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1. (WO2019001847) SYSTÈME DE COUPE AU LASER
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LASERSTRAHLSCHNEIDEN

GEBIET

[0001] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verfahren und Systeme zum Laserstrahltrennen. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf Verfahren und Systeme zum Trennen faserverstärkter Kunststoffe, wie bspw. kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe.

HINTERGRUND

[0002] Faserverstärkte Kunststoffe sind Verbundwerkstoffe, bei denen Fasern in eine Kunststoff-Matrix, bspw. Epoxidharz, eingebettet sind. Der Matrixwerkstoff dient dabei zur Verbindung der Fasern sowie zum Füllen der Zwischenräume.

[0003] Zum Trennen faserverstärkter Kunststoffe werden typischerweise Fräsmaschinen eingesetzt. Allerdings treten bei der mechanischen Bearbeitung faserverstärkter Kunststoffe auf Grund der Heterogenität des Materials oftmals Schwierigkeiten hinsichtlich Krafteinwirkung und Verschleiß auf.

ZUSAMMENFASSUNG

[0004] Beim Trennen von Werkstücken aus faserverstärkten Kunststoffen mittels gepulster Laserstrahlung (bspw. mit Pulslängen im Nano-, Piko- oder Femtosekundenbereich) können diese Schwierigkeiten umgangen und (bei entsprechend geringer räumlicher Ausdehnung der sich ausbildenden Wärmeeinflusszone) qualitativ hochwertige Bearbeitungsergebnisse erzielt werden. Allerdings scheitert der Einsatz gepulster Laserstrahlung zum Trennen faserverstärkter Kunststoffe, insbesondere in der Serienfertigung, oftmals an zu geringen effektiven Schneidgeschwindigkeiten der verfügbaren Systeme.

[0005] Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Laserstrahlschneidverfahren und -Systeme bereitzustellen, die die Wirtschaftlichkeit des Einsatzes gepulster Laserstrahlung zum Trennen von

faserverstärkten Kunststoffen, insbesondere in der Serienfertigung, verbessern. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das koordinierte, gleichzeitige Bearbeiten des faserverstärkten Kunststoffs mit einer Vielzahl an Laserstrahlen gelöst, wobei ein (nahezu) stegfreier Übergang zwischen den Schnittsegmenten durch ein präzises Einstellen/Kalibrieren der Laserstrahlführung in den Überlappungsbereichen ermöglicht wird.

[0006] Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Trennen eines faserverstärkten Kunststoffs mittels gepulster Laserstrahlung umfasst ein Beaufschlagen einer Oberfläche mit Laserstrahlung durch Fokussieren von Laserstrahlung auf einen oder mehrere Punkte auf einer ersten Raumkurve und durch Fokussieren von Laserstrahlung auf einen oder mehrere Punkte auf einer zweiten Raumkurve, ein Bestimmen einer Überlappung oder relativen Lagebeziehung der ersten Raumkurve und der zweiten Raumkurve durch Erfassen von Oberflächenbereichen, die mit Laserstrahlung beaufschlagt werden, ein Verschieben und/oder Verdrehen der ersten Raumkurve und/oder der zweiten Raumkurve zur Reduktion eines Versatzes, wenn eine gewünschte Überlappung bzw. relative Lagebeziehung der Raumkurven nicht bestätigt werden kann, und ein Trennen des faserverstärkten Kunststoffs durch Fokussieren gepulster Laserstrahlung auf Punkte auf der ersten Raumkurve und durch Fokussieren von gepulster Laserstrahlung auf Punkte auf der zweiten Raumkurve.

[0007] In diesem Zusammenhang ist unter dem Begriff„Trennen", wie er in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendet wird, insbesondere das Schmelzen /Verdampfen /Verbrennen /Sublimieren /Zersetzen von Material entlang der Raumkurven zu verstehen, wodurch der faserverstärkte Kunststoff entlang der Raumkurven durchtrennt wird. Das Durchtrennen kann dabei durch einmalige oder mehrfache (wiederholte) Ablation entlang der Raumkurven erfolgen. Ferner ist unter dem Begriff„Überlappung", wie er in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendet wird, insbesondere ein Maß der Übereinstimmung zwischen den Raumkurven zu verstehen. Des Weiteren ist unter dem Begriff„Versatz", wie er in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendet wird, insbesondere ein Maß der Abweichung zwischen den

Raumkurven zu verstehen. Zudem ist in der Beschreibung und den Ansprüchen unter „erfassen" insbesondere ein Beobachten und ein Ableiten von Beobachtungsdaten aus der Beobachtung zu verstehen.

[0008] Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann somit sichergestellt werden, dass ein Versatz der fokussierten Laserstrahlung in den Überlappungsbereichen der Schnittsegmente reduziert bzw. unterhalb einer Schwelle/innerhalb eines Toleranzbereichs gehalten wird.

[0009] Vorzugsweise wird beim Beaufschlagen der Oberfläche mit Laserstrahlung zum Bestimmen der Überlappung, Laserstrahlung mit einer geringeren Intensität verwendet, als beim Laserstrahlschneiden.

[0010] Bspw. kann die Oberfläche mit Laserstrahlung beaufschlagt werden, die keinerlei oder allenfalls geringe irreversible Veränderungen des Materials erzeugt, wodurch ein Erzeugen von Ausschuss verhindert werden kann. Ebenfalls kann das Verfahren während eines Produktionsprozesses bspw. für jedes zu bearbeitende Werkstück oder nach einer festgelegten Anzahl an Werkstücken durchgeführt werden, um bspw. eine Vergrößerung des Versatzes rechtzeitig zu detektieren und kompensieren.

[0011] Vorzugsweise werden die Oberflächenbereiche mittels einer Kamera erfasst.

[0012] In diesem Zusammenhang unter dem Begriff „Kamera", wie er in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendet wird, insbesondere eine Vorrichtung mit einem Bildsensor zur Aufnahme elektromagnetischer Strahlung zu verstehen wobei der Bildsensor bspw. als CCD- oder CMOS-Sensor ausgebildet sein kann. Bspw. kann die Kamera als Thermokamera ausgebildet sein.

[0013] Vorzugsweise detektiert die Kamera elektromagnetische Strahlung im sichtbaren oder infraroten Spektrum und/oder an der Oberfläche reflektierte Laserstrahlung.

[0014] Bspw. können aus der elektromagnetischen Strahlung Punkte oder Kurven abgeleitet werden, die das Auftreffen der Laserstrahlung auf der Oberfläche beschreiben. Durch Vergleich der Punkte bzw. Kurven miteinander oder mit Markern auf der Oberfläche kann dann auf eine Überlappung der Raumkurven geschlossen werden bzw. die Führung der Laserstrahlung korrigiert werden.

[0015] Vorzugsweise umfasst das Fokussieren gepulster Laserstrahlung auf Punkte auf der ersten Raumkurve ein Ablenken eines Laserstrahls einer ersten Laserstrahlquelle und das Fokussieren gepulster Laserstrahlung auf Punkte auf der zweiten Raumkurve ein Ablenken eines Laserstrahls einer zweiten Laserstrahlquelle.

[0016] Bspw. kann die Laserstrahlung durch eine erste ortsfeste Laservorrichtung und eine zweite ortsfeste Laservorrichtung erzeugt werden, welche Laserstrahlung mittels Ablenkoptiken in unterschiedliche Raumrichtungen ablenken können. Eine Ablenkoptik kann bspw. einen dreh-oder schwenkbaren Spiegel oder ein anderes dreh- oder schwenkbares optisches Element umfassen wie bspw. Prismen oder akustooptische oder elektrooptische Deflektoren.

[0017] Ein erfindungsgemäßes Laserstrahlschneidsystem umfasst eine erste Fokussieroptik, welche dazu eingerichtet ist, Laserstrahlung auf Punkte auf einer ersten Raumkurve zu fokussieren und eine zweite Fokussieroptik, welche dazu eingerichtet ist, Laserstrahlung auf Punkte auf einer zweiten Raumkurve zu fokussieren, wobei das Laserstrahlschneidsystem eingerichtet ist, eine Routine durchzuführen, um eine gewünschte Überlappung der Raumkurven sicherzustellen, wobei das Laserstrahlschneidsystem eingerichtet ist während der Routine ein Fokussieren von Laserstrahlung auf einen oder mehrere der Punkte auf der ersten Raumkurve und ein Fokussieren von Laserstrahlung auf einen oder mehrere Punkte auf der zweiten Raumkurve zu überwachen und wenn die gewünschte Überlappung der Raumkurven nicht bestätigt werden kann, Daten hinsichtlich eines Versatzes zwischen den Raumkurven zu ermitteln.

[0018] In diesem Zusammenhang ist unter dem Begriff„Fokussieroptik", wie er in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendet wird, auch eine Vorrichtung zu verstehen, die es erlaubt den Fokus der Laserstrahlung längs des Strahlengangs einzustellen, wie bspw. eine Fokussierlinse, die längs des Strahlengangs verschieblich gelagert ist.

[0019] Vorzugsweise umfasst das Laserstrahlschneidsystem eine Aufnahme für ein Werkstück und eine Kamera.

[0020] Vorzugsweise ist die Kamera eingerichtet, elektromagnetische Strahlung im sichtbaren oder infraroten Spektrum und/oder reflektierte Laserstrahlung zu detektieren.

[0021] Vorzugsweise umfasst das Laserstrahlschneidsystem eine erste Laserstrahlungsquelle, eingerichtet zur Erzeugung gepulster Laser Strahlung, die der ersten Fokussieroptik zugeordnet ist und eine zweite Laserstrahlungsquelle, eingerichtet zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung, die der zweiten Fokussieroptik zugeordnet ist.

[0022] Vorzugsweise umfasst das Laserstrahlschneidsystem eine erste Ablenkoptik, die der ersten Laserstrahlungsquelle zugeordnet ist, wobei die erste Ablenkoptik es ermöglicht, von der ersten Laserstrahlungsquelle erzeugte Laserstrahlung in unterschiedliche Raumrichtungen abzulenken und eine zweite Ablenkoptik, die der zweiten Laserstrahlungsquelle zugeordnet ist, wobei die zweite Ablenkoptik es ermöglicht, von der zweiten Laserstrahlungsquelle erzeugte Laserstrahlung in unterschiedliche Raumrichtungen abzulenken.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

[0023] Die Erfindung wird nachfolgend in der detaillierten Beschreibung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert, wobei auf Zeichnungen Bezug genommen wird, in denen:

Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf ein beispielhaftes Laserstrahlschneidsystem, welches mehrere parallel betreibbare Laserquellen und Scan-Köpfe umfasst, wobei die Scan-Köpfe (sich paarweise) überlappende Arbeitsbereiche aufweisen;

Fig. 2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahren zum Kalibrieren der Ausrichtung der Scan-Köpfe des in Fig. l gezeigten Systems;

Fig. 3 eine schematische Draufsicht auf eine Variante des in Fig. l gezeigten Laserstrahlschneidsystems; und

Fig. 4 eine schematische Draufsicht auf eine weitere Variante des in Fig. l gezeigten Laserstrahlschneidsystems zeigt.

[0024] Dabei sind in den Zeichnungen gleiche oder analoge Elemente durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG

[0025] Fig. 1 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein beispielhaftes Laserstrahlschneidsystem 10. Das Laserstrahlschneidsystem 10 umfasst eine Vielzahl an ortsfesten Laservorrichtungen 12, die bspw. an einem Rahmen des Laserstrahlschneidsystems 10 starr befestigt sind. Die ortsfesten Laservorrichtungen 12 umfassen jeweils eine Laserstrahlungsquelle 14 (bspw. ein gepulster Faserlaser mit einem Leistungsbereich bis 100 Watt) und einen Scan-Kopf mit einer Fokussieroptik 16 und einer Ablenkoptik 18. Die Ablenkoptik 18 erlaubt ein Ablenken des Strahlengangs der Laserstrahlung in unterschiedliche Raumrichtungen.

[0026] Die Fokussieroptik 16 bzw. Elemente der Fokussieroptik 16 können entlang des Strahlengangs (bspw. relativ zur Laserstrahlungsquelle 14) starr angeordnet, oder beweglich gelagert sein. Bei beweglicher Lagerung kann der Abstand zwischen der Laserstrahlungsquelle 14 und dem Fokuspunkt der Laserstrahlung variiert werden. Der Fokus kann dann trotz ortsfester Laserstrahlungsquelle 14 (in bestimmten Grenzen) dreidimensional im Raum platziert werden. Auf diese Weise kann der Fokus der Laserstrahlung entlang gekrümmter Bauteiloberflächen geführt werden, wodurch bei entsprechend stark gekrümmten Bereichen von Bauteiloberflächen eine inakzeptable Defokussierung vermieden werden kann.

[0027] Die Scan-Köpfe der ortsfesten Laservorrichtungen 12 sind so ausgerichtet bzw. ausrichtbar, dass die Laserstrahlung der Laserstrahlungsquellen 14 jeweils einen Arbeitsbereich 20 abdeckt, wobei sich Arbeitsbereiche 20 paarweise überlappen. Alternativ können die Laserstrahlungsquellen 14 in (bspw. mittels mehrerer Roboterarme) beweglichen Laservorrichtungen (nicht gezeigt) angeordnet sein, die das Ausrichten der Laserstrahlung auf sich paarweise überlappende Arbeitsbereiche 20 ermöglichen.

[0028] Das Laserstrahlschneidsystem 10 umfasst ferner eine Aufnahme, worin, wie in Fig. 1 gezeigt, während des Betriebs ein Werkstück 22 aus faserverstärktem Kunststoff (bspw. aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff) angeordnet sein kann, welches entlang einer gewünschten Schneidlinie 24 zu durchtrennen ist. Die Laservorrichtungen 12 sind relativ zur Schneidlinie 24 so angeordnet bzw. bewegbar, dass die Schneidlinie 24 durch die sich überlappenden Arbeitsbereiche 20 verläuft.

[0029] Dadurch können die Laservorrichtungen 12 das Werkstück 22 im Rahmen eines koordinierten Betriebs, der insbesondere einen parallelen Betrieb der Laservorrichtungen 12 einschließen kann, entlang der jeweiligen Segmente der Schneidlinie 24, welche in den jeweiligen Arbeitsbereichen 20 der entsprechenden Laservorrichtungen 12 liegen, durchtrennen. Das Durchtrennen des Werkstücks 22 kann dabei bspw. durch schichtartiges Abtragen von Material des Werkstücks 22 entlang der Segmente erfolgen.

[0030] Der Betrieb der Laservorrichtungen 12 kann durch Steuerbefehle koordiniert werden, die bewirken, dass die Laservorrichtungen 12 Laserstrahlung entlang von Raumkurven 26a, 26b, die in ihren Arbeitsbereichen 20 liegen, fokussieren. Die Raumkurven 26a, 26b ergeben sich dabei aus der Position und Ausrichtung der jeweiligen Laservorrichtung 12 sowie der Kalibrierung der Scan-Köpfe, welche die Laserstrahlung in verschiedene Raumrichtungen ablenken bzw. die Laserstrahlung fokussieren.

[0031] Die Steuerbefehle können aus einer gemessenen oder angenommenen Position und Ausrichtung des Werkstücks 22 und Daten hinsichtlich der Schneidlinie 24 unter Berücksichtigung gemessener oder angenommener Positionen und Ausrichtungen der Laservorrichtungen 12 und Kalibrierdaten der Scan-Köpfe, berechnet werden. Das Ziel der Berechnung kann sein, dass die aus den Steuerbefehlen resultierenden Raumkurven 26a, 26b mit der Schneidlinie 24 übereinstimmen und sich gegenseitig überlappen.

[0032] Jedoch kann es, wie in dem vergrößerten Ausschnitt in Fig. 1 dargestellt, auf Grund von Messungenauigkeiten, Toleranzen, etc. dazu kommen, dass die aus den Steuerbefehlen resultierenden Raumkurven 26a, 26b sich nicht oder nicht ausreichend überlappen bzw. von der gewünschten Schneidlinie 24 abweichen. Würden die Laservorrichtungen 12 in dieser Situation auf Basis der Steuerbefehle gesteuert, könnte es vorkommen, dass die Bearbeitungsqualität den an sie gestellten Anforderungen nicht genügt und das Werkstück 22 als Ausschuss entsorgt werden muss.

[0033] Um dies zu verhindern kann das Laserstrahlschneidsystem 10 eingerichtet sein, Daten hinsichtlich der aus den Steuerbefehlen resultierenden Raumkurven 26a, 26b zu ermitteln und ggf. die Position, Ausrichtung, oder Kalibrierung der Scan-Köpfe zu korrigieren, wie in dem Flussdiagramm der Fig. 2 dargestellt. Dazu kann das Laserstrahlschneidsystem 10 bspw. wie in Schritt 28 des in Fig. 2 gezeigten Verfahrens, die Oberfläche des Werkstücks 22 mit Laserstrahlung beaufschlagen.

[0034] Die Laserstrahlung kann eine reduzierte Intensität (im Vergleich zur Intensität der Laserstrahlung beim Trennen) aufweisen, die die Oberfläche des Werkstücks 22 lokal erwärmt, ohne das Werkstück 22 zu zertrennen (oder eine irreversible Veränderung des Materials des Werkstücks 22 zu erzeugen). Die Erwärmung des Werkstücks 22 kann dann durch eine Infrarotkamera (nicht gezeigt), die die Oberfläche des Werkstücks 22 erfasst, aufgenommen werden.

[0035] Bspw. können die Laservorrichtungen 12 nacheinander Laserstrahlung auf einen oder mehrere Punkte der jeweiligen Raumkurve 26a, 26b fokussieren.

Mittels Aufnehmen der sich durch den Energieeintrag ausbildenden Wärmebereiche kann überprüft werden, ob die Raumkurven 26a, 26b auf der Schneidlinie 24 liegen und sich (ausreichend) überlappen bzw. ob eine diesbezügliche Abweichung innerhalb eines Toleranzbereichs liegt, wie in Schritt 30 des in Fig. 2 gezeigten Verfahrens.

[0036] Ist dies nicht der Fall, können die Position, Ausrichtung, Steuerbefehle oder die Referenzausrichtung eines oder mehrerer der Scan-Köpfe angepasst werden, wie in Schritt 32 des in Fig. 2 gezeigten Verfahrens. Bspw. können die Wärmebereiche durch einen Mittelpunkt (oder eine Mittellinie) und eine Ausdehnung charakterisiert werden und aus dem Mittelpunkt (oder der Mittellinie) eine oberflächentangentiale Abweichung der jeweiligen Raumkurve 26a, 26b von der Schneidlinie 24, und aus der Ausdehnung eine oberflächenlotrechte Abweichung der jeweiligen Raumkurve 26a, 26b von der Schneidlinie 24 ermittelt werden.

[0037] Des Weiteren kann überprüft werden, ob die angepassten Steuerbefehle bzw. die eine oder die mehreren korrigierten Referenzausrichtungen der Scan-Köpfe zu korrigierten Raumkurven 26a', 26b'führen (welche einer Verschiebung und/oder Verdrehung der Raumkurven 26a, 26b entsprechen), die auf der Schneidlinie 24 liegen und sich (ausreichend) überlappen, bzw. ob eine diesbezügliche Abweichung innerhalb des Toleranzbereichs liegt. Ist dies nicht der Fall, können eine oder mehrere erneute Korrekturen ausgeführt werden, bis entweder die Anforderungen erfüllt sind, oder die Prozedur mit einer Fehlermeldung beendet wird. Dies kann bspw. dann auftreten, wenn die Steuerung einer oder mehrerer Laservorrichtungen 12 defekt ist.

[0038] Ferner kann die Korrektur anstatt auf Basis des Aufnehmens von Wärmebereichen auch auf Basis von an der Oberfläche reflektierter Laserstrahlung erfolgen. Die Laserstrahlung kann dabei Laserstrahlung der Laserstrahlungsquellen 14 (bei ggf. reduzierter Intensität im Vergleich zur Intensität beim Trennen) oder weiterer Laserstrahlungsquellen (wie bspw. eines Pilotlasers, nicht gezeigt) sein, die durch die Scan-Köpfe auf die Oberfläche des Werkstücks 22 abgelenkt wird. In diesem Fall kann anstatt infraroter Strahlung elektromagnetische Strahlung im Frequenzbereich der Laserstrahlung und/oder Laserstrahlung im sichtbaren Bereich detektiert werden, wobei die Reflexionsbereiche analog den Wärmebereichen durch einen Mittelpunkt (oder eine Mittellinie) und eine Ausdehnung charakterisiert werden können.

[0039] Ebenso kann die beschriebene Überwachung der Raumkurven 26a, 26b auch fortlaufend während des Scheidens von Werkstücken 22 durchgeführt werden, wobei die Steuerbefehle/eine oder mehrere Referenzausrichtungen der Scan-Köpfe fortlaufend korrigiert/angepasst werden, um eine Verschlechterung der Schnittqualität während des Betriebs, bspw. auf Grund schwankender Temperatureinflüsse, zu verhindern/reduzieren.

[0040] Fig. 3 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein weiteres beispielhaftes Laserstrahlschneidsystem 10', welches sich von dem in Fig. 1 gezeigten Laserstrahlschneidsystem 10 dadurch unterscheidet, dass die Oberfläche des Werkstücks 22' eine Markierung aufweist, die von dem Laserstrahlschneidsystem 10' erfasst wird. Die Markierung ermöglicht es, eine Abweichung der Raumkurven 26a, 26b von der Schneidlinie 24 exakter zu bestimmen. Bspw. kann das Laserstrahlschneidsystem 10' mit Daten versorgt sein, die neben einer Charakterisierung der Schneidlinie 24 angeben, wie die Schneidlinie 24 relativ zu den Markierungen verläuft, wodurch die Raumkurven 26a, 26b auf Basis der Markierungen korrigiert werden können.

[0041] Fig. 4 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein weiteres beispielhaftes Laserstrahlschneidsystem 10", welches sich von dem in Fig. 1 gezeigten Laserstrahlschneidsystem 10 dadurch unterscheidet, dass die sich überlappenden Arbeitsbereiche 20 einen geschlossenen Arbeitsbereich bilden. Ferner versteht es sich, dass das in Fig. 4 gezeigte Laserstrahlschneidsystem io"auch dazu eingerichtet sein kann, eine Markierung auf dem Werkstück zur Korrektur der Raumkurven 26a, 26b zu verwenden, wie das in Fig. 3 gezeigte Laserstrahlschneidsystem 10'.

[0042] Des Weiteren versteht es sich, dass anstatt der gezeigten drei oder vier gezeigten Laservorrichtungen 12 ein erfindungsgemäßes Laserstrahlschneidsystem auch mehr als zehn, mehr als zwanzig, mehr als dreißig, mehr als vierzig, mehr als fünfzig, mehr als sechzig, mehr als siebzig, mehr als achtzig, mehr als neunzig oder mehr als hundert Laservorrichtungen 12 mit sich paarweise überlappenden Arbeitsbereichen 20 umfassen kann, um eine Bearbeitungsgeschwindigkeit des Laserstrahlschneidsystem zu erhöhen.

BEZUGSZEICHENLISTE

, ιο', 10" Laserstrahlschneidsystem

Laservorrichtung

Laserstrahlungsquelle

Fokussieroptik

Ablenkoptik

Arbeitsbereich

Werkstück

Schneidlinie

a, 26b Raumkurve

-32 Prozessschritte