertigung von Werkstückteilen in großer Stückzahl und mit hoher Präzision. Hierbei werden Werkstückteile mit einem Laserstrahl aus einem metallischen Werkstück entlang jeweiliger Schnittlinien ausgeschnitten. Zusätzlich können durch Bewegen des Laserstrahls entlang kreisförmiger Schnittlinien Löcher, d.h. Ausschnitte mit kleinem Durchmesser, mit hoher Geschwindigkeit in die auszuschneidenden Werkstückteile eingebracht werden.

Abhängig von der Art des eingesetzten Laserschneidprozesses und der Verwendung der ausgeschnittenen Werkstückteile können die Schnittkanten eine aufwändige mechanische Nachbearbeitung benötigen. So kann es insbesondere gewünscht sein, eine Schnittkante mit einer Fase zu versehen, beispielsweise zur Schweiß- oder Lackiervorbereitung, oder um bestimmte geometrische Anforderungen an Werkstückteile zu erfüllen. Löcher, in denen bei der späteren Verwendung eines Werkstückteils Senkkopfschrauben angeordnet werden sollen, werden üblicherweise spanend mit einer Bohrmaschine nachbearbeitet, um die Senkungen zur Aufnahme der Köpfe der Senkkopfschrauben zu formen.

Grundsätzlich ist eine dem Ausschneiden eines Werkstückteils nachgelagerte mechanische Bearbeitung zeitlich und meist auch personell sehr aufwändig, zumal sie oft manuell erfolgt. Zudem ist eine solche Nachbearbeitung kostenintensiv, so dass sich die Herstellung von Werkstückteilen in unerwünschter Weise verlängert und verteuert.

Durch Ändern der Streckenenergie des Laserstrahls auf dem Werkstück kann der Laserstrahl wahlweise in einem das Werkstück trennenden Modus oder in einem das Werkstück nicht-trennenden und zugleich nicht-fügenden Modus eingesetzt werden. In der Patentliteratur ist das Modifizieren von Werkstücken durch einen Laserstrahl im nicht-trennenden Modus bekannt. So beschreibt die internationale Patentanmeldung WO 2020/173970 A1 ein Verfahren, bei dem Schnittkanten noch nicht freigeschnittener Werkstückteile durch einen Laserstrahl modifiziert, insbesondere mit einer Fase verwenden werden. In der internationalen Patentanmeldung WO 2020225448 A1 ist die Erzeugung von angesenkten Löchern mittels Laserstrahl gezeigt.

Nun hat sich in der Praxis gezeigt, dass beim Erzeugen einer Modifikation des Werkstücks im nicht-trennenden Modus die Modifikation eine Inhomogenität aufweisen kann, da das Anfahren und Abbremsen des Laserbearbeitungskopfs stets mit einer gewissen Latenzzeit einher geht, durch welche die Streckenenergie des Laserstrahls auf dem Werkstück beeinträchtigt wird. Dies kann beispielsweise dazu führen, dass eine Fase am Beginn und am Ende eine größere Tiefe aufweist, was nachteilig für die spätere Verwendung der Fase sein kann.

Demgegenüber besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, herkömmliche Verfahren, bei denen ein Werkstück mit einem Laserstrahl im nicht-trennenden Modus zur Erzeugung einer Modifikation bearbeitet wird, so weiterzubilden, dass die Modifikation möglichst homogen ist.

Diese und weitere Aufgaben werden nach dem Vorschlag der Erfindung durch ein Verfahren zur Laserstrahlbearbeitung eines zumindest abschnittsweise planen Werkstücks mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind durch die Merkmale der Unteransprüche angegeben.

Im Sinne vorliegender Erfindung bezeichnet der Begriff "Werkstück" ein platten- oder rohrförmiges, typischerweise metallisches Bauteil, aus dem mindestens ein Werkstückteil (Gutteil) herzustellen ist. Das plattenförmige Werkstück ist typischer Weise eben bzw. flach.

Der Laserstrahl wird von einem Laserbearbeitungskopf geführt und tritt an einer endständigen Düse aus. Der Laserstrahl ist wie üblich in Form eines fokussierten, rotationssymmetrischen Strahlkegels mit einer zentrischen Strahlachse (Symmetrieachse) ausgebildet. Der Strahldurchmesser kennzeichnet die Querausdehnung des Strahls oder die physische Größe des Strahls senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. Beim Fo- kussieren wird der Laserstrahl durch eine Fokussierlinse oder einen Fokussierspiegel gebündelt. Der Fokus des Laserstrahls ist durch jene Stelle definiert, an der der Laserstrahl seinen geringsten Querschnitt bzw. den geringsten Strahldurchmesser hat. Die Brennweite gibt die Entfernung der Linsenhauptebene (oder Spiegelhauptebene) zum Brennpunkt eines idealen, fokussierten Parallelstrahls an. Je kleiner die Brennweite, desto stärker wird der Laserstrahl fokussiert und desto kleiner ist der Fokusdurchmesser, und umgekehrt.

Der Laserbearbeitungskopf dient auch zum Führen eines Arbeitsgasstrahls, der typischerweise, jedoch nicht zwingend, aus derselben Düse wie der Laserstrahl abgegeben wird und vorzugsweise koaxial zum Laserstrahl geführt ist. Der aus der Düse austretende Arbeitsgasstrahl ist typischerweise, jedoch nicht zwingend, in Form eines auf das Werkstück treffenden Gaskegels ausgebildet.

Das Werkstück, insbesondere ein plattenförmiges Werkstück, liegt mit einer Werkstückunterseite einer Werkstückauflage auf. An der Werkstückoberseite weist das Werkstück eine (oberseitige) Werkstückoberfläche auf. Bei einem plattenförmigen Werkstück ist die Werkstückoberfläche plan. Wenn nicht anders verwendet, wird hier und im Weiteren als "Werkstückoberfläche" die oberseitige Werkstückoberfläche verstanden, welche der Düse gegenüberliegt bzw. zugewandt ist. Die gegenüberliegende Werkstückoberfläche, an der das Werkstück üblicherweise einer Unterlage aufliegt, ist die Werkstückunterseite.

Der Laserbearbeitungskopf zur Führung des Laser- und Arbeitsgasstrahls kann relativ zum Werkstück in einer typischerweise horizontalen Ebene parallel zur Ebene der Werkstückoberfläche, sowie in einer hierzu senkrechten, typischerweise vertikalen Richtung bewegt werden.

In der vorliegenden Erfindungsbeschreibung ist das Bezugssystem immer stationär zum Werkstück, so dass der Laserbearbeitungskopf als bewegt und das Werkstück als stationär angesehen werden. Lokal betrachtet ist es jedoch unerheblich, ob der Laserbearbeitungskopf oder das Werkstück oder beide bewegt werden. Insofern wäre es gleichermaßen möglich, dass alternativ zum bewegten Laserbearbeitungskopf auch das Werkstück bewegt wird oder sowohl der Laserbearbeitungskopf als auch das Werkstück bewegt werden Die Energie des Laserstrahls hängt von der konkreten Auslegung einer Laserquelle ab und wird typischerweise in Joule (J) angegeben. Die Leistung des Laserstrahls (d.h. Energie pro Zeit), typischerweise in Joule pro Sekunde (J/s) bzw. in Watt (W) gemessen, beschreibt die optische Ausgangsleistung eines Dauerstrichlasers (CW) bzw. die mittlere Leistung eines Pulslasers. Pulslaser werden auch über ihre Pulsenergie charakterisiert, die direkt proportional zur mittleren Leistung und umgekehrt proportional zur Wiederholungsrate des Lasers ist. Als "Energiedichte" wird die auf die bestrahlte Fläche des Werkstücks bezogene Energie des Laserstrahls bezeichnet. Die Energiedichte bemisst sich beispielsweise in J/mm ² .

Wichtig für die Laserbearbeitung des Werkstücks ist, neben der Energiedichte, die Verfahrgeschwindigkeit des Laserbearbeitungskopfs bzw. Laserstrahls, d.h. die Zeit, wie lange eine bestimmte Fläche des Werkstücks durch den Laserstrahl bestrahlt wird. Üblich ist es, hierfür den Begriff "Streckenenergie" zu verwenden. Dies ist die vom Werkstück absorbierte Leistung des Laserstrahls pro Geschwindigkeit des Laserbearbeitungskopfs bzw. Laserstrahls, z.B. bemessen in Watt/(mm/s). Wird die Leistung des Laserstrahls Watt (W) als Joule pro Sekunde (J/s) angegeben, so bemisst sich die Streckenenergie demzufolge in J/mm.

Bei der Laserbearbeitung kommt es also wesentlich auf die Streckenenergie des Laserstrahls an, wobei die vom Werkstück absorbierte Energie von der Energiedichte abhängt. Die vom Werkstück absorbierte Energie hängt bei einer bestimmten Leistung des Laserstrahls, von der Größe des Strahlflecks auf dem Werkstück ab, entsprechend dem Strahldurchmesser an der Stelle, an der der Laserstrahl auf das Werkstück trifft. Der Strahldurchmesser des Laserstrahls auf dem Werkstück ergibt sich durch die Fokuslage, d.h. die Position des Fokus des Laserstrahls relativ zum Werkstück (senkrechter kürzester Abstand), insbesondere relativ zur Werkstückoberfläche, auf welche der Laserstrahl gerichtet ist, oder auch relativ zur Werkstückauflage. Wenn sich das Werkstück im divergenten Bereich des Strahlkegels befindet (Fokus oberhalb der Werkstückoberfläche, auf welche der Bearbeitungsstrahl trifft), kann durch eine Vergrößerung des Abstands zwischen Fokus und Werkstück der Strahldurchmesser auf dem Werkstück vergrößert werden, und umgekehrt. Somit kann durch eine Änderung des Strahldurchmessers auf dem Werkstück durch Ändern der Fokuslage die Energiedichte des Laserstrahls und somit die vom Werkstück absorbierte Energie, welche in die Streckenenergie eingeht, gezielt verändert werden. Je größer der Strahldurchmesser, desto kleiner ist die vom Werkstück absorbierte Energie, und umgekehrt. Bei einem Laser ist die Stahlintensität außerhalb des Fokus, bezogen auf den Querschnitt, nicht konstant. Idealerweise ist die Leistungsintensität ein Gauß-Profil. Auf jeden Fall ist die Energiedichte zum Rand hin relativ gering, insbesondere außerhalb des Fokus.

Die Streckenenergie hängt auch von der Geschwindigkeit des Laserstrahls, d.h. der Verfahrgeschwindigkeit des Laserbearbeitungskopfs, auch als "Vorschubgeschwindigkeit" bezeichnet, ab. Je größer die Vorschubgeschwindigkeit, desto kürzer wird eine bestimmte Fläche des Werkstücks bestrahlt, und umgekehrt. Somit wird mit einer Vergrößerung der Vorschubgeschwindigkeit die Streckenenergie des Laserstrahls verringert, und umgekehrt.

Es versteht sich, dass die Energiedichte und die damit auch die Streckenenergie durch eine Änderung der Leistung des Laserstrahls selbst verändert werden kann.

Dem Fachmann sind weitere Möglichkeiten bekannt, die in das Werkstück eingebrachte Energie zu ändern, insbesondere durch eine Änderung von Art und/oder Zusammensetzung des bei der Laserbearbeitung eingesetzten Prozessgases.

Der Laserstrahl kann durch Einstellen der Streckenenergie am Werkstück wahlweise zur trennenden Bearbeitung oder zur nicht-trennenden und zugleich nicht-fügenden Bearbeitung des Werkstücks eingesetzt werden, mithin in einem trennenden (schneidenden) Modus oder nicht-trennenden Modus eingesetzt werden. Im trennenden Modus ist die Streckenenergie des Laserstrahls am Werkstück so groß, dass der Laserstrahl das Werkstück schneidend (trennend) bearbeitet, so dass das Werkstück penetriert wird, z.B. um einen Schnittspalt zu erzeugen. Im nicht-trennenden Modus ist die Streckenenergie des Laserstrahls am Werkstück so gering, dass der Laserstrahl das Werkstück nicht-trennend und zugleich nicht-fügend bearbeitet, so dass das Werkstück nicht penetriert wird, wodurch eine Modifikation des Werkstücks erzeugt werden kann.

Die Streckenenergie bzw. Streckenenergie des Laserstrahls am Werkstück kann insbesondere durch eine Änderung der Leistung des Laserstrahls, eine Änderung der Vorschubgeschwindigkeit des Laserbearbeitungskopfs, ein Fokussieren/Defokussieren des Laserstrahls durch Ändern der Fokuslage relativ zum Werkstück bzw. Ändern des Strahldurchmessers an der Werkstückoberfläche erreicht werden kann. Um die in das Werkstück eingebrachte Energie zu ändern, können ergänzend die Art und/oder Zusammensetzung des bei Laserbearbeitung eingesetzten Prozessgases verändert wer- den.

Vorzugsweise erfolgt eine Änderung der Streckenenergie des Laserstrahls am Werkstück durch Ändern der Fokuslage relativ zum Werkstück, was bevorzugt durch Ändern der Höhe des Laserbearbeitungskopfs über dem Werkstück bzw. der dem Laserbearbeitungskopf zugewandten Werkstückoberfläche bewirkt wird, d.h. der Laserbearbeitungskopf wird mit einer zur Werkstückoberfläche senkrechten Bewegungskomponente typischer Weise in vertikaler Richtung verfahren.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Laserstrahlbearbeitung eines zumindest abschnittsweise planen Werkstücks mittels eines gemeinsam aus einer Düse eines Laserbearbeitungskopfs austretenden Laserstrahls und Arbeitsgasstrahles zum Austrieb von geschmolzenem Werkstückmaterial, kann bzw. wird der Laserstrahl durch Ändern seiner Streckenenergie auf dem Werkstück in einem das Werkstück schneidenden Modus zum Erzeugen eines Schnittspalts oder nicht-schneidenden Modus zum Erzeugen einer Modifikation des Werkstücks eingesetzt.

Mit dem Laserstrahl im nicht-schneidenden Modus wird eine Modifikation des Werkstücks, gewählt aus einer Fase, einer Verrundung und einer Mulde an einer Werkstückoberseite entlang einer Modifikationslinie erzeugt. Die Modifikation des Werkstücks wird, ausgehend von einem Startpunkt der Modifikationslinie, bei dem der Laserstrahl eingeschaltet wird, bis zu einem Endpunkt der Modifikationslinie, bei dem der Laserstrahl abgeschaltet wird, erzeugt. Wesentlich hierbei ist, dass die Modifikation des Werkstücks vom Start- bis zum Endpunkt mit einer konstanten Streckenenergie des Laserstrahls auf dem Werkstück erzeugt wird. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise erreicht werden, dass eine homogene Modifikation mit einer verbesserten Qualität erzeugt wird.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Vorschubgeschwindigkeit des Laserbearbeitungskopfs vom Start- bis zum Endpunkt zum Erzeugen der Modifikation konstant gehalten. Vorteilhaft wird die Vorschubgeschwindigkeit des Laserbearbeitungskopfs zu diesem Zweck bis zum Erreichen des Startpunkts auf einen vorgebbaren bzw. vorgegebenen (wählbaren) Sollwert erhöht, zwischen Start- und Endpunkt gehalten, und erst nach Erreichen des Endpunkts wieder vermindert. Der Laserstrahl wird also erst dann über den Startpunkt geführt, wenn der Laserbearbeitungskopf die Sollgeschwindigkeit aufweist und erst nach Er- reichen des Endpunkts wieder vermindert. Das Anfahren und Abbremsen des Laserbearbeitungskopfs findet somit nicht zwischen Start- und Endpunkt statt. Vielmehr wird der Laserbearbeitungskopf bereits vor dem Startpunkt angefahren und auf Sollgeschwindigkeit gebracht und erst dann, wenn der Laserstrahl über den Endpunkt geführt wurde, wieder abgebremst. Durch diese Maßnahme kann in einfacher und zuverlässiger Weise eine konstante Streckenenergie des Laserstrahls auf dem Werkstück zwischen Start- und Endpunkt erzielt werden. Es treten keine Latenzzeiten zum Anfahren und Abbremsen des Laserbearbeitungskopfs zwischen Start- und Endpunkt zum Erzeugen der Modifikation auf.

Bei einer alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine Vorschubgeschwindigkeit des Laserbearbeitungskopfs zwischen Start- und Endpunkt nicht konstant, wobei die Vorschubgeschwindigkeit vom Startpunkt an erhöht und vor dem Endpunkt vermindert wird. Hierbei wird eine Energie bzw. Leistung des Laserstrahls in Entsprechung zum Anstieg der Vorschubgeschwindigkeit so erhöht und in Entsprechung zum Abfall der Vorschubgeschwindigkeit so vermindert, dass die Streckenenergie des Laserstrahls auf dem Werkstück zwischen Start- und Endpunkt konstant gehalten wird.

Bei einer weiteren alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine Vorschubgeschwindigkeit des Laserbearbeitungskopfs zwischen Start- und Endpunkt nicht konstant, wobei die Vorschubgeschwindigkeit vom Startpunkt an erhöht und vor dem Endpunkt vermindert wird. Hierbei wird ein Strahldurchmesser des Laserstrahls auf dem Werkstück in Entsprechung zum Anstieg der Vorschubgeschwindigkeit so vermindert und in Entsprechung zum Abfall der Vorschubgeschwindigkeit so erhöht wird, dass die Streckenenergie des Laserstrahls auf dem Werkstück zwischen Start- und Endpunkt konstant gehalten wird. Vorteilhaft erfolgt eine Änderung des Strahldurchmessers des Laserstrahls auf dem Werkstück durch eine Änderung eines Arbeitsabstands zwischen Düse und Werkstück.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Arbeitsgasstrahl zeitlich erst nach dem Führen des Laserstrahls über den Endpunkt abgeschaltet. Hierdurch kann erreicht werden, dass beim Erzeugen der Modifikation etwaig entstehende Schmelze mittels des Arbeitsgasstrahls zuverlässig durch einen Schnittspalt ausgetrieben wird.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Laserstrahl zum Erzeugen einer Modi- fikation im nicht-trennenden Modus entlang der Modifikationslinie geführt. In entsprechender Weise wird der Laserbearbeitungskopf entlang der Modifikationslinie verfahren. Das Führen des Laserstrahls entlang der Modifikationslinie muss nicht zwingend so erfolgen, dass die Bahn des Laserstrahls identisch zur Modifikationslinie ist. Vielmehr kann sich die (Gesamt-)Bewegung des Laserstrahls bzw. des Laserbearbeitungskopfs aus einer Primärbewegung und einer der Primärbewegung überlagerten Sekundärbewegung ergeben. Bei der (stets vorhandenen) Primärbewegung ist die Bahn des Laserstrahls identisch zur Modifikationslinie, so dass der Laserstrahl stets auf die Modifikationslinie gerichtet ist. Eine Sekundärbewegung umfasst auch Bewegungskomponenten quer (d.h. senkrecht) zur Modifikationslinie, so dass ein größerer Bereich des Werkstücks vom Laserstrahl überstrichen wird.

Falls keine Sekundärbewegung vorhanden ist, ist die Bahn des Laserstrahls entlang der Modifikationslinie identisch zur Modifikationslinie. Eine Modifikation des Werkstücks wird somit durch Führen des Laserstrahls auf der Modifikationslinie erzeugt, was eine besonders schnelle Modifikation des Werkstücks ermöglicht. Die (Gesamt-)Bewegung des Laserstrahls ist dann identisch zur Primärbewegung.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren kann es aber auch von Vorteil sein, den Laserstrahl zur Erzeugung der Modifikation auch quer zur Modifikationslinie zu bewegen. In diesem Fall ist der Primärbewegung des Laserstrahls eine Sekundärbewegung überlagert, wobei der Laserstrahl gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens hierbei eine mäanderförmige Hin- und Her-Bewegung entlang der Modifikationslinie vollführt. Der Laserstrahl wird dabei bei seiner Bewegung entlang der Modifikationslinie mehrfach von der Modifikationslinie weggeführt und jeweils wieder hingeführt. Gemäß einer alternativen bevorzugten Ausgestaltung wird der Laserstrahl hierbei entlang jeweils geschlossener Bahnabschnitte geführt, die entlang der Modifikationslinie vorzugsweise reihenförmig angeordnet sind. Jeder geschlossener Bahnabschnitt ist durch ein Kreuzen der vorher durchlaufenen Bahn des Laserstrahls definiert. Beispielsweise sind die geschlossenen Bahnabschnitte kreisförmig geschlossene Bahnabschnitte (d.h. Kreise) oder Ellipsen, die entlang der Modifikationslinie vorzugsweise reihenförmig angeordnet sind. So können insbesondere Fasen mit größeren Tiefen und/oder Breiten entlang der Modifikationslinie erzeugt werden. Vorteilhaft weist eine Bewegungskomponente des Laserstrahls quer zur Modifikationslinie eine Ausdehnung von mindestens 0,5 mm und höchstens 5 mm auf. Vorzugsweise weist der Laserstrahl beim Verfahren entlang geschlossener Bahn abschnitte, insbesondere ent- lang von Kreisen oder Ellipsen, einen Überlapp entlang der Modifikationslinie im Bereich von 0,5 mm bis 1 mm auf. Vorteilhaft beträgt ein Überlapp der geschlossener Bahnabschnitte (z.B. Kreise) entlang der Modifikationslinie 0,5 mm bis 1 mm.

Für das erfindungsgemäße Verfahren gibt es zahlreiche Anwendungsfälle, die im Weiteren beispielhaft beschrieben werden.

Bei einem möglichen Anwendungsfall des erfindungsgemäßen Verfahrens werden angesenkte Löcher im Werkstück erzeugt. Hierbei wird der Laserstrahl im nicht-schneidenden Modus ein- oder mehrmalig entlang mindestens einer geschlossenen Modifikationslinie geführt, wobei als Modifikation des Werkstücks eine Senkung erzeugt wird. Anschließend wird der Laserstrahl im schneidenden Modus entlang einer geschlossenen Schnittlinie zur Erzeugung eines Lochs im Werkstück geführt, wobei sich das Loch in senkrechter Sicht durch das Werkstück innerhalb der Senkung befindet.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung dieses Verfahrens werden angesenkte Löcher in zwei Stufen erzeugt, wobei zunächst ein Vorloch erzeugt wird, das anschließend zu einem Endloch verbreitert wird. Hierbei wird der Laserstrahl im schneidenden Modus entlang einer geschlossenen Vorloch-Schnittlinie geführt, wodurch ein Vorloch im Werkstück erzeugt wird. Anschließend wird der Laserstrahl im nicht-schneidenden Modus ein- oder mehrmalig entlang mindestens einer geschlossenen Senkungserzeugungslinie geführt, wobei die Senkungserzeugungslinie so zur Vorloch-Schnittlinie angeordnet ist, dass als Modifikation des Werkstücks eine das Vorloch umgebende Senkung erzeugt wird, die in das Vorloch mündet. Anschließend wird der Laserstrahl im schneidenden Modus entlang einer geschlossenen Endloch-Schnittlinie geführt, wobei die Endloch-Schnittlinie so zur Vorloch-Schnittlinie angeordnet ist, dass das Vorloch zur Erzeugung eines Endlochs verbreitert wird, wobei sich das Endloch in senkrechter Sicht durch das Werkstück innerhalb der Senkung befindet.

Bei einem weiteren Anwendungsfall werden mindestens ein Werkstückteil und ein Restwerkstück aus dem Werkstück hergestellt, wobei eine Modifikation des Werkstücks mit dem Laserstrahl im nicht-trennenden Modus erfolgt. Dieser Anwendungsfall ist in der nicht-veröffentlichten internationalen Patentanmeldung PCT/EP2020/073578 beschrieben, auf deren Offenbarung in vollem Umfang Bezug genommen wird.

Hierbei werden die folgenden Schritte durchgeführt: Schritt a): Schneiden eines Abschnitts eines das Werkstück durchtrennenden Schnittspalts entlang einer Schnittlinie oder alternativ Schneiden eines geschlossenen Schnittspalts entlang der Schnittlinie, wobei Schnittkanten am Werkstückteil und Restwerkstück gebildet werden.

Schritt b): Erzeugen einer Modifikation des Werkstücks, gewählt aus einer Fase, einer Verrundung und einer Mulde, an der Werkstückoberseite entlang einer Modifikationslinie, während das Werkstückteil mit dem Restwerkstück verbunden ist.

In dem Verfahren können Schritt a) und Schritt b) grundsätzlich in beliebiger Reihenfolge ausgeführt werden. So kann gemäß einer ersten Verfahrensvariante Schritt a) vor Schritt b) ausgeführt werden und gemäß einer zweiten Verfahrensvariante kann Schritt b) vor Schritt a) ausgeführt werden. Gemäß der ersten Verfahrensvariante wird kein geschlossener Schnittspalt erzeugt. Vielmehr bleibt das Werkstückteil weiterhin mit dem Restwerkstück verbunden. Anschließend wird in Schritt b) mindestens ein Teil mindestens einer der Schnittkanten am Werkstückteil oder am Restwerkstück mit einer Fase oder einer Verrundung versehen. Gemäß der zweiten Verfahrensvariante wird zunächst in Schritt b) als Modifikation des Werkstücks eine Mulde an der Werkstückoberseite erzeugt. Anschließend erfolgt in Schritt a) ein Durchtrennen des Werkstücks durch Erzeugen eines geschlossenen Schnittspalts entlang der Schnittlinie oder alternativ durch Erzeugen eines Abschnitts des Schnittspalts entlang der Schnittlinie. Wesentlich hierbei ist, dass die Schnittlinie innerhalb der Mulde angeordnet ist, d.h. der geschlossene Schnittspalt bzw. der Abschnitt des Schnittspalts wird innerhalb der Mulde erzeugt.

Typischer Weise ist in dem erfindungsgemäßen Verfahren die Strahlachse des Laserstrahls stets senkrecht zur ebenen Werkstückauflage bzw. senkrecht zur Ebene der bestrahlten oberen Werkstückoberfläche gerichtet, d.h. der Winkel zwischen Strahlachse und Werkstückauflage beträgt 90°. Dies bringt steuerungstechnische Vorteile mit sich. Zudem können Kosten für die technische Umsetzung einer entsprechenden Ver- schwenkbarkeit des Laserstrahls relativ zur Ebene der Werkstückauflage eingespart werden. Denkbar ist jedoch auch, dass die Strahlachse beim Bestrahlen des Werkstücks verändert wird, wobei die Strahlachse zumindest zeitweilig einen von 90° verschiedenen Winkel zur Werkstückauflage bzw. zur Ebene der bestrahlten oberen Werkstückoberfläche einnimmt. Die Ausrichtung des Laserstrahls kann durch eine Verschwenkbarkeit des Laserbearbeitungskopfs (mechanisch) und/oder eine Verschwenkbarkeit des Laserstrahls (optisch) erreicht werden. Beispielsweise kann durch ein Verschwenken des Laserstrahls während der Erzeugung einer Modifikation ein größerer Bereich des Werkstücks überstrichen werden, was vorteilhaft sein kann.

Die Erfindung erstreckt sich weiterhin auf eine Laserbearbeitungsvorrichtung mit einem von einem Laserbearbeitungskopf geführten Laserstrahl zur Laserbearbeitung eines platten- oder rohrförmigen Werkstücks, welche eine elektronische Steuereinrichtung zur Steuerung/Regelung der Laserbearbeitung des Werkstücks aufweist, welche zur Durchführung des oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrenes (programmtechnisch) eingerichtet ist.

Ferner erstreckt sich die Erfindung auf einen Programmcode für eine zur Datenverarbeitung geeignete elektronische Steuereinrichtung für eine solche Laserbearbeitungsvorrichtung, welcher Steuerbefehle enthält, die die Steuereinrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens veranlassen.

Des Weiteren erstreckt sich die Erfindung auf ein Computerprogrammprodukt (Speichermedium) mit einem gespeicherten Programmcode für eine zur Datenverarbeitung geeignete elektronische Steuereinrichtung für eine solche Laserbearbeitungsvorrichtung, welcher Steuerbefehle enthält, die die Steuereinrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens veranlassen.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten Ausgestaltungen der Erfindung in Alleinstellung oder in beliebiger Kombination einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei Bezug auf die beigefügten Figuren genommen wird. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Laserstrahlbearbeitung eines platten- oder rohrförmigen Werkstücks;

Fig. 2A-2C eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Laserstrahlbearbeitung eines Werkstücks, bei dem abgesenkte Löcher erzeugt werden;

Fig. 3 ein Werkstück mit angesenktem Loch in einer Schnittansicht;

Fig. 4 eine aufgerollte Schnittansicht des Werkstücks mit angesenktem Loch von Figur 3 im Bereich des angefasten Lochs, das in herkömmlicher Weise hergestellt wurde;

Fig. 5 eine aufgerollte Schnittansicht des Werkstücks mit angesenktem Loch von Figur 3 im Bereich des angefasten Lochs, das erfindungsgemäß hergestellt wurde;

Fig. 6 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung der Streckenenergie P(s) des Laserstrahls auf dem Werkstück und der Verfahrgeschwindigkeit v(s) des Laserbearbeitungskopfs, sowie der abgewickelten Senkung in einer Schnittansicht, hergestellt gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung des Verfahrens der Erfindung;

Fig. 7 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung der Streckenenergie P(s) des Laserstrahls auf dem Werkstück und der Verfahrgeschwindigkeit v(s) des Laserbearbeitungskopfs, sowie der abgewickelten Senkung, hergestellt gemäß einem herkömmlichen Verfahren.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Sei zunächst Figur 1 betrachtet, worin eine an sich bekannte Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung zum Laserstrahlschneiden von plattenartigen Werkstücken veranschaulicht ist. Die insgesamt mit der Bezugszahl 1 bezeichnete Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung umfasst eine Strahlschneideinrichtung 2 mit einem Laserbearbeitungskopf 3, sowie einen Arbeitstisch 4 mit einer ebenen Werkstückauflage 5 für ein Werkstück 9 (nicht gezeigt in Figur 1 , siehe Figuren 2A-2C), beispielsweise eine ebene Blechtafel. Die Werkstückauflage 5 wird von einem Querträger 6 überspannt, der entlang einer ersten Achsrichtung (x-Richtung) verfahrbar geführt ist.

Am Querträger 6 ist ein Führungsschlitten 7 für den Strahlkopf 3 montiert, der am Querträger 6 entlang einer zur ersten Achsrichtung senkrechten zweiten Achsrichtung (y-Richtung) verfahrbar geführt ist. Der Laserbearbeitungskopf 3 kann somit in einer durch die beiden Achsrichtungen aufgespannten Ebene parallel und relativ zur beispielsweise horizontalen Werkstückauflage 5 verfahren werden. Der Laserbearbeitungskopf 3 ist weiterhin in einer zu dieser Ebene senkrechten dritten Achsrichtung (z-Richtung) in seiner Höhe verfahrbar ausgebildet, wodurch der Abstand senkrecht zur Werkstückauflage 5 bzw. Werkstück 9 verändert werden kann. Bei einer horizontalen Werkstückauflage 5 entspricht die z-Richtung der Schwerkraftrichtung. Der Laserbearbeitungskopf 3 weist auf seiner der Werkstückauflage 5 zugewandten Seite eine sich zur Werkstückauflage 5 hin kegelförmig verjüngende (Strahl-)Düse 13 auf. Der Laserbearbeitungskopf 3 dient zum Führen eines Laserstrahls 14, sowie eines Prozess- bzw. Arbeitsgasstrahls 15, welche aus einer endständigen Düsenspitze 19 austreten (siehe z.B. Figur 2A). Der Laserstrahl 14 wird von einer Laserstrahlquelle 8 erzeugt und beispielsweise durch ein Strahlführungsrohr und mehrere Umlenkspiegel oder ein Lichtleitkabel zum Laserbearbeitungskopf 3 geführt. Über eine Fokussierlinse oder adaptive Optik kann der Laserstrahl in gebündelter Form (d.h. fokussiert) auf das Werkstück 9 gerichtet werden. Aufgrund der Verfahrbarkeit des Laserbearbeitungskopfs 3 entlang der ersten Achsrichtung (x-Richtung) und zweiten Achsrichtung (y-Richtung) kann mit dem Laserstrahl 14 jeder beliebige Punkt am Werkstück 9 angefahren werden.

Das Werkstück 9 weist zwei einander gegenüberliegende Werkstückoberflächen 10, 11 auf (siehe z.B. Figur 2A), wobei eine erste bzw. obere Werkstückoberfläche 10 der Düse 13 zugewandt und eine zweite bzw. untere Werkstückoberfläche 11 von der Düse 13 abgewandt ist. Durch die Höhenverfahrbarkeit des Laserbearbeitungskopfs 3 in z-Richtung kann über eine Änderung des Abstands zur oberen Werkstückoberfläche 10 der Arbeitsabstand der Düse 13 zum Werkstück 9 eingestellt werden. Der Abstand des Laserbearbeitungskopf 3 von der oberen Werkstückoberfläche 10 kann vor, während und nach der Laserstrahlbearbeitung eingestellt werden. Die Fokuslage des Laserstrahls 14 kann durch eine Änderung des Abstands der Düse 13 von der ersten Werkstückoberfläche 10 sowie über optische Elemente im Strahlkopf 3, beispielsweise eine adaptive Optik, eingestellt werden.

Der Arbeitsgasstrahl 15 wird von einer nicht dargestellten Gasstrahlerzeugungseinrichtung erzeugt. Als inertes Prozess- bzw. Arbeitsgas wird beispielsweise Helium (He), Argon (Ar) oder Stickstoff (N ₂ ) eingesetzt. Als reaktives Arbeitsgas wird üblicherweise Sauerstoff (O ₂ ) verwendet. Bekannt ist auch die Verwendung von Gasgemischen. Der Arbeitsgasstrahl 15 tritt aus der Düsenspitze 19 der Düse 13 aus und wird koaxial zum Laserstrahl 14 an die Bearbeitungsstelle geführt und trifft dort mit einem von der Gasstrahlerzeugungseinrichtung vorgegebenen (initialen) Gasdruck, welcher typischerweise im Bereich von 2 bis 20 bar liegt, auf dem Werkstück 9 auf. Der Arbeitsgasstrahl 15 dient dazu, mittels Gasdruck die bei der Laserbearbeitung erzeugte Schmelze durch eine durch den Laserstrahl 14 erzeugte Durchbrechung (Loch 16, siehe z.B. Figur 2A) im Werkstück 9 zu treiben.

Wie in Figur 1 gezeigt, besteht die ebene Werkstückauflage 5 beispielsweise aus einer Vielzahl von Auflageelementen mit beispielsweise dreieckig ausgebildeten Tragpunktspitzen, welche gemeinsam eine Auflageebene für das zu bearbeitende Werkstück 9 definieren. Die Auflageelemente sind hier beispielsweise als längliche Auflagestege ausgeführt, die sich jeweils entlang der y-Richtung erstrecken und mit einem beispielsweise konstanten Zwischenabstand in paralleler Anordnung entlang der x-Richtung nebeneinander liegend angeordnet sind. Nicht dargestellt ist eine Absaugeinrichtung, durch welche während des Strahlschneidens entstehender Schneidrauch, Schlackepartikel und kleine Abfallteile abgesaugt werden können.

Eine programmgesteuerte Steuereinrichtung 12 dient zur Steuerung/Regelung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Laserstrahlbearbeitung des Werkstücks 9 in der Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung 1 .

Es wird nun Bezug auf die Figuren 2A bis 2C genommen, worin eine beispielhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Laserstrahlbearbeitung eines Werkstücks 9 durch die Laserbearbeitungsvorrichtung 1 von Figur 1 veranschaulicht sind. Zum Zwecke einer vereinfachten Darstellung und da zum Verständnis der Erfindung ausreichend, sind jeweils nur die Düse 13 sowie der Laserstrahl 14 und Arbeitsgasstrahl 15 in Kombination mit dem Werkstück 9 dargestellt. Das Werkstück 9 befindet sich, wie üblich, in einer horizontalen Lage auf der Werkstückauflage 5. Die rechten Abbildungen der Figuren 2A und 2B veranschaulichen die Verfahrensschritte in schematischer Weise anhand jeweiliger Aufsichten.

Hierbei erfolgt eine Modifikation des Werkstücks 9, wobei eine Senkung 17 bzw. Fase um ein Loch 16 erzeugt wird. Die obere Werkstückoberfläche 10 ist der Düse 13 zugewandt, die untere Werkstückoberfläche 11 von der Düse 13 abgewandt. Der aus der Düsenspitze 19 der Düse 13 austretende Laserstrahl 14 und der Arbeitsgasstrahl 15 treffen auf das Werkstück 9. Der Laserstrahl 14 hat die Form eines fokussierten Strahlkegels mit einer zentrischen Strahlachse 18. Die zentrische Strahlachse 18 und somit der Laserstrahl 14 sind senkrecht zur oberen Werkstückoberfläche 10 bzw. zur Ebene des plattenförmigen Werkstücks 9 gerichtet.

In Figur 2A ist eine Verfahrenssituation gezeigt, bei welcher ein Loch 16 im Werkstück 9 durch den Laserstrahl 14 ausgeschnitten wurde. Zu diesem Zweck wurde die Düse 13 von einer Ausgangsposition zumindest mit einer vertikalen Bewegungskomponente zum Werkstück 9 hin verfahren, so dass die Düse 13 einen relativ kleinen Arbeitsabstand vom Werkstück 9 hatte. Vorzugsweise beträgt der Arbeitsabstand der Düse 13 von der oberen Werkstückoberfläche weniger als 2 mm. Die Fokuslage des Laserstrahls 14 resultiert in einem engen Strahlfleck mit einem kleinen Strahldurchmesser auf dem Werkstück 9. Die Fokuslage und damit der Strahldurchmesser waren so gewählt, dass die Streckenenergie des Laserstrahls 14 auf dem Werkstück 9 so groß war, dass der Laserstrahl 14 zur schneidenden bzw. trennenden Bearbeitung des Werkstücks 9 geeignet war. Mithin war der Laserstrahl 14 in einem schneidenden Modus. Um das Loch 16 auszuschneiden, wurde der Laserstrahl 14 entlang einer kreisförmigen Schnittlinie (21 ) geführt, wodurch ein kreisförmig-geschlossener Schnittspalt erzeugt wurde. Hierdurch wurde ein im Querschnitt rundes bzw. scheibenförmiges Werkstückteil (Butzen) aus dem Werkstück 9 vollständig ausgeschnitten. Der ausgeschnittene Butzen fiel durch sein Eigengewicht nach unten weg. Durch Entfernen des Butzens vom Werkstück 9 wurde das im Querschnitt runde Loch 16 mit einem wählbaren Durchmesser im Werkstück 9 erzeugt, wie es in Figur 2A gezeigt ist. Das Loch 16 ist entsprechend seiner Herstellungsweise ein Durchgangsloch und durchbricht das Werkstück 9. Das runde Loch 16 ist in Bezug auf seine Mittenachse 20 radialsymmetrisch ausgebildet. In der Ebene des Werkstücks 9 ist in Bezug auf das Loch 16 und dessen Mittenachse 20 eine radiale Richtung definiert.

Optional kann das Verfahren um einen Schritt ergänzt werden, der vor dem Schneiden des Lochs 16 durchgeführt wird. Dieser Schritt wird vorzugsweise dann eingesetzt, wenn Löcher 16 mit einem Durchmesser von mindestens 7 mm herzustellen sind und/oder eine Dicke des Werkstücks 9 von mindestens 4 mm vorliegt. Hierbei wird der später an seiner Kontur auszuschneidende Butzen durch ein oder mehrere Schnittspalte in kleinere Teile zerschnitten, wodurch stets erreicht werden kann, dass der Butzen zuverlässig und sicher nach unten aus dem Werkstück 9 fällt und das ausgeschnittene Loch 16 immer frei ist. Beispielsweise werden im Bereich des auszuschneidenden Butzens sich kreuzende Schnittspalte, gegebenenfalls überlagert durch einen Schnittspalt in Spiral- form, eingebracht. Ein mögliches Verfahren zum Zerteilen des Butzens ist beispielsweise in US 8716625 B2 beschrieben.

Nach Erzeugen des Lochs 16 wird eine zum Loch 16 konzentrische runde Senkung 17 erzeugt. Für die Erzeugung der Senkung 17 hat die Düse 13 einen relativ großen Arbeitsabstand von der ersten Werkstückoberfläche 10 bzw. vom Werkstück 9, wobei sich das Werkstück 9 im divergenten Bereich des Laserstrahls 14 befindet, was zu einem breiten Strahlfleck mit einem großen Strahldurchmesser auf dem Werkstück 9 führt. Der Laserbearbeitungskopf 3 bzw. die Düse 13 wurden zu diesem Zweck zumindest mit einer vertikalen Bewegungskomponente vom Werkstück 9 weg verfahren, so dass im Vergleich zur Erzeugung des Lochs 16 ein größerer Arbeitsabstand zwischen der Düse

13 und der ersten Werkstückoberfläche 10 vorliegt. Diese Verfahrenssituation ist in Figur 2A gezeigt.

Der Arbeitsabstand zur Herstellung der Senkung 17 ist beispielsweise mindestens 6-fach größer, insbesondere mindestens 10-fach größer, als der Arbeitsabstand zur Erzeugung des Lochs 16 und beträgt vorzugsweise mindestens 30 mm, besonders bevorzugt mindestens 40 mm und insbesondere ca. 50 mm, wobei ein Bereich von 30 mm bis 50 mm bevorzugt ist. In entsprechender Weise sind der Strahlfleck und der Strahldurchmesser auf dem Werkstück 9 wesentlich größer. Beispielsweise ist die Querschnittfläche des Strahlflecks auf dem Werkstück 9 mindestens 6-fach größer, insbesondere mindestens 10-fach größer. Der Fokus des Laserstrahls 14 befindet sich weit oberhalb des Werkstücks 9. Die Fokuslage und der Strahldurchmesser des Laserstrahls 14 sind so gewählt, dass die Streckenenergie auf dem Werkstück 9 des Laserstrahls 14 relativ gering ist und der Laserstrahl 14 die Senkung 17 erzeugt, wobei das Werkstück 9 hierbei nicht penetriert wird (nicht-trennende Bearbeitung). Der Laserstrahl

14 ist in einem nicht-trennenden Modus.

Bei der Erzeugung der Senkung 17 hat der Laserbearbeitungskopf 3 bzw. die Düse 13 eine konstante Vorschubgeschwindigkeit, die einem vorgegebenen (wählbaren) Sollwert für die Vorschubgeschwindigkeit entspricht. Um zu gewährleisten, dass der Laserbearbeitungskopf 3 bzw. die Düse 13 beim Beginn der Erzeugung der Senkung 17 bereits den Sollwert aufweist, wird der Laserbearbeitungskopf 3 bzw. die Düse 13 bei eingeschaltetem Arbeitsgasstrahl 15, aber ausgeschaltetem Laserstrahl 14, kreisförmig um die Mittenachse 20 verfahren, bis der Laserbearbeitungskopf 3 bzw. die Düse 13 den Sollwert aufweist. Der Laserbearbeitungskopf 3 bzw. die Düse 13 wird hierbei bereits direkt über der Modifikationslinie 22 zum Erzeugen der Modifikation (Senkung 17) verfahren. Dies ist in Figur 2A anhand des Pfeiles um die Mittenachse 20 veranschaulicht.

Sobald der Laserbearbeitungskopf 3 bzw. die Düse 13 die Sollgeschwindigkeit erreicht hat, wird der Laserstrahl 14 gezündet und die Senkung 17 erzeugt. Aufgrund der verminderten Streckenenergie des Laserstrahls 14 auf dem Werkstück 9 befindet sich der Laserstrahl nicht nicht-trennenden Modus und das Werkstück 9 wird bei der Erzeugung der Senkung 17 nicht penetriert. Beim Erzeugen der Senkung 17 wird der nicht-schneidende Laserstrahl 14 in einer zur Ebene der Werkstückauflage 5 parallelen (horizontalen) Ebene bewegt, wobei der Laserstrahl 14 entlang der Modifikationslinie 22 bewegt wird. Die Modifikationslinie 22 ist konzentrisch zur Schnittlinie 21 des Lochs 16, jedoch hierzu radial weiter nach außen versetzt. Dies bedeutet, dass die Modifikationslinie 22 einen Durchmesser hat, der größer ist als der Durchmesser des Lochs 16.

Für die Erzeugung der Senkung 17 kann eine einzige Modifikationslinie 22 vorgesehen sein, wobei der Laserstrahl 14 zur Erzeugung der Senkung 17 ein- oder mehrmals entlang der Modifikationslinie 22 verfahren wird. Vorzugsweise wird der Laserstrahl 14 zur Erzeugung der Senkung 17 mehrmals entlang der Modifikationslinie 22 verfahren (typischerweise 2 bis 20 Überfahrten der Düse 13). Die Modifikationslinie 22 ist so angeordnet, dass die erzeugte Senkung 17 unmittelbar an das Loch 16 angrenzt, d.h. in das Loch 16 mündet. Für die Erzeugung der Senkung 17 können auch mehrere Modifikationslinien 22 vorgesehen sein, wobei der Laserstrahl 14 zur Erzeugung der Senkung 17 ein- oder mehrmals entlang einer jeden Modifikationslinie 22 verfahren wird. Die mehreren Modifikationslinien 22 sind vorzugsweise zueinander konzentrisch angeordnet.

Die Senkung 17 ist eine Vertiefung des Werkstücks 9 an der ersten Werkstückoberfläche 10 und umgibt das Loch 16 konzentrisch, wobei sich die Senkung 17, ausgehend von einem (radial-)äußeren Senkungsrand 23, von der oberen Werkstückoberfläche 10 aus in das Werkstück 9 hinein bis zu einem (radial-)inneren Senkungsrand 24 erstreckt, jedoch nicht bis zur unteren Werkstückoberfläche 11 , d.h. die Senkung 17 erstreckt sich nicht über die komplette Dicke des Werkstückteils. Der innere Senkungsrand 24 befindet sich somit zwischen der oberen Werkstückoberfläche 10 und der unteren Werkstückoberfläche 11. Der äußere Senkungsrand 23 ist als jener Bereich des Werkstücks 9 definiert, an dem sich die Senkung 17 zum Innern des Werkstücks 9 hin beginnt zu vertiefen. Der innere Senkungsrand 24 ist als jener Bereich des Werkstücks 9 definiert, an dem die Senkung 17 in den verbleibenden Teil des Lochs 16 übergeht. Eine Flanke 25 der Senkung 17 erstreckt vom äußeren Senkungsrand 23 bis zum inneren Senkungsrand 24.

In radialer Richtung kann die Senkung 17 wahlfrei mit einer definierten Querschnittform versehen werden. In Figur 2B ist beispielhaft eine Senkung 18 mit einer schrägen Flanke 25 mit einer Neigung von ca. 45° dargestellt, wobei auch größere oder kleinere Flankenneigungen möglich sind.

In Figur 2B ist die kreisende Bewegung des Laserbearbeitungskopfs 3 bzw. Laserstrahls 14 entlang der Modifikationslinie 22 um die Mittenachse 20 des Lochs 16 zur Erzeugung der Senkung 17 in schematischer Weise durch einen Pfeil veranschaulicht. Die Verfahrgeschwindigkeit des Laserbearbeitungskopfs 3 ist während der Erzeugung der Senkung 17 konstant auf dem Sollwert. Dies gilt auch dann noch, wenn die Erzeugung der Senkung 17 beendet wird, d.h. der Laserstrahl 14 abgestellt wird.

Dies ist in Figur 2C veranschaulicht, worin eine Verfahrenssituation gezeigt ist, bei der die Senkung 17 bereits vollständig erzeugt wurde. Der Laserbearbeitungskopf 3 bzw. die Düse 13 wird bis zum Abschalten des Laserstrahls 14 mit der Sollgeschwindigkeit um die Mittenachse 20 verfahren, und erst nach Abschalten des Laserstrahl 14 gebremst. Hierdurch kann die Senkung 17 mit einer einheitlichen Tiefe und Neigung der Flanke 25 hergestellt werden.

Der Arbeitsgasstrahl 15 ist hierbei weiterhin angeschaltet. Durch das Loch 16 kann die beim Erzeugen der Senkung 17 entstehende Schmelze (Schlacke) mittels des Arbeitsgasstrahls 15 gut nach unten abgeführt werden und es kann verhindert werden, dass die Schmelze an die obere Werkstückoberfläche 10 des Werkstücks 9 gelangt und sich dort verfestigt und einen Grat bildet.

Die Senkung 17 kann grundsätzlich in beliebiger Weise Anwendung finden, wobei sie in diesem Ausführungsbeispiel vorzugsweise dazu vorgesehen ist, den Kopf einer Senkkopfschraube aufzunehmen. Als Prozess- bzw. Arbeitsgas wird bei der Erzeugung der Senkung 17 beispielsweise Sauerstoff (O ₂ ) eingesetzt, mit einem Gasdruck von beispielsweise weniger als 5 bar, der insbesondere von 2 bis 3,5 bar beträgt. Die konstante Vorschubgeschwindigkeit der Düse 13 beim Erzeugen der Senkung 17 beträgt vor- zugsweise mindestens 4 m/min und die Laserleistung des Laserstrahls 14 beträgt vorzugsweise mindestens 1500 W.

In Figur 3 ist ein Schnitt durch das Werkstück 9 (senkrecht zur Ebene des Werkstücks 9) gezeigt. Gut erkennbar ist das abgesenkte Loch 16. Das Loch 16 wird durch die Lochwandung 26 umgrenzt. Die Senkung 17 wird durch die Senkungswandung 27 umgrenzt.

In Figur 4 ist das abgerollte abgesenkte Loch 16 im Schnitt entsprechend Figur 3 gezeigt. Der Blick des Betrachters ist auf die Lochwandung 26 und die Senkungswandung 27 gerichtet. In Figur 4 ist ein in herkömmlicher Weise erzeugtes angefastes Loch 16 veranschaulicht. Aufgrund der T rägheit des Laserbearbeitungskopfs 3 beim Anfahren ist typischerweise beim Beginn des Erzeugens der Senkung 17 am Startpunkt 28 der Modifikationslinie die Streckenenergie des Laserstrahls 16 auf dem Werkstück 9 erhöht, so dass die Senkung 17 eine größere Tiefe T aufweist, als später, wenn der Laserbearbeitungskopf 3 bereits die Sollgeschwindigkeit erreicht hat. Entsprechend wird der Laserbearbeitungskopf 3 typischerweise bereits vor Erreichen des Endpunkts 29 der Modifikationslinie abgebremst, so dass sich die Streckenenergie des Laserstrahls 16 auf dem Werkstück 9 wiederum erhöht und die Fase vertieft wird. Aufgrund der runden Senkung 17 fallen Startpunkt 28 und Endpunkt 29 zusammen.

In Figur 5 ist ein - wie in den Figuren 2A bis 2C erläutert - in erfindungsgemäßer Weise erzeugtes angefastes Loch 16 gezeigt. Der Laserbearbeitungskopf 3 wies beim Beginn des Erzeugens der Senkung 17, d.h am Startpunkt 28 der Modifikationslinie, bereits seine Sollgeschwindigkeit zur Erzeugung der Senkung 17 auf und behielt diese bis zum Erreichen des Endpunkts 29 bei. Hierdurch konnte eine Senkung 17 mit homogener Tiefe T hergestellt werden.

In den Figuren 6 und 7 ist dies nochmals anschaulich dargestellt. Gezeigt ist jeweils ein Diagramm, in dem beispielhaft die Streckenenergie P(s) des Laserstrahls 16 auf dem Werkstück 9 (gestrichelte Linie) sowie die Vorschubgeschwindigkeit v(s) des Laserbearbeitungskopfs 3 bzw. Düse 13 gegen den zurückgelegten Weg (s) beim Erzeugen der Senkung 17 dargestellt. Figur 6 betrifft das erfindungsgemäße Verfahren, Figur 7 das herkömmliche Verfahren. Wie in Figur 6 gezeigt, erfolgt das Anfahren des Laserbearbeitungskopfs 3 bzw. Düse 13 vor Erreichen des Startpunkts 28 zum Erzeugen der Senkung 17, wobei die Vorschubgeschwindigkeit v(s) des Laserbearbeitungskopfs 3 bis zum gewünschten Sollwert beispielsweise linear erhöht wird. Am Startpunkt 28 ist der Sollwert erreicht. Zwischen Startpunkt 28 und Endpunkt 29 wird die Vorschubgeschwindigkeit v(s) des Laserbearbeitungskopfs 3 konstant gehalten. Nach Erreichen des Endpunkts 29 wird die Vorschubgeschwindigkeit v(s) des Laserbearbeitungskopfs 3 vermindert, beispielsweise linear. Dies resultiert in einer konstanten Streckenenergie P(s) des Laserstrahls 16 auf dem Werkstück 9 und die Senkung 17 wird mit einer homogenen Tiefe erzeugt.

In Figur 7 ist der herkömmliche Fall gezeigt, bei dem der Laserbearbeitungskopf 3 am Startpunkt 28 erst angefahren wird, erkennbar an einem Anstieg der Vorschubgeschwindigkeit v(s) nach dem Startpunkt 28 und bereits vor Erreichen des Endpunkts 29 wieder vermindert wird, erkennbar am Abfall der Vorschubgeschwindigkeit v(s) des Laserbearbeitungskopfs 3 vor dem Endpunkt 29. Dies resultiert in einer nicht-konstanten Streckenenergie P(s) des Laserstrahls 16 auf dem Werkstück 9 und die Senkung 17 wird mit einer inhomogenen Tiefe erzeugt, wobei die Tiefe am Startpunkt 28 und Endpunkt 29 größer ist aufgrund der höheren Streckenenergie P(s) des Laserstrahls 16 auf dem Werkstück 9.

Obgleich dies in den Figuren nicht gezeigt ist, wäre gleichermaßen möglich, dass die Vorschubgeschwindigkeit des Laserbearbeitungskopfs zwischen Start- und Endpunkt nicht konstant ist, wobei die Vorschubgeschwindigkeit vom Startpunkt an erhöht und vor dem Endpunkt vermindert wird, wobei eine Leistung des Laserstrahls in Entsprechung zum Anstieg der Vorschubgeschwindigkeit so erhöht und in Entsprechung zum Abfall der Vorschubgeschwindigkeit so vermindert wird, dass die Streckenenergie des Laserstrahls auf dem Werkstück zwischen Start- und Endpunkt konstant gehalten wird. Gleichermaßen wäre möglich, dass eine Vorschubgeschwindigkeit des Laserbearbeitungskopfs zwischen Start- und Endpunkt nicht konstant ist, wobei die Vorschubgeschwindigkeit vom Startpunkt an erhöht und vor dem Endpunkt vermindert wird, wobei ein Strahldurchmesser des Laserstrahls auf dem Werkstück in Entsprechung zum Anstieg der Vorschubgeschwindigkeit so vermindert und in Entsprechung zum Abfall der Vorschubgeschwindigkeit so erhöht wird, dass die Streckenenergie des Laserstrahls auf dem Werkstück zwischen Start- und Endpunkt konstant gehalten wird. Beispiel

Herstellung einer Senkung für eine Senkkopfschraube mit metrischer Gewindegröße M5 in 5 mm Baustahl mittels Laserstrahl.

Nach dem Schneiden des Lochs wird die Fase/Senkung erzeugt. Eine optimale Vorschubgeschwindigkeit zur Erzeugung der Senkung liegt bei 6 m/min. Der Durchmesser der Modifikationslinie zum Erzeugen der Senkung beträgt 7,9 mm. Damit der Laserbearbeitungskopf die Vorschubgeschwindigkeit von 6 m/min erreicht, wird ein Umlauf mit Durchmesser 7,9 mm ohne eingeschalteten Laserstrahl gefahren. Nach Erreichen der Vorschubgeschwindigkeit von 6 m/min wird der Laserstrahl "fliegend" zugeschaltet und dann die Senkung/ Fase erzeugt. Am Ende der Erzeugung der Senkung/ Fase wird der Laserstrahl "fliegend" abgeschaltet und der Laserbearbeitungskopf legt nochmals eine Umdrehung mit abgeschaltetem Laserstrahl zurück, bis die Achsen der Maschine eine Vorschubgeschwindigkeit von 0 m/min erreicht haben.

Wie sich aus vorstehender Beschreibung ergibt, stellt die Erfindung ein neuartiges Verfahren zur Laserstrahlbearbeitung eines Werkstücks zur Verfügung, bei dem eine Modifikation des Werkstücks, insbesondere eine Fase oder Senkung, in homogener Weise hergestellt werden kann. Erhöhte Streckenenergien des Laserstrahls auf dem Werkstück am Start- und Endpunkt aufgrund der Latenzzeit beim Anfahren und Abbremsen des Laserbearbeitungskopfs werden in vorteilhafter Weise vermieden. Die Modifikationen des Werkstücks sind in einfacher und kostengünstiger Weise mit hoher Präzision und Qualität effizient herstellbar. Eine Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens in bereits bestehende Laserstrahlbearbeitungsvorrichtungen ist in einfacher Weise möglich, ohne hierfür aufwändige technische Maßnahmen vorsehen zu müssen. Vielmehr kann durch bloßen Eingriff in die Maschinensteuerung eine gewünschte Laserstrahlbearbeitung eines Werkstücks durch das erfindungsgemäße Verfahren realisiert werden. Bezuqszeichenliste

1 Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung

2 Strahlschneideinrichtung

3 Laserbearbeitungskopf

4 Arbeitstisch

5 Werkstückauflage

6 Querträger

7 Führungsschlitten

8 Laserstrahlquelle

9 Werkstück

10 obere Werkstückoberfläche

11 untere Werkstückoberfläche

12 Steuereinrichtung

13 Düse

14 Laserstrahl

15 Arbeitsgasstrahl

16 Loch

17 Senkung

18 Strahlachse

19 Düsenspitze

20 Mittenachse

21 Schnittlinie

22 Modifikationslinie

23 äußerer Senkungsrand

24 innerer Senkungsrand

25 Flanke

26 Lochwandung

27 Senkungswandung

28 Startpunkt

29 Endpunkt