DE102019125103A1

DE102019125103A1 - Bearbeitungsvorrichtung zur Laserbearbeitung eines Werkstücks, Verfahren zur Laserbearbeitung eines Werkstücks

Info

Publication number: DE102019125103A1
Application number: DE102019125103.6A
Authority: DE
Inventors: Colin Woratz
Original assignee: Bystronic Laser AG
Current assignee: Bystronic Laser AG
Priority date: 2019-09-18
Filing date: 2019-09-18
Publication date: 2021-03-18
Also published as: JP2022554056A; CN114401812A; CN114401812B; WO2021053105A4; US20220379402A1; WO2021053105A1; EP4031316A1

Abstract

Es wird eine Bearbeitungsvorrichtung zur Laserbearbeitung eines Werkstücks, insbesondere zum Laserschneiden, bereitgestellt, mit einer Einrichtung zum Erzeugen eines Bearbeitungslaserstrahls, zum Grobbearbeiten des Werkstücks, insbesondere zum Erzeugen von Schnitten mit Schnittkanten im Werkstück, und mit einer Einrichtung zum Aufteilen des Bearbeitungslaserstrahls in mindestens zwei Energieintensitäts-Bereiche, wobei ein erster Energieintensitäts-Bereich zum Grobbearbeiten des Werkstücks eine größere zeitlich integrierte Strahlungsenergie aufweist, als mindestens ein zweiter Energieintensitäts-Bereich zum zumindest partiellen Feinbearbeiten einer Schnittkante. Es wird ferner ein Verfahren zur Laserbearbeitung eines Werkstücks bereitgestellt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bearbeitungsvorrichtung zur Laserbearbeitung eines Werkstücks, eine Verwendung einer Bearbeitungsvorrichtung zur Laserbearbeitung eines Werkstücks, und ein Verfahren zur Laserbearbeitung eines Werkstücks.
Bei der Laserbearbeitung von Werkstücken, insbesondere bei Verfahren zum thermischen Trennen von Werkstoffen mittels Laserstrahlung, wie Laserschneiden, werden Laserbearbeitungsvorrichtungen eingesetzt. In vielen Fällen wird dabei ein Laserbearbeitungskopf genutzt, der den Bearbeitungslaserstrahl auf das Werkstück führt, beispielsweise auf ein zu bearbeitendes Blech. Eine Hauptanforderung bei der Bearbeitung von Werkstücken ist es, die Qualität des bearbeiteten Werkstücks zu verbessern. Beim Laserschneiden wird typischerweise ein Hilfsgas oder Schneidgas benutzt, das aktiv oder inert sein kann.
Bei Flachbettschneidanlagen wird das Werkstück zum Beispiel mit einem Laserstrahl und einem Gasstrahl, der als Schneidgas dient, bearbeitet. Der Bearbeitungskopf ist dabei als Schneidkopf ausgeführt und leitet die beiden Strahlen in optimaler Ausprägung auf das Werkstück.
Beim Laserschneiden mit einem aktiven Schneidgas, wie z.B. Sauerstoff, wird das z.B. metallische Material des Werkstücks verbrannt und vaporisiert, nachdem es vom Laserstrahl auf die Zündtemperatur erhitzt wurde. Die Reaktion zwischen Sauerstoff und dem Material des Werkstücks erzeugt zusätzliche Wärme, die den Schneidprozess unterstützt. Das geschmolzene flüssige Material, das eine geringe Viskosität hat, kann von der Schnittkante oder aus dem Schnittspalt durch die Scherkräfte des Gases entfernt werden. Beim Schneiden mit einem inerten Gas, wie Stickstoff oder Argon, wird das Material des Werkstücks nur durch die Laserleistung geschmolzen und kann aus dem Schnittspalt durch die kinetische Energie des Gasstroms ausgeblasen werden.
Beim Laserbearbeiten von Werkstücken können unerwünschte Strukturen der erzeugten Oberflächen des Werkstücks entstehen. Zum Beispiel können beim Laserschneiden im Schnittspalt und/oder auf der Schnittkante unerwünschte Oberflächen-Unebenheiten erzeugt werden. Diese können aus dem hohen Energieeintrag beim Grobbearbeiten, z.B. Schneiden, mit dem Laserstrahl resultieren. Ein Typ von Oberflächen-Unebenheiten kann aus einem durch die Laserstrahlung und durch den Gasstrom periodisch variierenden Schmelzen des Materials resultieren, wodurch unerwünscht unregelmäßige Profile der Oberflächen oder sogenannte Riefen entstehen. Ein anderer Typ von Oberflächen-Unebenheiten entsteht dadurch, dass zumindest in einigen Millimetern Tiefe des Schnittspalts ein Schmelzfilm entstehen kann, der die Oberfläche, z.B. bereits durch das Schneiden entstandenen Oberflächen-Unebenheiten, bedeckt. Ferner können beim Laserschneiden unerwünscht geformte oder scharfkantige Schnittkanten entstehen. Diese können bei der Weiterverarbeitung des Werkstücks nicht nur schwierig zu handhaben sein, sondern können auch beim Lackieren zur Kantenflucht führen und die Korrosionsbeständigkeit des Werkstücks beeinträchtigen. Analoges gilt für andere Laserbearbeitungsprozesse. Es besteht daher ein Bedarf an einem Verfahren und einer Vorrichtung, die die Oberflächenbeschaffenheit der bearbeiteten Werkstücke, insbesondere die Haptik und Weiterverarbeitbarkeit von mit Laserstrahlen bearbeiteten Werkstücken sowie das optische Erscheinungsbild von Sichtteilen günstig beeinflussen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Bearbeitungsvorrichtung und ein Verfahren zur Laserbearbeitung eines Werkstücks bereitzustellen, die eine günstige Oberflächenbeschaffenheit des Werkstücks ermöglichen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Bearbeitungsvorrichtung zur Laserbearbeitung eines Werkstücks nach Anspruch 1, eine Verwendung einer Bearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 7, und ein Verfahren zur Laserbearbeitung eines Werkstücks nach Anspruch 8.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird eine Bearbeitungsvorrichtung zur Laserbearbeitung eines Werkstücks, insbesondere zum Laserschneiden, bereitgestellt, mit einer Einrichtung zum Erzeugen eines Bearbeitungslaserstrahls, zum Grobbearbeiten des Werkstücks, insbesondere zum Erzeugen von Schnitten mit Schnittkanten im Werkstück, und mit einer Einrichtung zum Aufteilen des Bearbeitungslaserstrahls in mindestens zwei Energieintensitäts-Bereiche, wobei ein erster Energieintensitäts-Bereich zum Grobbearbeiten des Werkstücks eine größere zeitlich integrierte Strahlungsenergie aufweist, als mindestens ein zweiter Energieintensitäts-Bereich zum zumindest partiellen Feinbearbeiten einer Schnittkante.
Die Bearbeitungsvorrichtung ermöglicht eine gezielte Nutzung unterschiedlicher Energieintensitäts-Bereiche des Bearbeitungslaserstrahls für unterschiedliche Einsatzzwecke, insbesondere für die Grob- und die Feinbearbeitung. Die unterschiedlichen Energieintensitäts-Bereiche können von der Einrichtung zum Aufteilen des Bearbeitungslaserstrahls für den jeweiligen Einsatzzweck angepasst werden. Beim Grobbearbeiten kann das Werkstück mit dem ersten Energieintensitäts-Bereich bearbeitet werden. Beim zumindest partiellen Feinbearbeiten der Schnittkante kann das Werkstück mit dem zweiten Energieintensitäts-Bereich bearbeitet werden. Der erste Energieintensitäts-Bereich wird dabei mit einer höheren zeitlich integrierten Strahlungsenergie als der zweite Energieintensitäts-Bereich bereitgestellt. Daher kann eine beim Grobbearbeiten mit dem ersten Energieintensitäts-Bereich erzeugte Schnittkante mit dem zweiten Energieintensitäts-Bereich und somit mit einer geringeren zeitlich integrierten Strahlungsenergie als beim Grobbearbeiten behandelt werden. So kann ein Bereich des Bearbeitungslaserstrahls, der eine geringere zeitlich integrierte Strahlungsenergie beinhaltet und daher nicht bei der Grobbearbeitung genutzt wird, zum Beispiel ein Randbereich des Bearbeitungslaserstrahls, für die Feinbearbeitung genutzt werden. Dadurch wird die Oberflächenstruktur der Schnittkante verfeinert und veredelt. Beispielsweise können die während der Grobbearbeitung erzeugten Schnittkanten bei der Feinbearbeitung zumindest partiell abgerundet und/oder angefast werden. Zudem können scharfkantige Vorsprünge oder Ecken von Schnittkanten geglättet werden. Dies führt zu einer Veredelung der erzeugten Oberflächen. Eine zusätzliche Nachbearbeitung der erzeugten Oberflächen, insbesondere der Schnittkante, kann entfallen. Somit ermöglicht die Bearbeitungsvorrichtung von Ausführungsformen eine deutliche Effizienzsteigerung sowie eine Kostenersparnis bei der Bearbeitung von Werkstücken. Zudem ist das veredelte Werkstück bei der Weiterverarbeitung besser zu handhaben. Insbesondere kann beim Lackieren eine Kantenflucht vermieden werden. Ferner kann durch die Veredelung der erzeugten Oberflächen die Korrosionsbeständigkeit des Werkstücks gefördert werden. Es werden also die Haptik, die Weiterverarbeitbarkeit, die Qualität sowie das optische Erscheinungsbild von mit Laserstrahlen bearbeiteten Werkstücken optimiert.
Das Feinbearbeiten erfolgt bevorzugt gleichzeitig mit dem Grobbearbeiten. Das Feinbearbeiten kann also ohne Zeitverlust durchgeführt werden. D.h. durch das gleichzeitige Feinbearbeiten kann eine verbesserte Schnittqualität von bearbeiteten Schnittkanten in demselben Zeitraum erreicht werden, in dem das Grobbearbeiten ausgeführt wird. Im Stand der Technik wäre diese Schnittqualität nur mit einem zeitlich aufwändigeren Nachbearbeiten der Schnittkanten nach der Grobbearbeitung möglich.
Die Einrichtung zum Erzeugen eines Bearbeitungslaserstrahls kann eine Bearbeitungslaserquelle aufweisen, die eine Mehrzahl von Laserquellenmodulen mit mindestens einem ersten Laserquellenmodul und mindestens einem weiteren Laserquellenmodul zum Erzeugen der Energieintensitäts-Bereiche des Bearbeitungslaserstrahls beinhaltet. Die Einrichtung zum Aufteilen des Bearbeitungslaserstrahls kann eine Laserstrahltransportfaser mit einem ersten Faserbereich, insbesondere einem Faserkern, und mindestens einem weiteren, insbesondere als Fasermantelring ausgebildeten, Faserbereich, aufweisen. Das mindestens eine erste Laserquellenmodul kann zum Erzeugen des ersten Energieintensitäts-Bereichs des Bearbeitungslaserstrahls ausgebildet sein und mit dem ersten Faserbereich der Laserstrahltransportfaser Laserlicht-leitend gekoppelt sein. Das mindestens eine weitere Laserquellenmodul kann zum Erzeugen eines der zweiten Energieintensitäts-Bereiche des Bearbeitungslaserstrahls ausgebildet sein und mit einem jeweils zugeordneten der weiteren Faserbereiche Laserlicht-leitend gekoppelt sein. Auf diese Weise können mittels der Module der Bearbeitungslaserquelle mehrere Bereiche des Bearbeitungslaserstrahls mit unterschiedlicher Energieintensität und unterschiedlicher zeitlich integrierter Strahlungsenergie erzeugt werden, die mittels der jeweils zugeordneten Faserbereiche zielgerichtet auf den Bearbeitungsbereich des Werkstücks, z.B. auf die Schnittkante, geleitet werden. Insbesondere können die unterschiedlichen Energieintensitäts-Bereiche des Bearbeitungslaserstrahls gleichzeitig auf das Werkstück geführt werden. Dabei kann der erste Faserbereich den ersten Energieintensitäts-Bereich des Laserstrahls, der für das Grobbearbeiten eingesetzt wird, auf das Werkstück führen. Der mindestens eine weitere Faserbereich kann einen oder mehrere weitere Energieintensitäts-Bereiche des Laserstrahls, die eine geringere zeitlich integrierte Strahlungsenergie als für das Grobbearbeiten beinhalten und für das Feinbearbeiten eingesetzt werden, auf das Werkstück führen. Ferner können die Module der Bearbeitungslaserquelle und/oder die Faserbereiche variabel und/oder zielgerichtet gestaltet und/oder eingesetzt werden. Auf diese Weise können die Grobbearbeitung und die Feinbearbeitung jeweils anforderungsgerecht und flexibel erfolgen. Dies ist beispielsweise durch geeignete Wahl der Anordnung, der Anzahl und/oder der Breite der Faserbereiche, der Wellenlänge/Frequenz des erzeugten Lichts in den Modulen und/oder mittels unabhängiger Steuerung der Energie in den jeweiligen Modulen und/oder Faserbereichen möglich.
Die Feinbearbeitung einer Schnittkante, z.B. im Randbereich der Schnittkante, kann auch zeitlich später als die Grobbearbeitung (bzw. das Schneiden) erfolgen, z.B. wenn eine gleichzeitige Bearbeitung aufgrund der Schnittgeometrie nicht möglich oder effizient ist.
In der Bearbeitungsvorrichtung kann die Einrichtung zum Erzeugen eines Bearbeitungslaserstrahls eine Bearbeitungslaserquelle und optional eine Laserstrahltransportfaser aufweisen und die Einrichtung zum Aufteilen des Bearbeitungslaserstrahls kann ein optisches Element zur Strahlformung des Bearbeitungslaserstrahls aufweisen. Mit dieser Ausführungsform können mittels Strahlformung mehrere Energieintensitäts-Bereiche des Bearbeitungslaserstrahls mit unterschiedlicher zeitlich integrierter Strahlungsenergie erzeugt werden, die zielgerichtet auf den Bearbeitungsbereich des Werkstücks geführt werden. Beispielweise kann ein Bearbeitungslaserstrahl erzeugt werden, der zumindest senkrecht zu seiner Ausbreitungsrichtung eine erwünschte Intensitätsverteilung und/oder eine räumliche Struktur besitzt, die für die Grob- und/oder Feinbearbeitung geeignet gestaltet ist.
Das Element zur Strahlformung kann beispielsweise ein optisches Element sein, das eine statische und/oder eine dynamische Strahlformung bewirkt. Für die statische Strahlformung kann ein statischer Strahlformer, beispielsweise eine strahlformende Linse vorgesehen sein. Für die statische und/oder dynamische Strahlformung können beispielsweise ein oder mehrere mit Aktuator(en) verstellbare Kippspiegel (z.B. ein Tip-/Tilt-Piezoscanner oder ein Galvanometerscanner) verwendet werden. Für die Strahlformung von Laserstrahlen kann auch eine mit Aktuatoren verformbare Oberfläche eingesetzt werden, z.B. ein adaptiver bzw. deformierbarer Spiegel. Sind Oberflächenbereiche eines solchen Spiegels unabhängig voneinander schnell verstellbar, z.B. mit Frequenzen von mehr als 100 Hz, kann mit solchen Spiegeln dynamische Strahlformung betrieben werden. Die dynamische Strahlformung kann dabei insbesondere als eine hochfrequente Strahlformung, z.B. als eine Fokalpunktoszillation, ausgeführt werden. Alternativ oder zusätzlich kann mit dem Element zur Strahlformung eine Brennweitenänderung eines optischen Systems der Bearbeitungsvorrichtung und/oder eine Fokuslageneinstellung des Bearbeitungslaserstrahls vorgenommen werden.
In der Bearbeitungsvorrichtung von Ausführungsformen kann der erste Energieintensitäts-Bereich ein Kernbereich des Bearbeitungslaserstrahls sein. Alternativ oder zusätzlich kann der mindestens eine zweite Energieintensitäts-Bereich mindestens ein Randbereich des Bearbeitungslaserstrahls sein. Ferner können der erste Energieintensitäts-Bereich und der mindestens eine zweite Energieintensitäts-Bereich konzentrisch angeordnet sein. Diese Maßnahmen ermöglichen beispielsweise eine Grobbearbeitung des Werkstücks mit dem Kernbereich des Laserstrahls und eine gleichzeitige Feinbearbeitung mit dem mindestens einen Randbereich.
In Ausführungsformen der Bearbeitungsvorrichtung kann die Einrichtung zum Aufteilen des Bearbeitungslaserstrahls derart ausgebildet sein, dass sie mindestens zwei der Energieintensitäts-Bereiche unabhängig voneinander einstellt oder wählt. Auf diese Weise kann die Grobbearbeitung und/oder die Feinbearbeitung des Werkstücks hochvariabel gestaltet werden.
Ferner kann die Einrichtung zum Aufteilen des Bearbeitungslaserstrahls derart ausgebildet sein, dass sie die zeitlich integrierte Strahlungsenergie des mindestens einen zweiten Energieintensitäts-Bereichs mit zunehmenden Abstand vom ersten Energieintensitäts-Bereich abnehmend einstellt oder wählt. Der mindestens eine zweite Energieintensitäts-Bereich des Laserstrahls kann z.B. ein oder mehrere mit dem Kernbereich konzentrische Randbereiche des Laserstrahls sein. So kann die Verteilung der zeitlich integrierten Strahlungsenergie im Bearbeitungslaserstrahl senkrecht zu seiner Ausbreitungsrichtung, insbesondere für die Feinbearbeitung des Werkstücks, maßgeschneidert werden.
In Ausführungsformen kann die Einrichtung zum Aufteilen des Bearbeitungslaserstrahls derart ausgebildet sein, dass sie mindestens ein Element ausgewählt aus einer oder mehreren Leistungen der Bearbeitungslaserquelle oder der Laserquellenmodule, einer Intensitätsverteilung des Bearbeitungslaserstrahls, insbesondere eine Intensitätsverteilung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Bearbeitungslaserstrahls, einer oder mehreren Frequenzen des Bearbeitungslaserstrahls und/oder mindestens eines der Energieintensitäts-Bereiche des Bearbeitungslaserstrahls, einer räumlichen Struktur des Bearbeitungslaserstrahls, insbesondere einer Breite und/oder eines Durchmessers des Bearbeitungslaserstrahls, einer räumlichen Struktur und/oder Anordnung des ersten Energieintensität-Bereichs und/oder des mindestens einen zweiten Energieintensitäts-Bereichs des Bearbeitungslaserstrahls, einer Vorschubgeschwindigkeit des Bearbeitungslaserstrahls, einem Fokusdurchmesser des Bearbeitungslaserstrahls und/oder mindestens eines der Energieintensitäts-Bereiche, einer Fokuslage des Bearbeitungslaserstrahls und/oder mindestens eines der Energieintensitäts-Bereiche, und einer Fokussierung des Bearbeitungslaserstrahls und/der mindestens eines der Energieintensitäts-Bereiche einstellt oder wählt. Diese Modifikationen der Einrichtung zum Aufteilen des Bearbeitungslaserstrahls fördern jeweils eine hochvariable Gestaltung der Grobbearbeitung und/oder der Feinbearbeitung des Werkstücks. Beispielsweise kann der Energieeintrag in das Material des Werkstücks durch die relative Geschwindigkeit des Bearbeitungslaserstrahls zum Werkstück gesteuert werden. Dies kann durch eine gesteuerte Bewegung des Bearbeitungslaserstrahls, z.B. durch hochfrequentes Strahlpendeln erreicht werden.
In Ausführungsformen kann die Einrichtung zum Aufteilen des Bearbeitungslaserstrahls zum Modifizieren der Geometrie der Schnittkante, insbesondere zum Abrunden und/oder Anfasen der Schnittkante, ausgebildet sein. Auf diese Weise kann eine erwünschtes Haptik, Weiterverarbeitbarkeit, Qualität und optisches Erscheinungsbild von mit Laserstrahlen bearbeiteten Werkstücken und dabei erzeugter Schnittkanten erhalten werden.
In der Bearbeitungsvorrichtung von Ausführungsformen kann eine Einrichtung zum Leiten eines Bearbeitungsgases, insbesondere eines Schneidgases, auf das Werkstück vorgesehen sein. Alternativ oder zusätzlich kann eine Einrichtung zum Leiten eines Bearbeitungsgases auf das Werkstück vorgesehen sein, mit einer düsenförmigen Austrittsöffnung für das Bearbeitungsgas, die einen Durchmesser von 0,5 bis 30 mm, bevorzugt 0,7 bis 1 mm, besitzt und in einem Abstand zum Werkstück, insbesondere zur Schnittkante, von 0 bis 3 mm, bevorzugt 0,1 bis 0,3 mm, einstellbar ist.
Durch eine geeignete Wahl und Steuerung der Einrichtung zum Leiten eines Bearbeitungsgases auf das Werkstück kann nicht nur während des Grobbearbeitens, sondern auch während des Feinbearbeitens geschmolzenes Material mittels einer Gasströmung auf dem Werkstück gezielt bewegt oder von der Schnittkante entfernt und so die Geometrie der Schnittkante optimiert werden. Die Einrichtung zum Leiten eines Bearbeitungsgases mit düsenförmiger Austrittsöffnung und den genannten Durchmessern und Abständen zum Werkstück kann für eine gleichzeitige Grob- und Feinbearbeitung eingesetzt werden. Diese Ausgestaltung ermöglicht, dass beim gleichzeitigen Grob- und Feinbearbeiten über des Werkstücks mit dem Bearbeitungs- oder Schneidgas ein Druckkissen erzeugt wird, das das geschmolzene Material sowohl beim Grobbearbeiten, als auch beim Feinbearbeiten des Werkstücks geeignet bewegt oder verdrängt. So kann das Bearbeitungsgas, das für die Grobbearbeitung beispielsweise als Schneidgas genutzt wird, auch für das Feinbearbeiten genutzt werden.
Die Erfindung betrifft ferner eine Verwendung einer Bearbeitungsvorrichtung nach einer der vorstehenden Ausführungsformen zum zumindest partiellen Feinbearbeiten einer Schnittkante eines Werkstücks.
Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Laserbearbeitung eines Werkstücks, insbesondere zum Laserschneiden, insbesondere mit einer Bearbeitungsvorrichtung nach einer der vorstehenden Ausführungsformen, mit Erzeugen eines Bearbeitungslaserstrahls zum Grobbearbeiten des Werkstücks, insbesondere zum Erzeugen von Schnitten mit Schnittkanten im Werkstück; Erzeugen mindestens zweier Energieintensitäts-Bereiche des Bearbeitungslaserstrahls, insbesondere Aufteilen des Bearbeitungslaserstrahls in mindestens zwei Energieintensitäts-Bereiche, wobei ein erster Energieintensitäts-Bereich zum Grobbearbeiten des Werkstücks eine größere zeitlich integrierte Strahlungsenergie aufweist, als mindestens ein zweiter Energieintensitäts-Bereich zum zumindest partiellen Feinbearbeiten einer Schnittkante; Bestrahlen des Werkstücks mit dem Bearbeitungslaserstrahl, Grobbearbeiten des Werkstücks mit dem ersten Energieintensitäts-Bereich und zumindest partielles Feinbearbeiten einer Schnittkante des Werkstücks mit dem mindestens einen zweiten Energieintensitäts-Bereich.
Im Verfahren von Ausführungsformen wird das Feinbearbeiten bevorzugt gleichzeitig mit dem Grobbearbeiten ausgeführt. Dies ermöglicht beispielsweise eine Grobbearbeitung des Werkstücks mit einer hohen zeitlich integrierten Strahlungsenergie eines Kernbereichs des Laserstrahls und eine gleichzeitige Feinbearbeitung der Schnittkante mit einer geringeren zeitlich integrierten Strahlungsenergie mindestens eines Randbereichs des Laserstrahls.
Die Feinbearbeitung einer Schnittkante, z.B. im Randbereich der Schnittkante, kann, wie bereits ausgeführt, auch zeitlich später als die Grobbearbeitung (bzw. das Schneiden) erfolgen, z.B. wenn eine gleichzeitige Bearbeitung aufgrund der Schnittgeometrie nicht möglich oder effizient ist. So kann das Feinbearbeiten zum Beispiel auch an der Unterseite des Werkstücks bei einer Nachbearbeitung, also zeitlich nach dem Grobbearbeiten, erfolgen.
Gemäß weiteren Ausführungsformen des Verfahrens können die Energieintensitäts-Bereiche des Bearbeitungslaserstrahls mit einer Mehrzahl von Laserquellenmodulen erzeugt werden, wobei der erste Energieintensitäts-Bereich mit mindestens einem ersten Laserquellenmodul und der mindestens eine zweite Energieintensitäts-Bereich mit mindestens einem weiteren Laserquellenmodul erzeugt werden; und die Energieintensitäts-Bereiche des Bearbeitungslaserstrahls in eine Laserstrahltransportfaser mit einem ersten Faserbereich, insbesondere einem Faserkern, und mindestens einen weiteren Faserbereich, insbesondere mindestens einen Fasermantelring, eingekoppelt werden. Dabei kann der erste Energieintensitäts-Bereich des Bearbeitungslaserstrahls in den ersten Faserbereich eingekoppelt werden, und jeder der zweiten Energieintensitäts-Bereiche des Bearbeitungslaserstrahls kann in einen jeweils zugeordneten der weiteren Faserbereiche eingekoppelt werden.
In weiteren Ausführungsformen des Verfahrens können die Energieintensitäts-Bereiche des Bearbeitungslaserstrahls mittels Strahlformung erzeugt werden. Die Strahlformung des Bearbeitungslaserstrahls kann auf verschiedene Arten betrieben werden. Unter Strahlformung kann das Verändern des Strahlparameterprodukts des Laserstrahls und/oder das Verändern des Gemisches der elektromagnetischen Lasermoden und/oder das Variieren der transversalen Verteilung der Leistung und/oder Intensität des Laserstrahls verstanden werden. Es gibt statische Strahlformung, bei dem das Strahlparameterprodukt zu einem oder mehreren singulären (vereinzelten) Zeitpunkten verstellt wird. Daneben gibt es auch dynamische Strahlformung (Dynamic Beam Shaping DBS), bei dem das Strahlparameterprodukt durch kontinuierliche dynamische Bewegung des Laserstrahls über eine Zeitperiode gemittelt oder integriert verändert wird. Die dynamische Strahlformung kann insbesondere als eine hochfrequente Strahlformung, z.B. als hochfrequentes Strahlpendeln oder als eine Fokalpunktoszillation, ausgeführt werden. Bei der Laserbearbeitung unter Einsatz der dynamischen Strahlformung wird der Laserstrahl mit Frequenzen von z.B. 100 Hz bis 10 kHz über das zu bearbeitende Werkstück bewegt, d.h. mit Frequenzen, die deutlich höher sind, als die typische Reaktionszeit zwischen Laserstrahl und Material. Somit wird das Werkstück mit einer zeitlich gemittelten oder zeitlich integrierten Leistungsverteilung des Bearbeitungslaserstrahls bearbeitet. Mittels dynamischer Strahlformung können daher zumindest senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Bearbeitungslaserstahls nahezu beliebige Leistungsverteilungen und Intensitätsverteilungen des Laserstrahlspots und somit unterschiedliche Bereiche des Bearbeitungslaserstrahls erzeugt werden.
Im Verfahren von Ausführungsformen kann der erste Energieintensitäts-Bereich als ein Kernbereich des Bearbeitungslaserstrahls erzeugt werden. Der mindestens eine zweite Energieintensitäts-Bereich kann als mindestens ein Randbereich des Bearbeitungslaserstrahls erzeugt werden. Der erste Energieintensitäts-Bereich und der mindestens eine zweite Energieintensitäts-Bereich können konzentrisch angeordnet werden.
In dem Verfahren von Ausführungsformen können mindestens zwei der Energieintensitäts-Bereiche unabhängig voneinander eingestellt oder gewählt werden. Ferner kann die zeitlich integrierte Strahlungsenergie des mindestens einen zweiten Energieintensitäts-Bereichs mit zunehmenden Abstand vom ersten Energieintensitäts-Bereich abnehmend eingestellt oder gewählt werden.
Beim Erzeugen der mindestens zwei Energieintensitäts-Bereiche des Bearbeitungslaserstrahls, insbesondere beim Aufteilen des Bearbeitungslaserstrahls in die mindestens zwei Energieintensitäts-Bereiche, kann mindestens ein Element ausgewählt aus einer oder mehreren Leistungen der Bearbeitungslaserquelle oder der Laserquellenmodule, einer Intensitätsverteilung des Bearbeitungslaserstrahls, insbesondere eine Intensitätsverteilung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Bearbeitungslaserstrahls, einer oder mehreren Frequenzen des Bearbeitungslaserstrahls und/oder mindestens eines der Energieintensitäts-Bereiche des Bearbeitungslaserstrahls, einer räumlichen Struktur des Bearbeitungslaserstrahls, insbesondere einer Breite und/oder eines Durchmessers des Bearbeitungslaserstrahls, einer räumlichen Struktur und/oder Anordnung des ersten Energieintensitäts-Bereichs und/oder des mindestens einen zweiten Energieintensitäts-Bereichs des Bearbeitungslaserstrahls, einer Vorschubgeschwindigkeit des Bearbeitungslaserstrahls, einem Fokusdurchmesser des Bearbeitungslaserstrahls und/oder mindestens eines der Energieintensitäts-Bereiche, einer Fokuslage des Bearbeitungslaserstrahls und/oder mindestens eines der Energieintensitäts-Bereiche, und einer Fokussierung des Bearbeitungslaserstrahls und/oder mindestens eines der Energieintensitäts-Bereiche eingestellt oder gewählt werden. Beim zumindest partiellen Feinbearbeiten der Schnittkante kann die Geometrie der Schnittkante modifiziert werden, insbesondere kann die Schnittkante abgerundet oder angefast werden.
In Ausführungsformen des Verfahrens kann beim zumindest partiellen Feinbearbeiten der Schnittkante mindestens ein Parameter ausgewählt aus der Leistung, der räumlichen Struktur und/oder Anordnung mindestens eines der Energieintensitäts-Bereiche des Bearbeitungslaserstrahls eingestellt oder gewählt werden.
In dem Verfahren von Ausführungsformen kann ein Bearbeitungsgas, insbesondere ein Schneidgas, auf das Werkstück geleitet werden. Ferner kann beim Feinbearbeiten der Schnittkante ein Bearbeitungsgas auf das Werkstück durch eine düsenförmige Austrittsöffnung für das Bearbeitungsgas geleitet werden, die einen Durchmesser von 0,5 bis 30 mm, bevorzugt 0,7 bis 1 mm, besitzt und in einem Abstand zum Werkstück, insbesondere zur Schnittkante, von 0 bis 3 mm, bevorzugt 0,1 bis 0,3 mm, eingestellt wird.
Mit den Verfahren zur Laserbearbeitung eines Werkstücks der vorstehenden Ausführungsformen können die gleichen Vorteile, Betriebsmodi und Funktionen realisiert werden, wie mit den Ausführungsformen der Bearbeitungsvorrichtung zur Laserbearbeitung eines Werkstücks, insbesondere mit gleichlautenden und/oder analogen Merkmalen.
Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen, den Figuren und den Unteransprüchen.
Alle hier beschriebenen und sich nicht gegenseitig ausschließenden Merkmale von Ausführungsformen können miteinander kombiniert werden. Gleiche Elemente der Ausführungsformen sind in der folgenden Beschreibung mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Einzelne oder mehrere Elemente einer Ausführungsform können in den anderen Ausführungsformen genutzt werden ohne weitere Erwähnung. Ausführungsformen der Erfindung werden nun durch die nachfolgenden Beispiele anhand von Figuren genauer beschrieben, ohne sie dadurch einschränken zu wollen. Es zeigen:

1a schematisch eine Bearbeitungsvorrichtung 100 zur Laserbearbeitung eines Werkstücks als ein erstes Beispiel gemäß Ausführungsformen der Erfindung;
1b schematisch eine beispielhafte Laser-Intensitätsverteilung eines Verfahrens zur Laserbearbeitung eines Werkstücks mit einem statischen optischen Element in der Bearbeitungsvorrichtung 100;
1c schematisch ein beispielhafte Laser-Intensitätsverteilung eines Verfahrens zur Laserbearbeitung eines Werkstücks mit einem dynamisch beweglichen optischen Element in der Bearbeitungsvorrichtung 100;
2a schematisch eine Bearbeitungsvorrichtung 200 zur Laserbearbeitung eines Werkstücks als ein zweites Beispiel gemäß Ausführungsformen der Erfindung;
2b und 2c schematisch Elemente der Bearbeitungsvorrichtung 200 zur Laserbearbeitung eines Werkstücks;
2d bis 2f Ergebnisse eines Verfahrens zur Laserbearbeitung eines Werkstücks mit der Bearbeitungsvorrichtung 200; und
2g Elemente einer Abwandlung der Bearbeitungsvorrichtung 200 zur Laserbearbeitung eines Werkstücks und Ergebnisse eines zugehörigen Verfahrens zur Laserbearbeitung eines Werkstücks.

Beispiele
Im Folgenden wird die Bearbeitungsvorrichtung gemäß Ausführungsformen der Erfindung unter anderem anhand von Beispielen mit Bearbeitungskopf beschrieben, ohne die Erfindung darauf zu begrenzen. Die Bearbeitungsvorrichtung und das Verfahren gemäß Ausführungsformen der Erfindung können auch ohne Bearbeitungskopf realisiert sein/werden. Der Bearbeitungslaserstrahl wird synonym auch als Laserstrahl bezeichnet. Der Begriff „Feinbearbeiten“ kann als „Feinbearbeitung“ ausgedrückt werden. Der Begriff „Grobbearbeiten“ kann synonym auch als „Grobbearbeitung“ bezeichnet werden. Die zeitlich integrierte Strahlungsenergie wird im Folgenden auch Strahlungsenergie genannt. Die Begriffe „einstellen“ oder „wählen“ umfassen den Begriff „variieren“. Analoges gilt für Abwandlungen dieser Begriffe.
Ferner gilt hier für die Beschreibung von Wertebereichen, dass die Angabe eines breiten Bereichs mit engeren alternativen oder bevorzugten Bereichen auch Bereiche offenbart, die durch eine beliebige Kombination angegebener unterer Bereichsgrenzen mit angegebenen oberen Bereichsgrenzen gebildet werden können.
Der Begriff „zeitlich integriert“ oder „zeitlich gemittelt“ bedeutet vorliegend über einen Zeitraum oder eine Zeitperiode integriert oder gemittelt. Im Zusammenhang mit einer FokalpunktOszillation bedeutet dies über mindestens eine Oszillationsperiode integriert oder gemittelt, in Verbindung mit einem Strahlpendeln über mindestens eine Pendelperiode integriert oder gemittelt.
Die Begriffe „dynamische Bewegung“ des Laserstrahls oder „dynamisch bewegter“ Laserstrahl und Abwandlungen davon bedeuten vorliegend, dass der Laserstrahl hochfrequent, beispielsweise mit Frequenzen von 10 Hz bis 15 kHz, insbesondere über 500 Hz, bewegt wird. Gleiches gilt analog für „dynamisch“ bewegbare, orientierbare und/oder verstellbare Elemente der Bearbeitungsvorrichtung.
In allen Ausführungsformen kann die Einrichtung zum Erzeugen eines Bearbeitungslaserstrahls derart ausgebildet sein, dass ein kontinuierlicher und/oder diskontinuierlicher, insbesondere gepulster, Bearbeitungslaserstrahl bereitgestellt wird. Die Bearbeitungsvorrichtung, die Einrichtung zum Aufteilen des Bearbeitungslaserstrahls und/oder die Einrichtung zum Erzeugen eines Bearbeitungslaserstrahls können mit einer Steuerungseinheit drahtgebunden oder drahtlos datenleitend verbunden sein oder eine solche enthalten, und mit der Steuerungseinheit steuerbar sein.
1a veranschaulicht schematisch als ein erstes Beispiel eine Bearbeitungsvorrichtung 100 gemäß Ausführungsformen der Erfindung zur Laserbearbeitung eines Werkstücks 12. Im vorliegenden Beispiel ist die Bearbeitungsvorrichtung 100 mit einem Bearbeitungskopf 10 ausgeführt.
Die Bearbeitungsvorrichtung 100 besitzt als eine Einrichtung 14 zum Erzeugen eines Bearbeitungslaserstrahls 15 eine Bearbeitungslaserquelle 18. Wie im Beispiel der 1a veranschaulicht ist, kann die Bearbeitungslaserquelle 18 über eine Transportfaser mit dem Bearbeitungskopf 10 verbunden sein.
Alternativ kann die Bearbeitungslaserquelle 18 direkt am Bearbeitungskopf 10 vorgesehen sein.
Der Bearbeitungslaserstrahl 15 wird vorliegend auch als Laserstrahl 15 bezeichnet. Mit der Bearbeitungslaserquelle 18 kann im vorliegenden Beispiel ein Laserstrahl 15 erzeugt werden, der einen Kernbereich 15a und einen Randbereich 15b besitzt. Letzterer ist in 1a mit gestrichelten Linien dargestellt. Der Kernbereich 15a des Laserstrahls 15 entspricht im vorliegenden Beispiel dem ersten Energieintensitäts-Bereich zum Grobbearbeiten und zum Erzeugen einer Schnittkante 20a (in 1b und 1c gezeigt) in einem Bearbeitungsbereich 13 des Werkstücks 12. Die Bearbeitungslaserquelle 18 stellt vorliegend eine Laserleistung von ungefähr 6 kW bereit und erzeugt den Bearbeitungslaserstrahl in einem Spektralbereich, der eine Wellenlänge von 1070 nm beinhaltet. Es können jedoch auch Bearbeitungslaserquellen mit einer geringeren Leistung als 6 kW, z.B. ca. 1 kW, oder mit einer Leistung größer als 6 kW, z.B. 10 kW oder 20 kW, eingesetzt werden. Ferner können Bearbeitungslaserquellen verwendet werden, die andere Spektralbereiche bereitstellen.
Die Bearbeitungsvorrichtung 100 weist ferner eine Einrichtung 16 zum Aufteilen des Bearbeitungslaserstrahls in mindestens zwei Energieintensitäts-Bereiche auf. Die Einrichtung 16 zum Aufteilen des Bearbeitungslaserstrahls in mindestens zwei Energieintensitäts-Bereiche kann synonym als Einrichtung 16 zum Erzeugen mindestens zweier Energieintensitäts-Bereiche des Bearbeitungslaserstrahls bezeichnet werden.
Als Einrichtung 16 zum Aufteilen des Bearbeitungslaserstrahls ist im vorliegenden Beispiel innerhalb der Bearbeitungsvorrichtung 100 ein optisches Element zur Strahlformung des Laserstrahls vorgesehen, das im Strahlengang des Laserstrahls 15 positioniert oder positionierbar ist. Das optische Element kann z.B. als Linse ausgeführt sein, die den Laserstrahl 15 formt und dessen Intensitätsverteilung senkrecht zu seiner Ausbreitungsrichtung einstellt. Vorliegend ist das optische Element als statischer Strahlformer ausgebildet, mit dem der Randbereich 15b des Laserstrahls 15 mit einer geringeren Energieintensität als der Kernbereich 15a bereitgestellt werden kann. Alternativ kann ein optisches Element vorgesehen sein, das dynamisch beweglich vorgesehen ist, insbesondere über einen oder mehrere Zeiträume hochfrequent beweglich mit Frequenzen über 100 Hz, bevorzugt über 500 Hz. Z.B. kann eine Linse im Strahlengang des Laserstrahls 15 dynamisch beweglich vorgesehen sein.
Die Einrichtung 16 zum Aufteilen des Bearbeitungslaserstrahls 15 ist somit derart ausgebildet, dass sie den Bearbeitungslaserstrahls in mindestens zwei Energieintensitäts-Bereiche 15a, 15b aufteilt, wobei ein erster Energieintensitäts-Bereich 15a zum Grobbearbeiten des Werkstücks eine größere zeitlich integrierte Strahlungsenergie aufweist, als mindestens ein zweiter Energieintensitäts-Bereich 15b zum zumindest partiellen Feinbearbeiten der Schnittkante 20a. Hierfür kann die Einrichtung 16 zum Aufteilen des Bearbeitungslaserstrahls 15 und/oder die Einrichtung 14 zum Erzeugen eines Bearbeitungslaserstrahls 15 mit einer Steuerungseinheit (nicht gezeigt) drahtgebunden oder drahtlos datenleitend verbunden sein. Die Bearbeitungsvorrichtung 100 ermöglicht eine gezielte Nutzung unterschiedlicher Energieintensitäts-Bereiche des Bearbeitungslaserstrahls für unterschiedliche Einsatzzwecke, insbesondere für die Grob- und/oder die Feinbearbeitung.
Im Betrieb der Bearbeitungsvorrichtung 100 wird mit der Bearbeitungslaserquelle der Laserstrahl 15 erzeugt, auf den Bearbeitungsbereich 13 des Werkstücks 12 gerichtet und mit einer Vorschubgeschwindigkeit darüber geführt. Ist als das optische Element die Linse als statischer Strahlformer vorgesehen, durchläuft der Laserstrahl 15 den statischen Strahlformer. Ist das optische Element als ein dynamischer Strahlformer vorgesehen, wird dieses dynamisch bewegt, insbesondere über einen oder mehrere Zeiträume mit Frequenzen über 100 Hz, bevorzugt über 500 Hz, und so der Laserstrahl geformt.
1b zeigt schematisch eine mit dem statischen Strahlformer senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls erzeugte Laser-Intensitätsverteilung bei der Laserbearbeitung des Werkstücks mit der Bearbeitungsvorrichtung 100. Durch die statische Strahlformung wird der Laserstrahl 15 in einen Kernbereich 15a und einen Randbereich 15b aufgeteilt. Im Kernbereich 15a, d.h. vorliegend im ersten Energieintensitäts-Bereich, wird das Werkstück mit einer größeren zeitlich integrierten Strahlungsenergie beaufschlagt als im Randbereich 15b, d.h. vorliegend im zweiten Energieintensitäts-Bereich. Auf diese Weise wird mit dem Kernbereich 15a ein Schnittspalt in einem Bereich 13a erzeugt und das Werkstück wird in zwei Bleche 20 getrennt, die jeweils eine Schnittkante 20a besitzen. Der Randbereich 15b des Bearbeitungslaserstrahls 15 dient zur Feinbearbeitung der Schnittkante 20a.
1c zeigt schematisch eine mit dem dynamischen Strahlformer senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls erzeugte Laser-Intensitätsverteilung bei der Laserbearbeitung des Werkstücks mit der Bearbeitungsvorrichtung 100. Durch die dynamische Strahlformung wird der Laserstrahl 15 in einen Kernbereich 15a und einen sternförmigen Randbereich 15b aufgeteilt. Auch hier wird im Kernbereich 15a, d.h. vorliegend im ersten Energieintensitäts-Bereich, das Werkstück mit einer größeren zeitlich integrierten Strahlungsenergie beaufschlagt als im sternförmigen Randbereich 15b, d.h. vorliegend im zweiten Energieintensitäts-Bereich. Auf diese Weise wird mit dem Kernbereich 15a ein Schnittspalt in einem Bereich 13a erzeugt und das Werkstück wird in zwei Bleche 20 getrennt, die jeweils eine Schnittkante 20a besitzen. Mit dem Randbereich 15b des Bearbeitungslaserstrahls 15, der die geringere zeitlich integrierte Strahlungsenergie besitzt, wird die Feinbearbeitung der Schnittkante 20a bewirkt.
Auf diese Weise kann der Laserstrahl 15 derart dynamisch bewegt werden, dass seine zeitlich integrierte Intensitätsverteilung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung im weiteren Bereich bzw. Randbereich 15b mit einer geringeren zeitlich integrierten Strahlungsenergie als der erste Bereich 15a bzw. Kernbereich bereitgestellt wird. Der weitere Bereich 15b muss dabei nicht kreisförmig sein, wie in 1b dargestellt. Er kann vielmehr aufgrund des dynamisch bewegten Strahls viele verschiedene Formen aufweisen, die z.B. durch ein Strahlpendeln erzielbar sind.
Im Betrieb der Bearbeitungsvorrichtung 100 wird daher sowohl durch die statische wie auch durch die dynamische Strahlformung jeweils die Intensitätsverteilung des Laserstrahls 15 senkrecht zur Ausbreitungsrichtung derart eingestellt, dass der Randbereich 15b eine geringere zeitlich integrierte Strahlungsenergie besitzt als der Kernbereich 15a. Die Strahlungsenergie des Kernbereichs 15a wird derart eingestellt, dass ein Laserschneiden durchgeführt wird und bei der Bearbeitung des Werkstücks mindestens eine Schnittkante 20a gebildet wird. Gleichzeitig wird die Strahlungsenergie des Randbereichs 15b derart eingestellt, dass die Schnittkante 20a mit einer im Vergleich zum Grobbearbeiten geringeren Strahlungsenergie beaufschlagt wird. Auf diese Weise können unerwünschte Oberflächen-Unebenheiten der Schnittkante, wie z.B. scharfkantige Vorsprünge, die durch die hohe Strahlungsenergie beim Grobbearbeiten gebildet werden, sogleich geglättet werden bzw. deren Entstehung wird vermieden. Die Schnittkante kann z.B. abgerundet und/oder mit einer Fase versehen d.h. angefast werden. Es kann auch ein erwünschtes Wasserfallprofil der Schnittkante erzeugt werden. Dadurch wird die Schnittkante 20a verfeinert und veredelt. Eine zusätzliche Nachbearbeitung der erzeugten Oberflächen kann entfallen.
Im Betrieb der Bearbeitungsvorrichtung 100 kann eine Feinbearbeitung nach der Grobbearbeitung und/oder Feinbearbeitung erfolgen. Beispielsweise kann, nachdem das Werkstück beim Grobbearbeiten mit dem Kernbereich 15a geschnitten wurde, der Randbereich 15b des Laserstrahls über die im Bearbeitungsbereich 13 entstandene Schnittkante 20a geführt werden. Diese Feinbearbeitung kann zum Beispiel an der Unterseite des Werkstücks bei einer Nachbearbeitung, also zeitlich nach dem Grobbearbeiten und/oder Feinbearbeiten, erfolgen.
Im ersten Beispiel kann als dynamisch strahlformendes optisches Element der Einrichtung 16 mindestens eine den Bearbeitungslaserstrahl 15 reflektierende bewegliche Oberfläche vorgesehen sein, die derart im Strahlengang angeordnet und ausgerichtet ist, dass sie den Bearbeitungsstrahl 15 umlenkt. Der Bearbeitungslaserstrahl 15 kann damit innerhalb der Bearbeitungsvorrichtung z.B. um 90° umgelenkt werden, bevor er auf das Werkstück geleitet wird. Die reflektierende Oberfläche ist mittels mindestens einem oder mehreren Aktuatoren, z.B. Piezo-Aktuatoren, zumindest teilweise dynamisch beweglich, mit denen die reflektierende Oberfläche zumindest teilweise dynamisch verstellbar ist. Beispielsweise ist die mindestens eine bewegliche Oberfläche mittels mindestens eines Aktuators im Ganzen dynamisch verstellbar. Ferner kann die mindestens eine bewegliche Oberfläche eine Oberflächeneinheit der Laserstrahlführungseinrichtung bereitstellen, deren Oberflächengeometrie, insbesondere deren Krümmung, dynamisch verstellbar ist. Dadurch kann nicht nur der Bearbeitungslaserstrahl zumindest senkrecht zu seiner Ausbreitungsrichtung geformt und/oder bewegt werden, sondern es kann auch die Divergenz des Bearbeitungslaserstrahls verändert und/oder die Fokuslage des Bearbeitungslaserstrahls parallel zu dessen Ausbreitungsrichtung verschoben werden.
Auf diese Weise kann nicht nur die Intensitätsverteilung des Bearbeitungslaserstrahls 15 im Kernbereich 15a und/oder im Randbereich 15b eingestellt werden. Alternativ oder zusätzlich können andere Eigenschaften des Laserstrahls 15 für die Grob- und/oder Feinbearbeitung eingestellt, gewählt und/oder verstellt werden. Z.B. kann die räumliche Struktur des Bearbeitungslaserstrahls, insbesondere sein Strahlparameterprodukt, seine Breite und/oder sein Durchmesser für die Feinbearbeitung verstellt werden. Ferner kann die räumliche Anordnung des Kernbereichs und/oder des Randbereichs des Bearbeitungslaserstrahls, der Fokusdurchmesser des Bearbeitungslaserstrahls, die Fokuslage des Bearbeitungslaserstrahls, und/oder die Fokussierung des Bearbeitungslaserstrahls für die Feinbearbeitung geeignet eingestellt oder gewählt werden.
Zum Beispiel kann die Einrichtung 16 einen dynamisch orientierbaren und planen Spiegel aus z.B. beschichtetem SiC (Siliziumcarbid) beinhalten, der die bewegliche Oberfläche bereitstellt, die den Bearbeitungslaserstrahl reflektiert. Es ist als Aktuator mindestens ein Piezo-Aktuator vorgesehen, mit dem der Spiegel dynamisch beweglich und dadurch orientierbar ist. Die Einheit aus Spiegel und mindestens einem Aktuator wird auch Piezo-Scanner genannt. Im Falle mehrerer Aktuatoren ist jeder Piezo-Aktuator individuell ansteuerbar, mittels einer Steuerungseinheit (in den Figuren nicht gezeigt) . Beispielsweise handelt es sich um einen Piezo-Aktuator auf Basis einer modifizierten PZT(Blei-Zirkonat-Titanat)-Keramik mit einer typischen Antriebsspannung von 120 V. Für die Laserbearbeitung wird der Spiegel mit der beweglichen Oberfläche durch den mindestens einen Piezo-Aktuator derart gekippt, dass der Bearbeitungslaserstrahl 15 umgelenkt wird. Gleichzeitig wird die Oberfläche unter Bereitstellung von für die Umlenkung geeigneten Kippwinkeln durch den Piezo-Aktuator dynamisch bewegt, so dass der Bearbeitungslaserstrahl 15 dynamisch bewegt wird. Auf diese Weise wird das Strahlparameterprodukt des Bearbeitungslaserstrahls 15 und/oder die Intensitätsverteilung des Laserstrahlspots auf dem Werkstück 12 für das jeweilige Verfahren zur Laserbearbeitung wie gewünscht gestaltet, da der Fokalpunkt des Bearbeitungslaserstrahls 15 zumindest senkrecht zu seiner Ausbreitungsrichtung dynamisch mit Frequenzen z.B. zwischen 10 Hz und 15 kHz bewegt und so der auf das Werkstück auftreffende Laserstrahlspot geformt wird.
In einer weiteren Abwandlung (nicht gezeigt) des ersten Beispiels enthält die Einrichtung 16 einen dynamischen Strahlformer mit zwei beweglichen reflektierenden Oberflächen, die Teil eines Galvanometer-Scanners sind. Der GalvanometerScanner kann hierfür zwei Spiegel enthalten, die jeweils eine bewegliche Oberfläche bereitstellen. Diese sind jeweils beispielsweise mittels individuell ansteuerbaren Galvanometern als Aktuatoren individuell dynamisch bewegbar. Der GalvanometerScanner ist beispielweise mit zwei derart orientierbaren Spiegeln versehen, dass der Bearbeitungslaserstrahl 15 mindestens einmal in einem Winkel größer 90° und mindestens einmal in einem Winkel kleiner 90° umgelenkt wird. Im Betrieb werden die zwei Spiegel derart zu einander orientiert und bewegt, dass der Bearbeitungslaserstrahl 15 zweimal umgelenkt und gleichzeitig dynamisch bewegt wird. Dadurch können mittels dynamischer Strahlformung nahezu beliebige Intensitätsverteilungen des Strahlspots und/oder beliebige Strahlparameterprodukte des Bearbeitungslaserstrahls 15 bereitgestellt werden.
In einer anderen Abwandlung des ersten Beispiels kann die Einrichtung 16 als reflektierende dynamisch bewegliche Oberfläche einen Segmentspiegel mit mehreren voneinander getrennten, nebeneinander benachbart angeordneten Spiegelsegmenten aufweisen, die ein Muster bilden. Jedes Spiegelsegment besitzt z.B. eine Gold-Beschichtung, ist reflektiv für den Bearbeitungslaserstrahl 15 und ist mittels einem Piezo-Aktuator individuell dynamisch orientierbar. Die Einrichtung 16 stellt somit eine den Bearbeitungslaserstrahl 15 reflektierende, segmentierte Gesamtoberfläche bereit, deren Oberflächengeometrie, insbesondere deren Krümmung, hoch dynamisch verstellbar ist. Folgende Anwendungen des Segmentspiegels sind möglich: Mit dem Segmentspiegel kann eine Brennweitenänderung des optischen Systems der Bearbeitungsvorrichtung vorgenommen werden. Der Segmentspiegel kann als Zoom-Optik, d.h. für eine Fokuslageneinstellung des Bearbeitungslaserstrahls, eingesetzt werden, wobei der Bearbeitungslaserstrahl 15 vom Segmentspiegel mit der gewünschten wählbaren Strahldivergenz umgelenkt wird. Der Segmentspiegel kann auch als statische Strahlformungsoptik eingesetzt werden. Dabei nimmt die Oberfläche des Segmentspiegels je nach gewünschter Aberration eine adäquate ansteuerbare Oberflächenkrümmung an. Ferner kann der Segmentspiegel für eine dynamische Strahlformung eingesetzt werden. Dafür wird die Oberfläche des Segmentspiegels mit einer genügend hohen Frequenz über 10 Hz, insbesondere über 100 Hz, derart verändert, dass der resultierende Fokus auf dem Werkstück 12 zumindest lateral zur Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls dynamisch bewegt wird. Durch die statische oder dynamische Strahlformung kann das Strahlparameterprodukt und/oder die Intensitätsverteilung des zeitlich integrierten Bearbeitungslaserstrahls wie gewünscht modifiziert werden.
In einer zusätzlichen Abwandlung des ersten Beispiels weist die Einrichtung 16 als dynamisch strahlformendes optisches Element einen verformbaren Spiegel (DM, Dynamic Mirror) auf, um eine bewegliche, reflektierende, kontinuierliche Oberfläche bereitzustellen. Der Spiegel wird durch eine Membran aus verformbaren Material gebildet, die mittels Aktuatoren dynamisch verformbar ist. Auf der Unterseite der Membran befinden sich zu diesem Zweck individuell ansteuerbare, in einem Muster gleichmäßig verteilte Aktuatoren. Die Oberseite der Membran ist mit einer hochreflektierenden dielektrischen Multilagen-Beschichtung versehen, die für Laserstrahlen bis 120 kW bei einer Wellenlänge von 1060 bis 1090 nm geeignet ist. Die bewegliche, reflektierende, kontinuierliche Oberfläche des verformbaren Spiegels (DM, Dynamic Mirror) kann analog wie der zuvor beschriebenen Segmentspiegel betrieben werden.
2a bis 2g veranschaulichen schematisch ein zweites Beispiel einer Bearbeitungsvorrichtung 200 gemäß Ausführungsformen der Erfindung.
Wie 2a zeigt, weist in diesem Beispiel die Einrichtung 14 zum Erzeugen des Bearbeitungslaserstrahls 15 eine Bearbeitungslaserquelle 18 auf, die eine Mehrzahl von Laserquellenmodulen 18a, 18b, 18c zur Erzeugung der Bereiche des Bearbeitungslaserstrahls 15 beinhaltet. Das Laserquellenmodul 18a erzeugt den Kernbereich 15a des Laserstrahls 15, der für das Grobbearbeiten bestimmt ist. Die Laserquellenmodule 18b und 18c erzeugen die Randbereiche 15b und 15c des Laserstrahls 15, die vorliegend für das Feinbearbeiten bestimmt sind. Die Laserquellenmodule 18a bis 18c stellen in diesem Beispiel eine Laserleistung im Bereich von ungefähr 0,1 kW bis 20kW bereit und erzeugen den Bearbeitungslaserstrahl in einem Spektralbereich, der z.B. eine Wellenlänge von 1070 nm beinhaltet. Die Laserquellenmodule 18a bis 18c können dabei unterschiedliche Laserleistungen und/oder unterschiedliche Spektralbereiche bereitstellen. Beispielsweise kann das Laserquellenmodul 18a eine Laserleistung vom 20 kW erzeugen und die Laserquellenmodule 18b, 18c können Laserleistungen von 0,2 kW erzeugen.
Ferner weist die Einrichtung 16 zum Aufteilen des Bearbeitungslaserstrahls 15 eine Laserstrahltransportfaser mit einem ersten Faserbereich, vorliegend einem Faserkern 16a, und mindestens einem weiteren Faserbereich, vorliegend zwei Fasermantelringen 16b und 16c, auf. Dabei ist das Laserquellenmodul 18a, das den Kernbereich 15a des Bearbeitungslaserstrahls erzeugt, mit dem Faserkern 16a der Laserstrahltransportfaser Laserlicht-leitend gekoppelt. Ferner sind die Laserquellenmodule 18b und 18c, die die Randbereiche 15b und 15c des Laserstrahls 15 erzeugen, mit den Fasermantelringen 16b und 16c Laserlicht-leitend gekoppelt. Wie 2b im Längsquerschnitt und 2c im Querschnitt senkrecht zur Längsrichtung der Faser zeigen, ist der Faserkern 16a in der Laserstrahltransportfaser zentral angeordnet und konzentrisch von den Fasermantelringen 16b und 16c umschlossen. Daher sind auch der Kernbereich 15a und die Randbereiche 15b und 15c des Laserstrahls konzentrisch angeordnet.
Die Einrichtung 16 zum Aufteilen des Bearbeitungslaserstrahls 15 und die Einrichtung 14 zum Erzeugen des Bearbeitungslaserstrahls 15 sind im vorliegenden Beispiel mit einer Steuerungseinheit (nicht gezeigt) drahtgebunden oder drahtlos datenleitend verbunden. Auf diese Weise können beide Einrichtungen gesteuert werden.
Im Betrieb der Bearbeitungsvorrichtung 200 wird mittels der Module 18a bis 18c der Kernbereich 15a mit einer höheren zeitlich integrierten Strahlungsenergie bereitgestellt als die Randbereiche 15b und 15c. Dies ist in 2d dargestellt, in der die zeitlich integrierte Strahlungsenergie als Strahlungsintensität 17 veranschaulicht ist. Dies kann z.B. durch eine geeignete Wahl der jeweiligen Leistungen und/oder Frequenzen der Laserquellenmodule 18a bis 18c und damit der Leistungen und/oder Frequenzen der Bereiche 15a bis 15c des Laserstrahls erfolgen. Für die Laserbearbeitung werden der Kernbereich 15a und die Randbereiche 15b und 15c über das Werkstück 12 geführt. Aufgrund seiner hohen Strahlungsenergie wird mit dem Kernbereich 15a des Laserstrahls 15 auf dem Werkstück 12 eine Schnittkante 20a geformt. Beispielsweise wird die Strahlungsintensität 17a des Kernbereichs 15a derart eingestellt, dass im Bearbeitungsbereich 13 ein Laserschneiden durchgeführt wird und bei der Bearbeitung des Werkstücks mindestens eine Schnittkante 20a gebildet wird. Gleichzeitig werden, wie in 2d gezeigt ist, die Strahlungsintensitäten 17b und 17c der Randbereiche 15b und 15c unabhängig von dem Kernbereich 15a derart eingestellt, dass der Bearbeitungsbereich 13 mit einer im Vergleich zum Grobbearbeiten geringeren Strahlungsenergie beaufschlagt wird. Auf diese Weise werden unerwünschte Oberflächen-Unebenheiten der Schnittkante 20a, wie z.B. scharfkantige Vorsprünge, die durch die hohe Strahlungsintensität des Kernbereichs 15a gebildet werden, sogleich geglättet bzw. deren Entstehung wird von vorneherein vermieden. Die Schnittkante 20a kann z.B. abgerundet und/oder mit einer Fase versehen d.h. angefast werden. Dadurch wird die Oberflächenstruktur der Schnittkante 20a verfeinert und veredelt. Eine zusätzliche Nachbearbeitung der erzeugten Oberflächen kann entfallen.
Die Strahlungsintensität der Randbereiche 15b und 15c kann ferner unabhängig von dem Kernbereich 15a derart eingestellt werden, dass die Strahlungsintensitäten 17b und 17c der Randbereiche 15b und 15c des Bearbeitungslaserstrahls mit zunehmenden Abstand vom Kernbereich 15a abnehmend eingestellt oder gewählt wird. Auf diese Weise wird der Bearbeitungsbereich 13 mit einer im Vergleich zum Grobbearbeiten nach außen hin abnehmenden Strahlungsenergie beaufschlagt. Auch so kann die Schnittkante 20a abgerundet werden. Die Strahlungsintensitäten 17b bis 17c der verschiedenen Bereiche des Laserstrahls können ferner dadurch variiert werden, dass nur einer oder zwei der Bereiche 15a bis 15c des Laserstrahls 15 durch die Laserquellenmodule 18a bis 18c erzeugt werden.
2e stellt schematisch ein beispielhaftes Ergebnis des Verfahrens des zweiten Beispiels anhand von Blechen 20 dar, die durch Laserschneiden erzeugt wurden. 2e zeigt Ecken zweier Bleche 20 in einer Draufsicht von oben, die durch den Laserstrahl 15 getrennt wurden. Der Kernbereich 15a des Laserstrahls hat zwischen den Blechen 20 in einem Bereich 13a einen Schnittspalt und an den Blechen 20 jeweils eine Schnittkante 20a erzeugt. Die Bleche 20 zeigen spiegelbildlich jeweils einen abgerundeten Bereich 20c der Schnittkante 20a und einen darüber angeordneten angefasten Bereich 20b der Schnittkante 20a. Die Bereiche 20b und 20c wurden durch die Randbereiche 15b und 15c des Laserstrahls erzeugt.
2f zeigt schematisch links ein mit dem Verfahren des zweiten Beispiels geschnittenes Blech 20 und rechts ein gemäß dem Stand der Technik geschnittenes Blech 21. An der Schnittkante 20a des linken Bleches 20 sind die abgerundeten bzw. angefasten Bereiche 20c und 20b zu erkennen, im Vergleich zum Blech 21.
2g stellt eine Laserstrahltransportfaser der Einrichtung 16 zum Aufteilen des Bearbeitungslaserstrahls in einer Abwandlung der Bearbeitungsvorrichtung 200 und Ergebnisse eines zugehörigen Verfahrens zur Laserbearbeitung eines Werkstücks dar. 2g zeigt oben einen Querschnitt der abgewandelten Laserstrahltransportfaser senkrecht zur Längsrichtung. Der Faserkern 16a ist in der Laserstrahltransportfaser zentral angeordnet und konzentrisch von dem Fasermantelring 16b umschlossen. Der Fasermantelring 16c ist nicht dargestellt. Im Faserkern 16a wird der Kernbereich 15a des Laserstrahls und im Randbereich 16b wird der Randbereich 15b des Laserstrahls transportiert. Der Fasermantelring 16b ist hier mit zwei unterschiedlichen Durchmessern gezeigt, angedeutet durch den Pfeil 160. Durch Variation des Durchmessers wird, wie in 2g unten anhand der Strahlungsintensität 17 veranschaulicht ist, der Laserstrahl 15 mit einer Intensitätsverteilung bereitgestellt, in der der Kernbereich 15a eine Intensität 17a besitzt und der Randbereich 15b eine Intensität 17b unterschiedlicher Breite hat. Durch Variation der Breite des Fasermantelrings 16b kann also die Breite des Randbereichs 15b des Laserstrahls und somit die Breite des Bereichs der Feinbearbeitung variiert werden.
In den Bearbeitungsvorrichtungen 100 oder 200 kann eine Einrichtung zum Leiten eines Bearbeitungsgases, insbesondere eines Schneidgases, auf das Werkstück vorgesehen sein (nicht gezeigt). Beispielsweise kann der Bearbeitungskopf 10 der in 1a dargestellten Bearbeitungsvorrichtung 100 eine düsenförmige Austrittsöffnung für den Bearbeitungslaserstrahl 15 besitzen. Der Bearbeitungskopf kann derart ausgebildet sein, dass durch die Austrittsöffnung gleichzeitig mit dem Laserstrahl 15 auch das Bearbeitungsgas geleitet werden kann. Die Austrittsöffnung kann einen Durchmesser von 0,5 bis 30 mm, bevorzugt 0,7 bis 1 mm, haben und in einem Abstand zum Werkstück, insbesondere zur Schnittkante, von 0 bis 3 mm, bevorzugt 0,1 bis 0,3 mm, einstellbar sein.
Durch eine geeignete Wahl und Steuerung der Einrichtung zum Leiten des Bearbeitungsgases auf das Werkstück kann daher nicht nur während des Grobbearbeitens, sondern auch während des Feinbearbeitens geschmolzenes Material mittels einer Gasströmung auf dem Werkstück gezielt bewegt und/oder verdrängt werden. Als Gas kann je nach Bearbeitungsprozess Stickstoff, Sauerstoff, Druckluft oder Argon verwendet werden. So kann die Geometrie der der Schnittkante 20a beim Feinbearbeiten zusätzlich optimiert werden. Die Einrichtung zum Leiten eines Bearbeitungsgases mit düsenförmiger Austrittsöffnung und den genannten Durchmessern und Abständen zum Werkstück kann daher für eine gleichzeitige Grob- und Feinbearbeitung eingesetzt werden.
In einem Beispiel wird beim gleichzeitigen Grob- und Feinbearbeiten der Abstand der Austrittsöffnung, die einen Durchmesser von 2 mm hat, auf einen Abstand zum Werkstück 12 von 0,2 mm eingestellt. Auf diese Weise wird über der dem Werkstück 12 mit dem Bearbeitungs- oder Schneidgas ein Druckkissen erzeugt, das das geschmolzene Material sowohl beim Grobbearbeiten als auch beim Feinbearbeiten auf der Oberfläche des Werkstücks geeignet bewegt. So kann das Bearbeitungsgas, das für die Grobbearbeitung beispielsweise als Schneidgas genutzt wird, auch für das Feinbearbeiten und für die Veredelung der Werkstückoberfläche eingesetzt werden.
In Ausführungsformen des Verfahrens kann ein ggf. zusätzliches Feinbearbeiten nach dem Grobbearbeiten durchgeführt werden. Auch während dem Feinbearbeiten, das nach dem Grobbearbeiten erfolgt, kann Bearbeitungsgas auf das Werkstück 12 geleitet werden, um eine Gasströmung und ein Druckkissen zur Optimierung der Schnittkante 20a zu erzeugen. In einem Beispiel besitzt die Bearbeitungsvorrichtung 100 für diesen Zweck eine Gaszuführung (nicht gezeigt) mit einer nicht düsenförmigen Austrittsöffnung für das Bearbeitungsgas. Diese Gaszuführung kann im Bearbeitungskopf 10 oder außerhalb davon angeordnet sein. Dabei kann während dem Feinbearbeiten der Abstand der Austrittsöffnung für das Bearbeitungsgas zum Werkstück 12 größer als vorstehend angegeben, insbesondere wesentlich größer als 3 mm, eingestellt werden.
In allen beschriebenen Beispielen und Ausführungsformen kann die Bearbeitungsvorrichtung ein oder mehrere zusätzliche transmissive optische Elemente (z.B. Linsen) und/oder reflektive optische Elemente (z.B. Umlenkspiegel) aufweisen, beispielsweise zur Ablenkung des Bearbeitungslaserstrahls.
Abschließend sei darauf hingewiesen, dass die Beschreibung der Erfindung und die Ausführungsbeispiele grundsätzlich nicht einschränkend in Hinblick auf eine bestimmte physikalische Realisierung der Erfindung zu verstehen sind. Alle in Verbindung mit einzelnen Ausführungsformen der Erfindung erläuterten und gezeigten Merkmale können in unterschiedlicher Kombination in dem erfindungsgemäßen Gegenstand vorgesehen sein, um gleichzeitig deren vorteilhafte Wirkungen zu realisieren.
Der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung ist durch die Ansprüche gegeben und wird durch die in der Beschreibung erläuterten oder den Figuren gezeigten Merkmale nicht beschränkt.
Für einen Fachmann ist es insbesondere offensichtlich, dass die Erfindung nicht nur für Laserbearbeitungsanlagen angewendet werden kann, sondern auch für andere Laser umfassende Geräte. Des Weiteren können die Bauteile der Bearbeitungsvorrichtung zur Laserbearbeitung von Werkstücken auf mehrere physikalische Produkte verteilt realisiert werden.
Bezugszeichenliste

10: Bearbeitungskopf
12: Werkstück
13: Bearbeitungsbereich
13a: Bereich des Schnittspalts
14: Einrichtung zum Erzeugen eines Bearbeitungslaserstrahls
15: Bearbeitungslaserstrahl
15a: erster Energieintensitäts-Bereich des Bearbeitungslaserstrahls (Kernbereich)
15b, 15c: zweiter Energieintensitäts-Bereich des Bearbeitungslaserstrahls (Randbereich)
16: Einrichtung zum Aufteilen des Bearbeitungslaserstrahls
16a: erster Faserbereich (Faserkern)
16b, 16c: weiterer Faserbereich (Fasermantelring)
17: Strahlungsintensität
17a bis 17c: Strahlungsintensität
18: Bearbeitungslaserquelle
18a: erstes Laserquellenmodul der Bearbeitungslaserquelle
18b, 18c: weiteres Laserquellenmodul der Bearbeitungslaserquelle
20: geschnittenes Blech
20a: Schnittkante
20b: angefaster Bereich der Schnittkante
20c: abgerundeter Bereich der Schnittkante
21: geschnittenes Blech des Stands der Technik
100: Bearbeitungsvorrichtung
160: Pfeil
200: Bearbeitungsvorrichtung

Claims

Bearbeitungsvorrichtung zur Laserbearbeitung eines Werkstücks (12), insbesondere zum Laserschneiden, mit einer Einrichtung (14) zum Erzeugen eines Bearbeitungslaserstrahls (15), zum Grobbearbeiten des Werkstücks, insbesondere zum Erzeugen von Schnitten mit Schnittkanten im Werkstück, und mit einer Einrichtung (16) zum Aufteilen des Bearbeitungslaserstrahls (15) in mindestens zwei Energieintensitäts-Bereiche (15a, 15b, 15c), wobei ein erster Energieintensitäts-Bereich (15a) zum Grobbearbeiten des Werkstücks eine größere zeitlich integrierte Strahlungsenergie aufweist, als mindestens ein zweiter Energieintensitäts-Bereich (15b, 15c) zum zumindest partiellen Feinbearbeiten einer Schnittkante (20a) .
Bearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Einrichtung (14) zum Erzeugen eines Bearbeitungslaserstrahls eine Bearbeitungslaserquelle (18) aufweist, die eine Mehrzahl von Laserquellenmodulen (18a, 18b, 18c) mit mindestens einem ersten Laserquellenmodul (18a) und mindestens einem weiteren Laserquellenmodul (18b, 18c) zum Erzeugen der Energieintensitäts-Bereiche (15a, 15b, 15c) des Bearbeitungslaserstrahls beinhaltet; und die Einrichtung (16) zum Aufteilen des Bearbeitungslaserstrahls (15) eine Laserstrahltransportfaser mit einem ersten Faserbereich (16a), insbesondere einem Faserkern, und mindestens einem weiteren, insbesondere als Fasermantelring ausgebildeten, Faserbereich (16b, 16c), aufweist; wobei das mindestens eine erste Laserquellenmodul (18a) zum Erzeugen des ersten Energieintensitäts-Bereichs (15a) des Bearbeitungslaserstrahls (15) ausgebildet ist und mit dem ersten Faserbereich (16a) der Laserstrahltransportfaser Laserlicht-leitend gekoppelt ist; und das mindestens eine weitere Laserquellenmodul (18b, 18c) zum Erzeugen eines der zweiten Energieintensitäts-Bereiche (15b, 15c) des Bearbeitungslaserstrahls ausgebildet ist und mit einem jeweils zugeordneten der weiteren Faserbereiche (16b, 16c) Laserlicht-leitend gekoppelt ist.
Bearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Einrichtung (14) zum Erzeugen eines Bearbeitungslaserstrahls eine Bearbeitungslaserquelle (18) und optional eine Laserstrahltransportfaser aufweist; und die Einrichtung (16) zum Aufteilen des Bearbeitungslaserstrahls (15) ein optisches Element zur Strahlformung des Bearbeitungslaserstrahls (15) aufweist.
Bearbeitungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der erste Energieintensitäts-Bereich (15a) ein Kernbereich des Bearbeitungslaserstrahls ist; und/oder der mindestens eine zweite Energieintensitäts-Bereich (15b, 15c) mindestens ein Randbereich des Bearbeitungslaserstrahls ist; und/oder der erste Energieintensitäts-Bereich (15a) und der mindestens eine zweite Energieintensitäts-Bereich (15b, 15c) konzentrisch angeordnet sind.
Bearbeitungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Einrichtung (16) zum Aufteilen des Bearbeitungslaserstrahls derart ausgebildet ist, dass sie mindestens zwei der Energieintensitäts-Bereiche (15a, 15b, 15c) unabhängig voneinander einstellt oder wählt; und/oder wobei die Einrichtung (16) zum Aufteilen des Bearbeitungslaserstrahls derart ausgebildet ist, dass sie die zeitlich integrierte Strahlungsenergie des mindestens einen zweiten Energieintensitäts-Bereichs (15b, 15c) mit zunehmenden Abstand vom ersten Energieintensitäts-Bereich (15a) abnehmend einstellt oder wählt; und/oder wobei die Einrichtung (16) zum Aufteilen des Bearbeitungslaserstrahls derart ausgebildet ist, dass sie mindestens ein Element ausgewählt aus einer oder mehreren Leistungen der Bearbeitungslaserquelle oder der Laserquellenmodule, einer Intensitätsverteilung (17a, 17b, 17c) des Bearbeitungslaserstrahls, insbesondere einer Intensitätsverteilung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Bearbeitungslaserstrahls, einer oder mehreren Frequenzen des Bearbeitungslaserstrahls und/oder mindestens eines der Energieintensitäts-Bereiche (15a, 15b, 15c) des Bearbeitungslaserstrahls, einer räumlichen Struktur des Bearbeitungslaserstrahls, insbesondere einer Breite und/oder eines Durchmessers des Bearbeitungslaserstrahls, einer räumlichen Struktur und/oder Anordnung des ersten Energieintensitäts-Bereichs (15a) und/oder des mindestens einen zweiten Energieintensitäts-Bereichs (15b, 15c), einer Vorschubgeschwindigkeit des Bearbeitungslaserstrahls, einem Fokusdurchmesser des Bearbeitungslaserstrahls und/oder mindestens eines der Energieintensitäts-Bereiche (15a, 15b, 15c), einer Fokuslage des Bearbeitungslaserstrahls und/oder mindestens eines der Energieintensitäts-Bereiche (15a, 15b, 15c), und einer Fokussierung des Bearbeitungslaserstrahls und/oder mindestens eines der Energieintensitäts-Bereiche (15a, 15b, 15c) einstellt oder wählt; und/oder wobei die Einrichtung (16) zum Aufteilen des Bearbeitungslaserstrahls (15) zum Modifizieren der Geometrie der Schnittkante (20a), insbesondere zum Abrunden und/oder Anfasen der Schnittkante, ausgebildet ist.
Bearbeitungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Einrichtung zum Leiten eines Bearbeitungsgases, insbesondere eines Schneidgases, auf das Werkstück vorgesehen ist; und/oder wobei eine Einrichtung zum Leiten eines Bearbeitungsgases auf das Werkstück vorgesehen ist, mit einer düsenförmigen Austrittsöffnung für das Bearbeitungsgas, die einen Durchmesser von 0,5 bis 30 mm, bevorzugt 0,7 bis 1 mm, besitzt und in einem Abstand zum Werkstück, insbesondere zur Schnittkante, von 0 bis 3 mm, bevorzugt 0,1 bis 0,3 mm, einstellbar ist.
Verwendung einer Bearbeitungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche zum zumindest partiellen Feinbearbeiten einer Schnittkante (20a) eines Werkstücks (12) .
Verfahren zur Laserbearbeitung eines Werkstücks, insbesondere zum Laserschneiden, insbesondere mit einer Bearbeitungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit Erzeugen eines Bearbeitungslaserstrahls (15) zum Grobbearbeiten des Werkstücks (12), insbesondere zum Erzeugen von Schnitten mit Schnittkanten im Werkstück; Erzeugen mindestens zweier Energieintensitäts-Bereiche (15a, 15b, 15c) des Bearbeitungslaserstrahls (15), insbesondere Aufteilen des Bearbeitungslaserstrahls in mindestens zwei Energieintensitäts-Bereiche (15a, 15b, 15c), wobei ein erster Energieintensitäts-Bereich (15a) zum Grobbearbeiten des Werkstücks eine größere zeitlich integrierte Strahlungsenergie aufweist, als mindestens ein zweiter Energieintensitäts-Bereich (15b, 15c) zum zumindest partiellen Feinbearbeiten einer Schnittkante (20a) ; Bestrahlen des Werkstücks (12) mit dem Bearbeitungslaserstrahl (15), Grobbearbeiten des Werkstücks (12) mit dem ersten Energieintensitäts-Bereich (15a) und zumindest partielles Feinbearbeiten einer Schnittkante (20a) des Werkstücks (12) mit dem mindestens einen zweiten Energieintensitäts-Bereich (15b, 15c).
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Feinbearbeiten gleichzeitig mit dem Grobbearbeiten ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 9, wobei die Energieintensitäts-Bereiche (15a, 15b, 15c) des Bearbeitungslaserstrahls (15) mit einer Mehrzahl von Laserquellenmodulen (18a, 18b, 18c) erzeugt werden, wobei der erste Energieintensitäts-Bereich (15a) mit mindestens einem ersten Laserquellenmodul (18a) und der mindestens eine zweite Energieintensitäts-Bereich mit mindestens einem weiteren Laserquellenmodul (18b, 18c) erzeugt werden; und die Energieintensitäts-Bereiche (15a, 15b, 15c) des Bearbeitungslaserstrahls (15) in eine Laserstrahltransportfaser mit einem ersten Faserbereich (16a), insbesondere einem Faserkern, und mindestens einen weiteren Faserbereich (16b, 16c), insbesondere mindestens einen Fasermantelring, eingekoppelt werden; wobei der erste Energieintensitäts-Bereich (15a) des Bearbeitungslaserstrahls in den ersten Faserbereich (16a) eingekoppelt wird, und jeder der zweiten Energieintensitäts-Bereiche (15b, 15c) des Bearbeitungslaserstrahls in einen jeweils zugeordneten der weiteren Faserbereiche (16b, 16c) eingekoppelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 9, wobei die Energieintensitäts-Bereiche (15a, 15b, 15c) des Bearbeitungslaserstrahls (15) mittels Strahlformung erzeugt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei der erste Energieintensitäts-Bereich (15a) als ein Kernbereich des Bearbeitungslaserstrahls (15) erzeugt wird; und/oder der mindestens eine zweite Energieintensitäts-Bereich (15b, 15c) als mindestens ein Randbereich des Bearbeitungslaserstrahls erzeugt wird; und/oder der erste Energieintensitäts-Bereich (15a) und der mindestens eine zweite Energieintensitäts-Bereich (15b, 15c) konzentrisch angeordnet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei mindestens zwei der Energieintensitäts-Bereiche (15a, 15b, 15c) unabhängig voneinander eingestellt oder gewählt werden; und/oder wobei die zeitlich integrierte Strahlungsenergie des mindestens einen zweiten Energieintensität-Bereichs (15b, 15c) mit zunehmenden Abstand vom ersten Energieintensitäts-Bereich (15a) abnehmend eingestellt oder gewählt wird; und/oder wobei beim Erzeugen der mindestens zwei Energieintensitäts-Bereiche (15a, 15b, 15c) des Bearbeitungslaserstrahls (15), insbesondere beim Aufteilen des Bearbeitungslaserstrahls in die mindestens zwei Energieintensitäts-Bereiche (15a, 15b, 15c), mindestens ein Element ausgewählt aus einer oder mehreren Leistungen der Bearbeitungslaserquelle (18) oder der Laserquellenmodule (18a, 18b, 18c), einer Intensitätsverteilung (17a, 17b, 17c) des Bearbeitungslaserstrahls, insbesondere eine Intensitätsverteilung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Bearbeitungslaserstrahls, einer oder mehreren Frequenzen des Bearbeitungslaserstrahls (15) und/oder mindestens eines der Energieintensitäts-Bereiche (15a, 15b, 15c)des Bearbeitungslaserstrahls, einer räumlichen Struktur des Bearbeitungslaserstrahls, insbesondere einer Breite und/oder eines Durchmessers des Bearbeitungslaserstrahls, einer räumlichen Struktur und/oder Anordnung des ersten Energieintensitäts-Bereichs (15a)und/oder des mindestens einen zweiten Energieintensitäts-Bereichs (15b, 15c) des Bearbeitungslaserstrahls, einer Vorschubgeschwindigkeit des Bearbeitungslaserstrahls, einem Fokusdurchmesser des Bearbeitungslaserstrahls (15) und/oder mindestens eines der Energieintensitäts-Bereiche (15a, 15b, 15c), einer Fokuslage des Bearbeitungslaserstrahls (15) und/oder mindestens eines der Energieintensitäts-Bereiche (15a, 15b, 15c), und einer Fokussierung des Bearbeitungslaserstrahls (15) und/oder mindestens eines der Energieintensitäts-Bereiche (15a, 15b, 15c) eingestellt oder gewählt wird; und/oder wobei beim zumindest partiellen Feinbearbeiten der Schnittkante (20a) die Geometrie der Schnittkante modifiziert wird, insbesondere die Schnittkante abgerundet oder angefast wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, wobei beim zumindest partiellen Feinbearbeiten der Schnittkante (20a) mindestens ein Parameter ausgewählt aus der Leistung, der räumlichen Struktur und/oder Anordnung mindestens eines der Energieintensitäts-Bereiche (15a, 15b, 15c) des Bearbeitungslaserstrahls eingestellt oder gewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14, wobei ein Bearbeitungsgas, insbesondere ein Schneidgas, auf das Werkstück (12) geleitet wird; und/oder wobei beim Feinbearbeiten der Schnittkante (20a) ein Bearbeitungsgas auf das Werkstück durch eine düsenförmige Austrittsöffnung für das Bearbeitungsgas geleitet wird, die einen Durchmesser von 0,5 bis 30 mm, bevorzugt 0,7 bis 1 mm, besitzt und in einem Abstand zum Werkstück, insbesondere zur Schnittkante, von 0 bis 3 mm, bevorzugt 0,1 bis 0,3 mm, eingestellt wird.