Werkstücks ausgedehntem Intensitätsminimum im Zentrum des Intensitätsprofils des Laserstrahls Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserschneiden eines Werkstücks, wobei das Werkstück in einem zu schneidenden Bereich mit einer Dicke D ausgebildet ist, insbesondere wobei das Werkstück als ein Metallblech ausgebildet ist, wobei in einer Laserquelle ein Laserstrahl erzeugt wird, und der Laserstrahl mit einer Laseroptik in Richtung auf das Werkstück fokussiert wird, und wobei der Laserstrahl aus einem oder mehreren Lasermoden des Typs LP _p,q zusammengesetzt ist, mit p: azimutale Mode-Nummer und q: radiale Mode-Num mer. Ein solches Verfahren ist aus der WO 2019/150071 Al bekannt geworden. Ein ähnliches Verfahren zum Laserschneiden beschreibt auch die WO 2019/150070 Al.

Festkörpermaterialien können auf verschiedene Weise durchtrennt werden, bei spielsweise Stanzen oder durch Sägen. Wenn eine im Wesentlichen kraftfreie Trennbearbeitung gewünscht ist, oder wenn komplexe Umrisse oder eine Trenn bearbeitung an schwierig zu erreichenden Orten des Werkstücks gewünscht ist, kann Laserschneiden (auch als Laserstrahlschneiden bezeichnet) eingesetzt wer den. Dabei werden ein fokussierter Laserstrahl und ein Gasstrom eines Schneid gases auf das Werkstück gerichtet und entlang einer gewünschten Schneidkontur relativ zum Werkstück bewegt.

Bei der Werkstückbearbeitung eingesetzte Laserstrahlen haben meist ein nähe rungsweise gaußförmiges Strahlprofil, das in einem Zentrum eine maximale In tensität aufweist, welche nach außen hin allmählich abfällt. Entsprechende Strahlprofile sind im Grundmode eines Laserresonators leicht zu erzeugen.

Aus der WO 2019/150071 Al ist eine Apparatur zur Laserbearbeitung von Mate rialien bekannt geworden, bei der Ringmoden wie LP ₅ oder LP ₉ eingesetzt wer den, die zum Schneiden oder Schweißen der Materialien eingesetzt werden kön nen.

Beim Laserschneiden kommt in vielen Anwendungsfällen der Qualität der erzeug ten Schnittflanke des Werkstücks eine erhebliche Bedeutung zu. Insbesondere ist oft eine geringe Schnittflankenrauheit gewünscht. Zudem sollen in der Regel auch Grate an der Schnittkante gering sein und die Wärmeeinflusszone im Mate rial soll klein sein.

Aufgabe der Erfindung Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Laserschneiden eines Werk stücks vorzustellen, mit dem eine verbesserte Qualität der Schnittflanke erreich bar ist.

Beschreibung der Erfindung

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren der eingangs genannten Art, das dadurch gekennzeichnet ist, dass das Laserschneiden so ausgeführt wird, dass innerhalb des Werkstücks über die gesamte Dicke D des Werkstücks für ein jedes lokales Intensitätsprofil des Laserstrahls im Querschnitt senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung des Laser strahls gilt:

- in einem Zentrum des lokalen Intensitätsprofils beträgt die lokale Laserintensi tät maximal 60% einer maximalen Laserintensität im lokalen Intensitätsprofil.

Die vorliegende Erfindung sieht vor, die lokale Laserintensität im Zentrum des Laserstrahls gering zu halten, bevorzugt wobei im Zentrum ein lokales Minimum der Laserintensität eingerichtet ist. Demgegenüber ist die Laserintensität in ei nem radialen Abstand zum Zentrum erhöht, typischerweise mit einigen lokalen Intensitätsmaxima, die ringförmig um das Zentrum angeordnet sind. Die Laserin tensität ist also im lokalen Intensitätsprofil (gemessen in einer Ebene senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung) im Zentrum relativ gering, und radial um das Zentrum herum relativ hoch, und entsprechend vor allem nach radial außen hin verteilt. Dafür wird ein LP _p,q -Mode oder eine Kombination von LP _p,q -Moden für den Laserstrahl eingesetzt, typischerweise mit p>2 und q>l. Das erfindungsgemäße Laserschneiden wird dabei so geführt, dass die erfindungsgemäße Intensitätsver teilung nicht nur in einer Fokusebene des Laserstrahls vorliegt, sondern über die gesamte Dicke D des Werkstücks innerhalb des Werkstücks. Dies kann bei gege bener Werkstückdicke D insbesondere durch eine geeignete Wahl des Strahlpara meterprodukts und des Fokusdurchmessers des Laserstrahls eingerichtet wer den. Durch die Erfindung kann eine hohe Laserintensität an den Schnittflanken nicht nur um den Fokus, sondern über die gesamte Dicke des Werkstücks („Blechdi cke") sowie in einem weiten Fokuslagenverstellbereich eingesetzt werden. Dadurch kann die Schnittflankenrauheit erheblich reduziert werden. Die absor bierte Intensität ist über die gesamte Dicke D des Werkstücks azimutal groß, ins besondere größer als bei einem Gaußstrahl. Die Laserintenstität ist insbesondere nicht nur am Schnittfrontscheitel hoch, sondern auch an den Schnittflanken, über die gesamte Tiefenerstreckung der Schnittflanken. Die Viskosität der Schmelze kann dadurch überall im Bearbeitungsbereich des Werkstücks gering bleiben, und die Schmelze kann leicht ausgetrieben werden, z.B. mit dem Gasstrahl eines Schneidgases. Entsprechend kann eine geringe Schnittflankenrauheit und eine geringe Gratbildung erreicht werden. Ebenso kann eine vergleichsweise hohe Schneidgeschwindigkeit erreicht werden, und damit eine hohe Effizienz des La serschneidens.

Bevorzugt besteht das zu schneidende Werkstück aus Stahl, insbesondere Edel stahl, oder aus Titan oder einer titanhaltigen Legierung, insbesondere mit einem Anteil von 50 Gew% oder mehr Titan, bevorzugt 90 Gew% oder mehr Titan. Mit diesen Werkstoffen hat sich eine deutliche Reduktion der Schnittflankenrauheit und eine deutliche Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit, verglichen mit einem Laserschneiden mit einem herkömmlichen gaußförmigen Laserstrahl sowohl bei dünnen Werkstücken (D<2mm), als auch bei vergleichsweise dicken Werkstü cken (D>3,2mm), erzielen lassen. Das zu schneidende Werkstück kann weiterhin vorteilhaft aus Aluminium oder einer aluminiumhaltigen Legierung, insbesondere mit einem Anteil von 50 Gew% oder mehr Aluminium, bevorzugt 90 Gew% oder mehr Aluminium, bestehen. Mit Al-Werkstoffen hat sich vor allem bei dünnen Werkstücken (D<2mm) eine deutliche Reduktion der Schnittflankenrauheit und eine deutliche Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit, verglichen mit einem Laser schneiden mit einem herkömmlichen gaußförmigen Laserstrahl, erzielen lassen.

Eine typische gesamte Laserleistung des Laserstrahls liegt typischerweise bei 2kW oder mehr, bevorzugt von 2 kW bis 3kW. Allgemein ist eine Laserquelle mit einer Wellenlänge, die faserführbar ist, für die Erfindung bevorzugt. Bevorzugt ist die Laserquelle zwischen unterschiedlichen Moden oder Modenkombinationen, und damit unterschiedlichen Intensitätsprofilen, ohne einen Komponentenwech sel umschaltbar.

Bevorzugte Varianten der Erfindung

Bevorzugt ist eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, die vorsieht, dass innerhalb des Werkstücks über die gesamte Dicke D des Werkstücks für ein jedes lokales Intensitätsprofil des Laserstrahls im Querschnitt senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung des Laserstrahls weiterhin gilt:

- im Zentrum des lokalen Intensitätsprofils beträgt die lokale Laserintensität ma ximal 50%, bevorzugt maximal 25%, der maximalen Laserintensität im lokalen Intensitätsprofil. Dadurch ist Verteilung der Laserintensität nach radial außen noch stärker ausgeprägt, wodurch in vielen Fällen eine weitere Verbesserung der Schnittflankenrauheit erreicht werden kann.

Bevorzugt ist weiterhin eine Verfahrensvariante, bei der für einen Fokusdurch messer FKD des Laserstrahls gilt:

50pm<FKD<200pm, bevorzugt 80pm<FKD<200pm. Mit diesen Fokusdurchmes sern kann das erfindungsgemäße Laserschneiden in der Praxis gut ausgeführt werden. Ein geringer Fokusdurchmesser, zusammen mit einem niedrigen Strahl parameterprodukt, ermöglicht zudem schmale Schnittspalte und dadurch einen besonders effizienten Schneidprozess. Der Fokusdurchmesser wird bezüglich der Strahlausbreitungsrichtung an dem Ort bestimmt, an dem der (von der Laserop tik fokussierte) Laserstrahl seine engste Stelle (Taille) hat. Diese Taille liegt typi scherweise bezüglich der Strahlausbreitungsrichtung innerhalb des zu schneiden den Werkstücks, insbesondere für ein Schmelzschneiden; die Taille kann jedoch alternativ auch über oder unter dem Werkstück liegen. Der Fokusdurchmesser wird senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung (in der Fokusebene) gemessen. Der Fokusdurchmesser kann nach dem 86%-Kriterium bestimmt werden, d.h. es wird eine Kreisfläche um das Zentrum des Intensitätsprofils am Ort der Taille des Laserstrahls gelegt mit einem Durchmesser, so dass 86% der Laserleistung in nerhalb der Kreisfläche liegen. Ebenfalls bevorzugt ist eine Variante, bei der für ein Strahlparameterprodukt SPP des Laserstrahls gilt:

SPP<3,6mm*mrad, bevorzugt SPP<2,4mm*mrad, besonders bevorzugt SPP<2,lmm*mrad. Damit ist das erfindungsgemäße Ver fahren in der Praxis für typische Fokusdurchmesser und typische Werkstückdi cken gut umsetzbar.

Besonders bevorzugt ist eine Variante, bei der für die Dicke D des Werkstücks gilt: 0,5mm<D<4,0mm. Diese Werkstückdicken können im Rahmen der Erfin dung mit geringer Schnittflankenrauheit gut bearbeitet werden. Man beachte, dass für größere Werkstückdicken (z.B. mit D>2mm) höhere Lasermoden bevor zugt sind, z.B. mit azimuthaler Mode-Nummer p>4, und umgekehrt für kleinere Werkstückdicken (z.B. mit D<2mm) auch niedrigere Lasermoden gut genutzt werden können (z.B. mit p<3).

Besonders bevorzugt ist zudem eine Variante, bei der für die Dicke D des Werk stücks gilt: D<l,0mm. Solche Werkstücke können mit besonders guter Qualität gefertigt werden, auch im Falle von filigranen zu schneidenden Konturen.

Bevorzugt ist weiterhin eine Variante, die vorsieht, dass die Laserquelle über ein Lichtleitkabel mit einem Faserdurchmesser FD mit der Laseroptik verbunden ist, wobei FD<55pm, dass die Laseroptik eine Kollimationseinrichtung mit einer Brennweite f _c umfasst, die aus dem aus einem Faserende des Lichtleitkabels austretenden Laserstrahl einen kollimierten Laserstrahl erzeugt, und weiterhin die Laseroptik eine Fokus siereinrichtung mit einer Brennweite fo umfasst, die den kollimierten Laserstrahl in Richtung auf das Werkstück fokussiert, wobei gilt 37,5mm<f _c <200mm und 150mm<fo<200mm. Mit diesen Parametern lässt sich die Erfindung gut in der Praxis umsetzen. Insbesondere kann ein Fo kusdurchmesser im Bereich von 50pm bis 200pm gut eingerichtet werden. Die Laserquelle kann einen Scheibenlaser, Faserlaser der Diodenlaser umfassen. Weiterhin gilt bevorzugt für die Fokuslage FL +lmm<FL<-7mm und/oder den Abstand Düse-Blech ADB 0,8mm<ADB<l,2mm, bevorzugt ADB=lmm.

Bevorzugt ist weiterhin eine Variante, die vorsieht, dass innerhalb des Werkstücks über die gesamte Dicke D des Werkstücks für ein jedes lokales Intensitätsprofil des Laserstrahls im Querschnitt senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung des Laserstrahls weiterhin gilt:

- mehrere lokale Maxima der Laserintensität sind auf einem Kreisring mit dem Durchmesser DK angeordnet;

- der Laserstrahl hat einen Strahldurchmesser SD, und - SD/DK>1,0, bevorzugt SD/DK>1,2, besonders bevorzugt 1,25<SD/DK<1,6. In dieser Variante ist der Laserstrahl merklich über den Kreisring der lokalen Ma xima ausgedehnt, und entsprechend nimmt die Laserintensität von radial außen auf den Kreisring der lokalen Maxima zu mit einem eher geringen Gradienten zu, insbesondere im Werkstück oberhalb und unterhalb der Fokusebene. Dies hat sich als vorteilhaft für die Schneidqualität erwiesen. Typischerweise ist für diese Variante p<4, meist p<3, und weiterhin q = l gewählt. Der Strahldurchmesser SD im jeweiligen lokalen Intensitätsprofil kann nach dem 86%-Kriterium bestimmt werden, d.h. es wird eine Kreisfläche um das Zentrum des lokalen Intensitäts profils des Laserstrahls gelegt mit einem Durchmesser, so dass 86% der Laser- leistung innerhalb der Kreisfläche liegen.

Bevorzugt ist weiterhin eine Variante, bei der für die Lasermode oder die Laser moden des Typs LP _p,q , aus denen der Laserstrahl zusammengesetzt ist, gilt: 2<p<6, bevorzugt 3<p<4, und weiterhin l<q<2, bevorzugt q = l. Dies hat sich in der Praxis bewährt. Mit mittleren Werten für p kann ein ausgeprägtes Intensitätsminimum im Zentrum erhalten werden, ohne dass die Intensitätsgradienten zu steil würden. Niedrige Werte für q bewirken einen vergleichsweise großen Zentralbereich mit geringer Intensität, und damit eine gute Konzentration der Laserintensität nach radial au- ßen.

Besonders bevorzugt ist eine Verfahrensvariante, bei der die Laserquelle eine ge pulste Laserquelle mit einer Pulsfrequenz f _puis ist, mit f _puis >5kHz, bevorzugt 15kHz<f _puis <25kHz, besonders bevorzugt f _puis =20kHz. Durch die gepulste Laserquelle kann eine feine Riefenstruktur an den Schnittflanken eingerichtet werden, wodurch eine beson- ders geringe (mittlere) Schnittflankenrauheit erreicht wird.

Bevorzugt ist weiterhin eine Variante, bei der innerhalb des Werkstücks über die gesamte Dicke D des Werkstücks für ein jedes lokales Intensitätsprofil des Laser strahls im Querschnitt senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung des Laserstrahls weiterhin gilt:

- in einem Zentralbereich des lokalen Intensitätsprofils, der kreisförmig um das Zentrum gelegen ist, beträgt die lokale Laserintensität maximal 60% einer maxi malen Laserintensität im lokalen Intensitätsprofil, wobei der Zentralbereich eine Fläche von wenigstens 10% der Querschnittsfläche des Laserstrahls im lokalen Intensitätsprofil einnimmt. Dadurch wird eine ausgeprägte Konzentration der La serintensität nach radial außen, von der Laserstrahlmittenachse weg in den Be reich der Schneidflanken, bewirkt, wodurch die Schneidqualität verbessert wird. Bevorzugt beträgt die lokale Laserintensität im Zentralbereich maximal 50% der maximalen Laserintensität im lokalen Intensitätsprofil, und/oder der Zentralbe- reich nimmt eine Fläche von wenigstens 15% der Querschnittsfläche des Laser strahls ein. Die Querschnittsfläche des Laserstrahls im lokalen Intensitätsprofil kann als Kreisfläche um das Zentrum mit dem 86%-Kriterium bestimmt werden, d.h. der Durchmesser ergibt sich so, dass 86% der Laserleistung in der zugehöri gen Kreisfläche liegen.

Besonders bevorzugt ist eine Variante, die vorsieht, dass das Laserschneiden mit einer koaxialen Führung des Laserstrahls und eines Gasstrahls eines Schneidga ses erfolgt, wobei ein Schneidgasdruck PS angewandt wird mit 12bar<PS<22bar, bevorzugt 15bar<PS<18bar, insbesondere wobei eine konisch-zylindrische Düse mit einem Durchmesser DD angewandt wird mit lmm<DD<3mm, bevorzugt DD = 2,3mm. Dies hat sich in der Praxis besonders bewährt, insbesondere für eine besonders effiziente Schmelze ablösung.

Bevorzugt ist weiterhin eine Variante, bei der das Laserschneiden mit einer Schnittspaltgeometrie nach Art einer Laval-Kontur erfolgt. Dadurch wird eine op timale Schneidgasströmung und damit wiederum eine verbesserte Schmelzeablö sung erreicht.

In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt auch ein Laserschneidsystem, umfassend eine Laserquelle, eine Laseroptik und wenigstens ein zu schneidendes Werkstück, eingerichtet zur Durchführung des erfindungsgemäßen, oben be schriebenen Verfahrens. Mit diesem Laserschneidsystem kann das Werkstück mit besonders guter Schneidqualität, insbesondere besonders geringer Schnittflan kenrauheit, gefertigt werden.

Ebenfalls in den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt die Verwendung des er findungsgemäßen, oben beschriebenen Verfahrens oder eines erfindungsgemä ßen, oben beschriebenen Laserschneidsystems zur Fertigung von Bauteilen für ein Luftfahrzeug oder Raumfahrzeug, insbesondere wobei das Bauteil an einer Schnittflanke mit einer Schnittflankenrauheit Ra von 5 pm oder weniger, bevor zugt 3 pm oder weniger, gefertigt wird. Mit der Erfindung kann eine besonders geringe (mittlere) Schnittflankenrauheit Ra erreicht werden. Diese wird insbeson dere in der Luft- und Raumfahrttechnik geschätzt und benötigt, insbesondere um eine hohe Schwingfestigkeit bzw. Dauerfestigkeit von laserbearbeiteten Bauteilen zu erreichen. Durch die geringe Rauheit wird die Kerbwirkung der Bauteile redu ziert. Die (mittlere) Schnittflankenrauheit Ra wird typischerweise wie folgt ge messen: An einer Schnittflanke eines Werkstücks, das entlang einer Richtung x geschnitten wurde und dessen Dicke sich in einer Richtung z erstreckt, wird an fünf z-Positionen i jeweils das lineare Oberflächenprofil y,(x) bezüglich der y- Richtung über eine Länge Lr in x-Richtung gemessen. Die Richtungen x, y und z stehen senkrecht aufeinander. Die Positionen i = 1...5 werden bei 10%, 30%,

50%, 70% und 90% der Werkstückdicke gesetzt. An jeder Position i ergibt sich eine lokale, über die Länge Lr ermittelte (mittlere) Rauheit Hierbei ist die Position y=0 jeweils so gewählt, dass y _t (x)dx = 0 ist. Die (mitt lere) Schnittflankenrauheit Ra ergibt sich dann zu Ra = . Vgl. hierzu auch

DIN ISO 4288.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeich nung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführ ten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in be liebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, son dern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung und Zeichnung

Fig. zeigt beispielhaft ein Laserschneidsystem beim Laserschneiden eines Werkstücks gemäß der Erfindung; Fig. 2 illustriert lokale Intensitätsverteilungen des Laserstrahls von Fig. 1 an der Werkstückoberseite, in der Fokusebene und an der Werkstückunterseite;

Fig. 3 illustriert die Intensitätsverteilung im xz-Schnitt bei einem Laserstrahl im Laserschneidsystem von Fig. 1 in der Fokusebene, für verschiedene La sermoden;

Fig. 4 illustriert die Intensitätsverteilung im xz-Schnitt bei einem Laserstrahl im Laserschneidsystem von Fig. 1 in der Fokusebene im Lasermode LP3 mit weiteren Details; Fig. 5 zeigt lichtoptische Bilder einer mit einem herkömmlichen, gaußförmigen Strahl erzeugte Schnittflanke (oben) und einer mit dem erfindungsgemä ßen Verfahren erzeugte Schnittflanke (unten) jeweils bei einem Titan- Werkstück im Vergleich.

Die Fig. 1 zeigt in einer beispielhaften Ausführungsform ein erfindungsgemäßes Laserschneidsystem 1 bei der Durchführung einer beispielhaften Variante des er findungsgemäßen Verfahrens zum Laserschneiden eines Werkstücks 2. Es ist ein schematischer Querschnitt gezeigt, der durch das Werkstück 2 am Schnittspalt 12 geht.

Das Laserschneidsystem 1 umfasst eine Laserquelle 3, die beispielsweise mit ei nem Scheibenlaser ausgebildet sein kann, zur Erzeugung eines Laserstrahls 7. Die Laserquelle 3 ist in der gezeigten Ausführungsform umschaltbar zwischen verschiedenen Lasermoden oder Kombinationen von Lasermoden. Zur Umschal tung der Lasermoden können in der Laserquelle 3 Klemmmechanismen vorgese hen sein, wie sie beispielsweise aus der WO 2019/150071 Al bekannt geworden sind (nicht näher dargestellt). In der hier gezeigten Verfahrensvariante umfasst der von der Laserquelle 3 zur Verfügung gestellte Laserstrahl 7 lediglich eine La sermode, nämlich eine LP3,i-Mode. Das Strahlparameterprodukt SPP des Laser strahls 7 beträgt hier ca. SPP=1,2 mm*mrad; typischerweise gilt SPP<3,6mm*mrad oder SPP<2,4 mm*mrad. Die mittlere Laserleistung P _a der Laserquelle 3 beträgt hier P _a =2kW; typischerweise gilt allgemein 0,5kW<P _av <5kW, oder auch P _av >2kW. Die Laserleistung der Laserquelle 3 ist ge pulst mit einer Pulsfrequenz f _puis von 20 kHz; bevorzugt gilt f _puis >5kHz oder auch 15kHz<f _puis <25kHz.

Die Laserquelle 3 stellt einen Laserstrahl 7 zur Verfügung, der mittels eines Lichtleitkabels 4 zu einer Laseroptik 5 geleitet wird. In der gezeigten Ausfüh rungsform hat das Lichtleitkabel 4 einen Faserdurchmesser FD von 50 pm; typi sche Faserdurchmesser FD betragen allgemein FD<55pm; der Faserdurchmesser FD der Faser, in der der Laserstrahl 7 geführt ist, wird auch als Faserkerndurch messer bezeichnet. Die Laseroptik 5 umfasst eine Kollimationseinrichtung 6, hier eine einzelne Kolli mationslinse 6a, mit der der an einem Faserende 4a des Lichtleitkabels 4 austre tende Laserstrahl 7 kollimiert wird. Die Kollimationseinrichtung 6 hat hier eine Brennweite f _c von 100 mm; typische Brennweiten f _c liegen im Bereich von 37,5 mm bis 200 mm.

Der kollimierte Laserstrahl 7 wird sodann von einer Fokussiereinrichtung 8, hier einer einzelnen Fokussierlinse 8a, in Richtung auf das Werkstück 2 zu fokussiert Die Fokussiereinrichtung 8 hat hier eine Brennweite fo von 150 mm; typische Brennweiten fo liegen im Bereich von 150 mm bis 200 mm.

Der Laserstrahl 7 passiert sodann eine Düse 9, an der ein Gasstrahl 10 eines Schneidgases koaxial zum Laserstrahl 9 eingerichtet ist, und entsprechend eben- falls auf das Werkstück 2 gerichtet ist. Als Schneidgas wird hier Stickstoff (N2) eingesetzt. Als Schneidgasdruck PS ist hier 17 bar gewählt; typische Schneidgas drücke SP betragen zwischen 12 bar und 22 bar. Die Düse 9 ist hier konisch-zy lindrisch ausgebildet, und weist einen Düsendurchmesser DD (senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung) auf; in der gezeigten Bauform gilt ca. DD=2,3 mm; allgemein bevorzugt gilt 1 mm < DD < 3 mm.

Das Werkstück 2 ist hier ein Metallblech und weist eine Dicke D auf, die hier in z- Richtung entlang der Strahlausbreitungsrichtung (die hier in -z-Richtung ver läuft) gemessen ist. Das Laserschneiden erfolgt entlang einer Schneidkontur 11 in entlang einer Schneidrichtung (die hier in -x-Richtung verläuft) relativ zwi schen Laserstrahl 7 und Werkstück 2, wobei der Laserstrahl 7 an einer Oberseite 2a des Werkstücks 2 in das Werkstück 2 eindringt und an einer Unterseite 2b des Werkstücks 2 wieder austritt. In der hier gezeigten Variante liegt ein Fokus 15 des Laserstrahls 7 (bezüglich der z-Achse), an der der Laserstrahl 7 seine ge- ringste Ausdehnung in der xy-Ebene hat („Taille"), näherungsweise mittig im

Werkstück 2. Man beachte, dass die Richtungen x, y und z ein rechtwinkliges Ko ordinatensystem bilden. Der Laserstrahl 7 verflüssigt an einer Schneidfront 13 das Material des Werk stücks 2 zu einer Schmelze, die mit Hilfe des Gasstrahls 10 aus dem Schnittspalt 12 des Werkstücks 2 ausgetrieben wird. Der größte Teil der Schmelze verlässt den Schnittspalt 12 als ausgetriebene Schmelzeperlen 14; ein kleinerer Teil der Schmelze bleibt an einer Unterseite 2b des Werkstücks an den Rändern des Schnittspalts 12 haften, und bildet dort jeweils einen Grat 16 aus. Durch das La serschneiden wird eine Schnittflanke 17 am Werkstück 2 entlang des erzeugten Schnittspalts 12 erzeugt. Der Laserstrahl 7 weist quer zur Strahlausbreitungsrichtung innerhalb der Dicke D des Werkstücks 2 lokale Intensitätsprofile senkrecht zur Strahlausbreitungs richtung (hier -z-Richtung) auf. Allen diesen lokalen Intensitätsprofilen innerhalb der Werkstückdicke D ist gemäß der Erfindung gemeinsam, dass sie in ihrem je weiligen Zentrum (auf der optischen Achse OA des Laserstrahls 7) eine ver- gleichsweise geringe lokale Laserintensität aufweisen, und weiterhin um das Zentrum herum mehrere lokale Intensitätsmaxima aufweisen, an denen die lo kale Laserintensität wesentlich größer ist; aufgrund des hier gewählten Laser mode LP3 sind insgesamt sechs lokale Intensitätsmaxima um das Zentrum herum vorhanden, die näherungsweise auf den Ecken eines regelmäßigen Sechs- ecks liegen. Dabei beträgt (jeweils in allen Intensitätsprofilen innerhalb der

Werkstückdicke D) die lokale Laserintensität im Zentrum maximal 60% der maxi malen Intensität im Querschnitt des gesamten Laserstrahls. Die lokalen Intensi tätsprofile, innerhalb der Werkstückdicke D, weisen sozusagen eine über die Werkstückdicke D „propagierende Nullstelle" im Zentrum bzw. an der optischen Achse OA auf.

In der Fig. 1 sind beispielhaft das lokalen Intensitätsprofil 18a an der Werk stückoberseite 2a, das lokale Intensitätsprofil 18b an der Werkstückunterseite 2b und das lokale Intensitätsprofil 18c in der Ebene des Fokus 15 des Laserstrahls 7 jeweils bezüglich der xy-Ebene illustriert. Innerhalb des Laserstrahls 7 indiziert eine dunkle Färbung eine höhere lokale Laserintensität als eine helle Färbung.

Die jeweiligen sechs lokalen Intensitätsmaxima sind gut zu erkennen (siehe hierzu auch Fig. 2). Der Schnittspalt 12 hat im Querschnitt (senkrecht zur Bearbeitungsrichtung) eine Geometrie entsprechend einer Laval-Kontur, was den Schmelzeaustritt erleich tert. Aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens, insbesondere der erfindungs gemäßen, lokalen Intensitätsprofile des Laserstrahls 7 innerhalb der Dicke D des Werkstücks 2 und auch ergänzend durch ein Pulsen der Laserleistung, können sehr feine Riefen 17a und eine insgesamt geringe Schnittflankenrauheit Ra be züglich der y-Richtung (die näherungsweise senkrecht zur Schnittflanke 17 liegt) erreicht werden. Meist liegt die (mittlere) Schnittflankenrauheit Ra bei 5 pm oder weniger, und oft bei 3 pm oder weniger. Zudem werden nur geringe Grate 16 ausgebildet, meist mit einem Gratüberstand (hier bezüglich der z-Richtung) klei ner als 10% der Werkstückdicke D. Ebenso sind die erhaltenen Wärmeeinflusszo nen (bezogen auf die y-Richtung) in der Regel recht klein, meist kleiner als 15% der Werkstückdicke D, und oft kleiner als 5% der Werkstückdicke D.

Das fertig geschnittene Werkstück 2 kann als Bauteil in einem Luftfahrzeug oder einem Raumfahrzeug (nicht näher dargestellt) verwendet werden.

Die Fig. 2 illustriert noch einmal näher die lokalen Intensitätsprofile 18a, 18b, 18c des Laserstrahls aus der Fig. 1 an der Werkstückoberseite (oben), an der Werkstückunterseite (unten) und in der Ebene des Fokus (Mitte).

Rechts ist jeweils ein xz-Schnitt dargestellt, bei dem die Intensität mittels der Helligkeit dargestellt ist, wobei (innerhalb des Strahldurchmessers des Laser strahls, der vor einem dunklen Hintergrund dargestellt ist) dunklere Bereiche die Bereiche mit höherer Intensität darstellen und hellere Bereiche die Bereiche ge ringerer Intensität. Die sechs lokalen Intensitätsmaxima sind deutlich zu erken nen; sie sind näherungsweise ringförmig um das Zentrum mit geringerer lokaler Laserintensität aufgereiht. In der Regel befindet sich näherungsweise im Zent rum ein lokales Minimum der lokalen Laserintensität.

Links sind zugehörige Intensitätsdiagramme mit Intensitätskurven dargestellt, die im xz-Schnitt (durch die optische Achse, also durch das Zentrum des Laser strahls und dabei näherungsweise durch zwei der lokalen Intensitätsmaxima hin- durch) die Position in x-Richtung nach rechts und die Intensität nach oben ange ben (jeweils in willkürlichen Einheiten aufgetragen). In allen Fällen, auch an der Werkstückoberseite und an der Werkstückunterseite, ist im Zentrum und in ei nem Zentralbereich um das Zentrum herum die Laserintensität gering, und zu beiden Seiten des Zentralbereichs demgegenüber erhöht, mit jeweils zwei deutli chen lokalen Maxima.

Die Fig. 3 zeigt die Verteilung der Intensität des Laserstrahls in der Fokusebene im xz-Schnitt (durch das Zentrum des Laserstrahls hindurch), mit nach rechts aufgetragen die Position in x (hier in Einheiten von Pixeln px) und nach oben auf getragen die Intensität (in willkürlichen Einheiten) für Laserstrahlen in unter schiedlichen Moden. Es wurde jeweils eine identische mittlere Laserleistung P (hier mit P _av =600 W) und ein identischer Messaufbau (hier insbesondere mit Fo kusdurchmesser FKD = 125 pm) gewählt, wie aus Fig. 1 ersichtlich. Die Verteilun- gen werden mit dem Laserschneidsystem wie in Fig. 1 dargestellt bestimmt wer den, wobei an die Stelle des dortigen Werkstücks eine 2D-Intensitätsmessein- richtung tritt (beispielsweise eine CCD-Kamera, mit einem vorgeschalteten, die Laserintensität abschwächenden Filter, um die CCD-Kamera nicht zu überlasten, mit der CCD-Kamera angeordnet in der Fokusebene; man beachte, dass für die Bestimmung von Intensitätsprofilen außerhalb der Fokusebene die CCD-Kamera auch in entsprechenden defokussierten Ebenen angeordnet werden kann).

In einer (nicht für die Erfindung geeigneten) Grundmode, mit der Intensitäts kurve 19, hat die Intensität ein einzelnes lokales Maximum ungefähr in der Mitte des Laserstrahls; der Laserstrahl hat näherungsweise eine Intensitätsverteilung entsprechend einer Gauß-Kurve („gaußförmiger Laserstrahl").

In der für die Erfindung geeigneten Lasermode LP3 , mit der Intensitätskurve 20, hat die Intensität zwei lokale Maxima (näherungsweise bei den Pixelpositio- nen px=23 und px=43), die zu beiden Seiten des Zentrums Z (mit dem Zentrum Z näherungsweise bei Pixelposition px=33) des Laserstrahls liegen. Gegenüber der Grundmode 19 hat sich die maximale Intensität um ca. 10% abgeschwächt. Vor allem aber ist die lokale Laserintensität am Zentrum Z nur ca. 50% der ma ximalen Intensität in der Intensitätskurve 20. In der für die Erfindung ebenfalls geeigneten Lasermode LP4 , mit der Intensi tätskurve 21, hat die Intensität ebenfalls zwei lokale Maxima (hier näherungs weise bei den Pixelpositionen px=21 und px=46), die zu beiden Seiten des Zent- rums Z (mit dem Zentrum Z wieder näherungsweise bei Pixelposition px=33) des Laserstrahls liegen. Gegenüber der Grundmode 19 hat sich die maximale Intensi tät ebenfalls um ca. 10% abgeschwächt. Vor allem aber ist die lokale Laserinten sität am Zentrum Z hier nur noch ca. 20% der maximalen Intensität in der In tensitätskurve 21. Zudem liegen die Maxima in der Intensitätskurve 21 weiter auseinander als bei der Intensitätskurve 20.

Aus Fig. 3 ist ersichtlich, dass durch Wahl einer bezüglich der azimutalen Mode- Nummer p höheren Lasermode die Intensität im Zentrum Z relativ zur übrigen Intensitätskurve verringert werden kann. Zudem kann der Durchmesser eines Zentralbereichs mit geringer Laserintensität um das Zentrum Z herum vergrößert werden. Insgesamt wird also durch die höhere Lasermode Laserintensität nach radial weiter außen verlagert.

Die Fig. 4 zeigt nochmals isoliert die Intensitätskurve 20, gemessen im xz- Schnitt in der Fokusebene mit einem Laserstrahl 7, der auf einem LP3,i-Mode ba siert (vgl. hierzu bereits Fig. 3). Der Schnitt erfolgte durch das Zentrum Z des Laserstrahls 7 und näherungsweise durch zwei lokale Maxima. Die Intensitäts kurve 20 repräsentiert beispielhaft ein jeweiliges lokales Intensitätsprofil der La serintensität im Querschnitt senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung innerhalb der gesamten Dicke D eines Werkstücks gemäß der Erfindung.

Die Intensität bzw. die Intensitätskurve 20 besitzt zwei lokale Maxima an den x- Positionen PLMI und PLM2. Diese liegen, zusammen mit vier weiteren lokalen Ma xima (nicht in Fig. 4 dargestellt, vgl. hierzu aber z.B. Fig. 2), auf einem Kreisring um das Zentrum Z, der einen Durchmesser DK aufweist.

Dem Laserstrahl 7, dessen Intensitätskurve Fig. 4 zeigt, kann ein Strahldurch messer SD zugeordnet werden. Um das Zentrum Z des Laserstrahls 7 kann dafür ein Kreis gelegt werden, innerhalb dessen 86% der gesamten Intensität des La serstrahls 7 liegt; der Durchmesser dieses Kreises entspricht SD (so genanntes 86%-Kriterium). In der gezeigten Ausführungsform gilt ca. SD/DK=1,26; typi scherweise gilt allgemein SD/DK>1 oder auch SD/DK>1,2, und besonders bevor- zugt 1,25<SD/DK<1,6. Da das lokale Intensitätsprofil von Fig. 4 in der Ebene des Fokus aufgenommen wurde, stellt SD hier gleichzeitig den Fokusdurchmesser FKD dar.

Der Laserstrahl 7 hat seine größte Intensität hier am Ort des zweiten Maximums bei PLM2, mit einer Intensität von Imax ^LS . Am Ort des Zentrums Z hat der Laser strahl 7 eine Intensität von I _z . Vorliegend gilt ca. I _z /Imax ^LS =0,50; typischerweise gilt allgemein I _z /I _ma x ^LS ^0,60, bevorzugt I _z /Imax ^LS ^0,50, oder auch I _z /Imax ^LS ^0,25.

Um das Zentrum Z kann ein kreisförmiger Zentralbereich ZB gelegt werden mit einem Durchmesser, so dass 10% der Querschnittsfläche 7a des Laserstrahls 7 (also 10% der zum Strahldurchmesser SD gehörenden Kreisfläche) innerhalb des Zentralbereichs ZB liegen. Der Durchmesser des Zentralbereichs ZB ist dann un gefähr 1/3 so groß wie der Durchmesser SD des Laserstrahls. Innerhalb des Zentralbereichs ZB kann die maximale lokale Intensität I _a x ^ZB des Laserstrahls 7 bestimmt werden; in der gezeigten Variante von Fig. 4 ist die Intensität im Zent ralbereich ZB an dessen linkem Rand maximal. Vorliegend gilt ca. Imax ^ZB /Imax ^LS =0,56; typischerweise gilt allgemein Imax ^ZB /ImaxZ ^LS <0,60.

In Fig. 5 ist jeweils eine lichtoptische Aufnahme (Aufsicht) einer Schneidflanke eines Werkstücks aus Titan (Werkstoff T40) gezeigt, die mit einem herkömmli chen, gaußförmigen Laserstrahl gefertigt wurde (oben) und die mit einem Laser strahl mit den erfindungsgemäßen lokalen Intensitätsprofilen (wie entsprechend in Fig. 2) dargestellt gefertigt wurde (unten). Die Fertigungsparameter waren je weils für den Werkstoff und typische Anforderungen für Luftfahrtbauteile opti- miert. Mit bloßem Auge ist erkennbar, dass die herkömmlich erzeugte Schneid flanke eine deutlich höhere Rauheit aufweist als die erfindungsgemäß erzeugte Schneidflanke. Für die herkömmliche Schneidflanke wurde ein Wert Ra von 3,74 pm gemessen, und für die erfindungsgemäß erzeugte Schneidflanke wurde ein Wert Ra von 1,79 pm gemessen. Die Grate an der Werkstückunterseite sind in beiden Fällen gering. Im Falle der erfindungsgemäß erzeugten Schnittflanke konnte zudem eine ca. 4 mal höhere Schnittgeschwindigkeit eingesetzt werden als bei der herkömmlich erzeugten Schnittflanke.

Bezuaszeichenliste

1 Laserschneidsystem

2 Werkstück 2a Oberseite (Werkstück)

2b Unterseite (Werkstück)

3 Laserquelle

4 Lichtleitkabel

4a Faserende 5 Laseroptik

6 Kollimationseinrichtung

6a Kollimationslinse

7 Laserstrahl

7a Querschnittsfläche des Laserstrahls 8 Fokussiereinrichtung

8a Fokussierlinse

9 Düse

10 Gasstrahl

11 Schneidkontur 12 Schnittspalt

13 Schneidfront

14 Schmelzeperlen

15 Fokus

16 Grat 17 Schnittflanke

17a Riefen

18a Intensitätsprofil (Werkstückoberseite)

18b Intensitätsprofil (Werkstückunterseite)

18c Intensitätsprofil (Fokusebene) 19 Intensitätskurve (Grundmode)

20 Intensitätskurve (LP _3,i -Mode)

21 Intensitätskurve (LP4,i-Mode)

D Dicke (Werkstück)

DD Düsendurchmesser

DK Durchmesser des Kreises der lokalen Intensitätsmaxima

FD Faserdurchmesser

FKD Fokusdurchmesser

Imax ^LS maximale (lokale) Intensität des Laserstrahls Imax ^ZB maximale (lokale) Intensität des Laserstrahls im Zentralbereich Iz (lokale) Intensität des Laserstrahls im Zentrum

OA optische Achse (Laseroptik)

PLMI Position des ersten lokalen Maximums PLM2 Position des zweiten lokalen Maximums px Pixel (in x-Richtung)

SD Strahldurchmesser des Laserstrahls x Richtung y Richtung z Richtung

Z Zentrum

ZB Zentralbereich