DE202008016079U1

DE202008016079U1 - Laser processing device and use of the laser processing device for tool and mold making

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Publication number: DE202008016079U1
Application number: DE202008016079U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-12-04
Filing date: 2008-12-04
Publication date: 2009-02-19
Anticipated expiration: 2018-12-05

Abstract

Vorrichtung (1) zur Werkzeugherstellung und/oder Formherstellung, derart ausgebildet, dass wenigstens zwei Laserstrahlen (12) erzeugbar sind, wobei die Vorrichtung zumindest eine Lasererzeugungsvorrichtung (10) aufweist, zumindest eine Positioniervorrichtung (30) für die Laserstrahlen (12) sowie eine Werkstückhalterung (20), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) derart ausgestaltet ist, dass
– die Laserstrahlen (12) jeweils wenigstens eine senkrechte Komponente auf einer zu bearbeitenden Oberfläche eines auf der Werkstückhalterung befindlichen Werkstücks (21) aufweisen und
– dass in einer Laserbearbeitungsposition des Werkstücks (21) die Lasererzeugungsvorrichtung (16) und die Werkstückhalterung (20) relativ zueinander fixiert sind.Device (1) for tool production and / or production, designed such that at least two laser beams (12) can be generated, wherein the device comprises at least one laser generating device (10), at least one positioning device (30) for the laser beams (12) and a workpiece holder (20), characterized in that the device (1) is designed such that
- The laser beams (12) each have at least one vertical component on a surface to be machined of a workpiece holder on the workpiece (21) and
- That in a laser processing position of the workpiece (21), the laser generating device (16) and the workpiece holder (20) are fixed relative to each other.

Description

Die Erfindung betrifft eine Laserbearbeitungsvorrichtung und die Verwendung der Laserbearbeitungsvorrichtung zum Werkzeug- und Formbau mit den Merkmalen des Oberbegriffs der unabhängigen Ansprüche.The The invention relates to a laser processing apparatus and the use the laser processing device for tool and mold with the Features of the preamble of the independent claims.

Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, Werkstücke durch Laserstrahlen zu bearbeiten. Hierbei wird der Laser dazu verwendet, um Material von dem zu bearbeitenden Werkstück abzutragen. Es kann sich hierbei um einfache Bohrungen oder auch komplexe dreidimensionale Strukturen handeln.Out the prior art, it is known workpieces To edit laser beams. Here the laser is used to remove material from the workpiece to be machined. These can be simple holes or even complex three-dimensional ones Structures act.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden unter dreidimensionalen komplexen Strukturen solche Strukturen verstanden, deren Begrenzungsflächen nicht ausschliesslich im Wesentlichen parallel und/oder senkrecht zueinander sind oder deren Querschnitt im Wesentlichen zylindrisch ist. Einfache Strukturen mit im Wesentlichen zylindrischen Querschnitt werden z. B. durch Laserbohren erzeugt.in the Frame of the present invention are under three-dimensional complex structures understood such structures, their boundary surfaces not exclusively substantially parallel and / or vertical to each other or whose cross-section is substantially cylindrical is. Simple structures with a substantially cylindrical cross-section be z. B. generated by laser drilling.

Die DE 102 17 579 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen eines Gesenks in einem Werkstück. Dieses Gesenk wird in einem Werkstück durch Abtragen von Material mittels Laserstrahlen erzeugt. Zur Bearbeitung von Wänden des Gesenks mit unterschiedlicher Orientierung zum Laser wird das Werkstück durch eine Positioniervorrichtung in eine geeignete Position zur Laserbearbeitung der entsprechenden Wand des Gesenks bewegt. Dies ist notwendig, damit der Laserstrahl im Wesentlichen senkrecht auf die unterschiedlich orientierten Wände auftrifft.The DE 102 17 579 A1 discloses a method and apparatus for making a die in a workpiece. This die is produced in a workpiece by ablation of material by means of laser beams. For machining walls of the die with different orientation to the laser, the workpiece is moved by a positioning device into a suitable position for laser processing of the corresponding wall of the die. This is necessary so that the laser beam is incident substantially perpendicular to the differently oriented walls.

In der DE 103 52 402 A1 ist eine Laserbearbeitungsmaschine und ein Laserbearbeitungsverfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks offenbart. Die offenbarte Vorrichtung enthält zwei Laserabtragsvorrichtungen. Die erste Laserabtragsvorrichtung ist hier zum Laserbohren geeignet, und die zweite Laserabtragsvorrichtung ist zur Gesenksbildung geeignet. Zur Einstellung eines geeigneten Einstrahlwinkels zum Laserabtragen wird das Werkstück mechanisch beispielsweise über bis zu drei translatorische Achsen relativ zum Laserauslass positioniert.In the DE 103 52 402 A1 a laser processing machine and a laser processing method for processing a workpiece is disclosed. The disclosed device includes two laser ablation devices. The first laser ablation device is here suitable for laser drilling, and the second laser ablation device is suitable for die formation. To set a suitable angle of incidence for laser ablation, the workpiece is mechanically positioned, for example, over up to three translatory axes relative to the laser outlet.

Diese aus dem Stand der Technik vorbekannten Laserbearbeitungsvorrichtungen und Laserverarbeitungsverfahren weisen aber den Nachteil auf, dass das Werkstück jeweils in geeignete Positionen zum Laserstrahl bewegt werden muss, um die Bearbeitung von einzelnen Flächen der zu erzeugenden komplexen dreidimensionalen Struktur zu ermöglichen. Diese notwendige Positionierung des Werkstücks in Relation zum Laser benötigt aber einen grossen Anteil der gesamten Laserbearbeitungszeit des Werkstücks und wird im Folgenden als Nebenzeit bezeichnet, innerhalb derer kein Materialabtrag erfolgt. Als Laserbearbeitungszeit wird die gesamte Arbeitszeit am Werkstück verstanden, die sich also aus einer Hauptzeit und der Nebenzeit zusammensetzt. Die Hauptzeit ist dadurch gekennzeichnet, dass in dieser Zeit ein Materialabtrag auf dem Werkstück erfolgt.These Previously known laser processing devices from the prior art and laser processing methods, however, have the disadvantage that the workpiece in each case in suitable positions to the laser beam must be moved to the editing of individual areas To enable the complex three-dimensional structure to be generated. This necessary positioning of the workpiece in relation to the laser but requires a large proportion of the total Laser machining time of the workpiece and is below referred to as non-productive time, within which no material removal takes place. As laser processing time, the entire working time on the workpiece understood, that is from a main time and the non-productive time composed. The main time is characterized in that in This time a material removal takes place on the workpiece.

Ein weiterer Nachteil sind die Anforderungen an die Positioniervorrichtung, da die zu bearbeitenden Werkstücke möglichst schnell positioniert werden sollten, diese häufig aber eine grosse Masse aufweisen. Es werden also entsprechend ausgelegte Positioniervorrichtungen dazu benötigt, die entsprechend teuer sind.One Another disadvantage is the requirements for the positioning device, because the workpieces to be processed as fast as possible should be positioned, but this often a big one Have mass. So it will be appropriately designed positioning needed, which are correspondingly expensive.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Bekannten zu vermeiden, insbesondere also eine Laserbearbeitungsvorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, mit der Werkstücke gegenüber dem Stand der Technik kostengünstig und schnell mittels Laserbearbeitung hergestellt werden können.It is therefore an object of the present invention, the disadvantages of the known to avoid, in particular so a laser processing device and to provide a method of counteracting workpieces the state of the art inexpensively and quickly by means of Laser processing can be produced.

Diese Aufgabe wird durch eine neue Laserbearbeitungsvorrichtung entsprechend dem kennzeichnenden Teil der unabhängigen Ansprüche gelöst.These Task is done by a new laser processing device accordingly the characterizing part of the independent claims solved.

Die erfindungsgemässe Ausführungsform betrifft eine Vorrichtung zur Werkzeugherstellung und/oder Formherstellung, die derart ausgebildet ist, dass wenigstens zwei Laserstrahlen erzeugbar sind und wobei die Vorrichtung zumindest eine Lasererzeugungsvorrichtung aufweist. Weiterhin enthält die Vorrichtung eine Positioniervorrichtung für die Laserstrahlen und eine Werkstückhalterung. Die Vorrichtung ist derart ausgestaltet, dass die Laserstrahlen jeweils wenigstens eine senkrechte Komponente auf einer zu bearbeitenden Oberfläche eines Werkstücks haben, das sich auf der Werkstückshalterung befindet. Weiterhin sind in einer Laserbearbeitungsposition des Werkstücks die Lasererzeugungsvorrichtung und die Werkstückshalterung relativ zueinander fixiert.The Embodiment of the invention relates to a Device for tool production and / or mold production, the is formed such that at least two laser beams can be generated and wherein the device is at least one laser generating device having. Furthermore, the device includes a positioning device for the laser beams and a workpiece holder. The device is designed such that the laser beams each at least one vertical component on a to be processed Surface of a workpiece that has become the workpiece holder is located. Furthermore, in one Laser processing position of the workpiece, the laser generating device and fixes the workpiece holder relative to each other.

Unter der Formulierung, dass der auf die Oberfläche auftreffende Laserstrahl eine senkrechte Komponente auf dieser Oberfläche aufweist, ist hier zu verstehen, dass der Laserstrahl einen Einfallswinkel von nicht mehr als 45° zu einer Senkrechten auf die Oberfläche hat.Under the formulation that hits the surface Laser beam a vertical component on this surface Here, it is to be understood that the laser beam has an angle of incidence of not more than 45 ° to a perpendicular to the surface Has.

Der Begriff „fixiert" hat im Sinne der Anmeldung die Bedeutung, dass während der Laserbearbeitung das Werkstück und die Laserbearbeitungsvorrichtung translatorisch zueinander fest positio niert sind. Eine mögliche Rotation der Lasererzeugungsvorrichtung ist damit aber nicht ausgeschlossen. Diese Vorrichtung hat den Vorteil, dass zur Bearbeitung des Werkstücks dieses nicht bewegt werden muss und somit die Nebenzeit signifikant reduziert werden kann.For the purposes of the application, the term "fixed" has the meaning that the workpiece and the laser processing device are positioned in translation relative to each other during laser processing, but this does not preclude possible rotation of the laser generating device of the workpiece this does not have to be moved and thus the non-productive time can be significantly reduced.

Durch die Verwendung von zumindest zwei Laserstrahlen zur Bearbeitung des Werkstücks wird die notwendige Hauptzeit weiter reduziert.By the use of at least two laser beams for processing of the workpiece, the necessary main time is further reduced.

Es wurde überraschend gefunden, dass in Abhängigkeit von der Werkstückgeometrie die hier nicht notwendige Positioniervorrichtung für das Werkstück zu einer Verringerung der Laserbearbeitungszeit um bis zu 99% gegenüber dem Stand der Technik führen kann.It it was surprisingly found that in dependence from the workpiece geometry the positioning device not necessary here for the workpiece to a reduction of the laser processing time up to 99% compared to the state of the art can.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung wenigstens eine Steuervorrichtung auf. Diese dient der Steuerung der Positioniervorrichtung und/oder der Lasererzeugungsvorrichtung.In a preferred embodiment, the device at least one control device. This serves the control the positioning device and / or the laser generating device.

Die Verwendung nur einer Steuervorrichtung hat den Vorteil, dass der Aufbau der erfindungsgemässen Vorrichtung sich vereinfacht und auch weniger Bauteile verwendet werden müssen.The Use only a control device has the advantage that the Structure of the inventive device is simplified and fewer components must be used.

Mit dieser Steuervorrichtung kann also die Lasererzeugungsvorrichtung und die Positioniervorrichtung für den Laserstrahl zentral gesteuert werden. Hierzu eignet sich z. B. ein Computer, der über geeignete Schnittstellen mit der Positioniervorrichtung und der Lasererzeugungsvorrichtung verbunden ist.With This control device can thus the laser generating device and the positioning device for the laser beam centrally to be controlled. This is z. As a computer, the appropriate Interfaces with the positioning device and the laser generating device connected is.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung weist zumindest eine Positioniersteuerung zur Steuerung der Positionier vorrichtung auf. Weiterhin weist die Vorrichtung alternativ oder zusätzlich zur Positioniervorrichtung eine Lasersteuerung zur Steuerung der Lasererzeugungsvorrichtung auf.A further preferred embodiment of the invention at least one positioning controller for controlling the positioning device on. Furthermore, the device alternatively or additionally for positioning a laser control for controlling the Laser generating device on.

Diese Ausführungsform erlaubt also die Steuerung der Position des Laserstrahls sowie der Lasererzeugungsvorrichtung mit voneinander unabhängigen Steuerungen. Als Positioniersteuerung kann hier wiederum ein Computer verwendet werden. Als Lasersteuerung eignet sich z. B. ein Generator, mit dem sich bei Verwendung eines gepulsten Lasers die Wiederholfrequenz des Lasers steuern lässt.These Embodiment thus allows the control of the position of the laser beam and the laser generating device with each other independent controls. As positioning control can Here again a computer can be used. As laser control is suitable for. B. a generator with which when using a pulsed laser to control the repetition frequency of the laser.

Vorteilhaft weist die Vorrichtung eine Lasererzeugungsvorrichtung auf, die mindestens eine Laserlichtquelle zur Erzeugung des Laserstrahls aufweist.Advantageous the device comprises a laser generating device which at least a laser light source for generating the laser beam has.

Diese Ausführungsform erlaubt die flexible und optimierte Anordnung der benötigten Lasererzeugungsvorrichtungen in der Vorrichtung zur Laserverarbeitung. Die Positionierung der Lasererzeugungsvorrichtung in der Vorrichtung erfolgt vor Beginn der Laserbearbeitung.These Embodiment allows the flexible and optimized arrangement the required laser generating devices in the device for laser processing. The positioning of the laser generating device in the device takes place before the start of the laser processing.

Weiterhin weist die Vorrichtung vorteilhaft wenigstens zwei Lasererzeugungsvorrichtungen, vorzugsweise wenigstens drei Lasererzeugungsvorrichtungen, insbesondere bevorzugt fünf Lasererzeugungsvorrichtungen.Farther the device advantageously has at least two laser-generating devices, preferably at least three laser generating devices, particularly preferred five laser generating devices.

Die grössere Anzahl an Lasererzeugungsvorrichtungen in der Vorrichtung hat den Vorteil, dass dadurch die Hauptzeit, zusätzlich zur nahezu vollständigen Eliminierung der Nebenzeit, weiter reduziert wird und die Lasererzeugungsvorrichtungen vor Beginn der Laserbearbeitung optimal auf die zu erzeugende dreidimensionale Form im Werkstück eingestellt werden können.The larger number of laser generating devices in the Device has the advantage that thereby the main time, in addition to almost complete elimination of non-productive time, continue is reduced and the laser generating devices before the beginning of the Laser processing optimally to the three-dimensional Shape can be adjusted in the workpiece.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform hat die Lasererzeugungsvorrichtung wenigstens zwei Lichtquellen, vorzugsweise wenigstens drei Laserlichtquellen, insbesondere bevorzugt fünf Laserlichtquellen zur Erzeugung der Laserstrahlen.In In a particularly preferred embodiment, the laser generating device at least two light sources, preferably at least three laser light sources, in particular preferably five laser light sources for generating the laser beams.

Diese Anordnung von zumindest zwei Laserlichtquellen in der Lasererzeugungsvorrichtung hat den Vorteil der einfacheren Bauweise zur Erzeugung der benötigten Anzahl der Laserstrahlen. Dies vereinfacht zusätzlich die Steuerung der verschiedenen Laserlichtquellen in der Lasererzeugungsvorrichtung.These Arrangement of at least two laser light sources in the laser generating device has the advantage of simpler construction to produce the needed Number of laser beams. This additionally simplifies the Control of the various laser light sources in the laser generating device.

Ganz besonders vorteilhaft ist die Lasererzeugungsvorrichtung derart ausgestaltet, dass die Laserstrahlen jeweils unterschiedliche, den Laserstrahl charakterisierende Parameter aufweisen. Diese Parameter sind insbesondere die Leistung des Laserstrahls, die Wiederholfrequenz bei gepulsten Lasern, die Wellenlänge des Laserstrahls sowie die Kollimation, d. h. der Grad der Parallelität des Laserstrahls.All The laser-generating device is particularly advantageous in this way designed that the laser beams each different, the Have laser beam characterizing parameters. These parameters In particular, the power of the laser beam, the repetition frequency for pulsed lasers, the wavelength of the laser beam as well as the collimation, d. H. the degree of parallelism of the laser beam.

Dadurch lässt sich die Vorrichtung an die im Werkstück zu erzeugende Struktur sowie des Materials des Werkstücks einfach anpassen.Thereby the device can be attached to the workpiece to be generated structure and the material of the workpiece just adjust.

Weiterhin besonders bevorzugt enthält die Lasererzeugungsvorrichtung einen Strahlteiler zur Teilung des Laserstrahls. Der Laserstrahl wird also in mindestens zwei Laserstrahlen, vorzugsweise mindestens drei Laserstrahlen, insbesondere bevorzugt in fünf Laserstrahlen geteilt.Farther more preferably, the laser generating device includes a beam splitter for splitting the laser beam. The laser beam So is in at least two laser beams, preferably at least three laser beams, particularly preferably in five laser beams divided.

Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass zur Erzeugung von mindestens zwei Laserstrahlen nur eine Laserlichtquelle notwendig ist. Dies vereinfacht die Bauweise der Einrichtung, die An zahl benötigter Bauteile und die Steuerung der Lasererzeugungsvorrichtung.These Embodiment has the advantage that for the production of at least two laser beams only one laser light source necessary is. This simplifies the design of the device, the number of required Components and the control of the laser generating device.

Durch entsprechende Auswahl der Strahlteiler können unterschiedliche Leistungen der aus dem Strahlteiler austretenden Laserstrahlen ausgewählt werden. Diese Laserstrahlen können z. B. jeweils unterschiedliche Leistungen, d. h. Lichtenergie pro Zeit, aufweisen.By appropriate selection of the beam splitter can be different Services of emerging from the beam splitter laser beams are selected. These laser beams can z. B. each different Services, d. H. Light energy per time.

Als Strahlteiler eignen sich z. B. Prismen, Lichtleiter oder eine Anordnung von teilweise für das Laserlicht durchlässigen Spiegeln.When Beam splitters are suitable for. As prisms, light guides or an arrangement partially permeable to the laser light Reflect.

Ganz besonders bevorzugt weist die Vorrichtung einen Strahlteiler auf, mittels dem der Laserstrahl in Laserstrahlen mit jeweils gleicher Leistung teilbar ist.All particularly preferably, the device has a beam splitter, by means of which the laser beam in laser beams, each with the same Power is divisible.

Die Aufteilung des Laserstrahls in Laserstrahlen mit gleicher Leistung hat den Vorteil, dass die Steuerung der Lasererzeugungseinrichtung in Bezug z. B. auf die Abtragrate bei der Laserbearbeitung vereinfacht wird, da alle Laserstrahlen die gleiche Leistung aufweisen.The Splitting the laser beam into laser beams with the same power has the advantage that the control of the laser generating device in terms of z. B. simplified to the removal rate in the laser processing because all laser beams have the same power.

Besonders vorteilhaft ist die Positioniervorrichtung als Spiegel ausgebildet. Insbesondere ist die Positioniervorrichtung als galvanometerangetriebener Spiegel ausgebildet.Especially Advantageously, the positioning device is designed as a mirror. In particular, the positioning device is galvanometer-driven Mirror formed.

Mit dieser als Spiegel ausgebildeten Positioniervorrichtung wird der Laserstrahl also jeweils so auf dem Werkstück geführt, so dass das entsprechende Material mit dem Laser abgetragen werden kann. Dabei kann eine Winkelposition des Spiegels in Relation zum auf den Spiegel auftreffenden Laserstrahl gesteuert werden zur Positionierung des Laserstrahls.With This trained as a mirror positioning is the Laser beam so each guided on the workpiece, so that the corresponding material can be removed with the laser. In this case, an angular position of the mirror in relation to The mirror incident laser beam can be controlled for positioning of the laser beam.

Die Verwendung galvanometerangetriebener Spiegel hat den besonderen Vorteil, dass deren Winkelposition in Relation zum auf den Spiegel auftreffenden Laserstrahl besonders schnell änderbar ist.The Use galvanometer driven mirror has the special Advantage that their angular position in relation to the mirror incident laser beam is very fast changeable.

Handelsübliche galvanometerangetriebene Spiegel sind z. B. von SCANLAB AG, RAYLASE AG oder auch von der Arges GmbH sind im Rahmen der Erfindung verwendbar.commercial galvanometer-driven mirrors are z. From SCANLAB AG, RAYLASE AG or also from Arges GmbH are usable within the scope of the invention.

Mit galvanometerangetriebenen Spiegeln lässt sich der Laserstrahl auf dem Werkstück mit Geschwindigkeiten von bis zu 2 m/s positionieren. Vorteilhaft kann der Laserstrahl mit Geschwindigkeiten im Bereich von 0,3 bis 1,5 m/s auf der Werkstückoberfläche bewegt werden. Diese Bewegung des Laserstrahls auf der Oberfläche wird auch als Brennfleckgeschwindigkeit bezeichnet.With galvanometer-driven mirrors can be the laser beam on the workpiece at speeds of up to 2 m / s position. Advantageously, the laser beam with speeds in Range of 0.3 to 1.5 m / s on the workpiece surface to be moved. This movement of the laser beam on the surface is also called the focal spot speed.

Typischerweise werden galvanometerangetriebene Spiegel in der Industrie verwendet, so dass ein Laserstrahl mit einem galvanometerangetriebenen Spiegel auf der Oberfläche des Werkstücks zur Laserbearbeitung in einem Bereich mit einer Fläche, einer so genannten Scanfeldfläche, von bis zu 100 cm² positioniert werden kann. Bevorzugt werden Spiegel verwendet, die eine genaue Positionierung in einem Bereich mit einer Fläche von 0,001 cm² bis 70 cm² ermöglichen.Typically, galvanometer driven mirrors are used in the industry so that a laser beam with a galvanometer driven mirror can be positioned on the surface of the laser processing workpiece in a single surface area, called a scan field area, of up to 100 cm ² . Preference is given to using mirrors which allow accurate positioning in a range of 0.001 cm ² to 70 cm ² .

Weiterhin ganz besonders bevorzugt ist die Laserlichtquelle zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung ein Gaslaser, ein Festkörperlaser, ein Farbstofflaser, ein CO₂-Laser, ein Faserlaser, ein Nd:YAG Laser oder ein Nd:YVO4.With very particular preference the laser light source for generating pulsed laser radiation is a gas laser, a solid-state laser, a dye laser, a CO ₂ laser, a fiber laser, a Nd: YAG laser or a Nd: YVO 4.

Entsprechende Laserlichtquellen sind z. B. von den folgenden Herstellern kommerziell verfügbar: TRUMPF, ROFIN SINAR, IPG oder Coherent, Inc.Appropriate Laser light sources are z. B. from the following manufacturers commercially available: TRUMPF, ROFIN SINAR, IPG or Coherent, Inc.

Die für die vorliegende Erfindung verwendbaren gepulsten Laserlichtquellen erzeugen Laserlichtpulse einer Zeitdauer von höchstens 10^–4 Sekunden. Bevorzugt werden aber Laserlichtquellen verwendet, die Laserlichtpulse von höchstens 10^–12 Sekunden, ganz besonders bevorzugt von höchstens 10^–15 Sekunden erzeugen. Diese gepulsten Laserlichtquellen erzeugen Intensitäten im Brennfleck, d. h. auf der Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstücks, von mindestens 10⁴ Watt/cm². Bevorzugt werden aber Laserlichtquellen verwendet, die Laserlichtpulse von mindestens 10¹⁴ Watt/cm² erzeugen.The pulsed laser light sources usable for the present invention generate laser light pulses of at most 10 ^-4 seconds. However, laser light sources are preferably used which generate laser light pulses of at most 10 ^-12 seconds, very particularly preferably at most 10 ^-15 seconds. These pulsed laser light sources generate intensities in the focal spot, ie on the surface of the workpiece to be machined, of at least 10 ⁴ watts / cm ² . Preferably, however, laser light sources are used which generate laser light pulses of at least 10 ¹⁴ watts / cm ² .

Die Wiederholfrequenz der durch die Laserlichtquelle erzeugten gepulsten Laserstrahlen, die so genannte Pulsfolgefrequenz, ist typischerweise im Bereich von 10 kHz bis 1 MHz.The Repetition frequency of the pulsed generated by the laser light source Laser beams, the so-called pulse repetition frequency, is typically in the range of 10 kHz to 1 MHz.

Typischerweise werden Laserlichtquellen eingesetzt, die Laserstrahlen mit Laserwellenlängen von Ultraviolett bis Infrarot erzeugen können. Hierbei hängt die jeweilige erzeugte Wellenlänge von der ausgewählten Laserlichtquelle ab.typically, are laser light sources used, the laser beams with laser wavelengths of Ultraviolet to infrared can produce. This depends the respective generated wavelength of the selected Laser light source off.

Der entsprechende zu verwendende Lasertyp kann also gemäss dieser Liste vorteilhaft dem entsprechenden zu bearbeitenden Material des Werkstücks angepasst werden.Of the corresponding laser type to be used can therefore according to this list advantageous to the corresponding material to be processed be adapted to the workpiece.

Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zur Werkzeugherstellung und/oder Formherstellung mittels einer Vorrichtung, wobei wenigstens zwei Laserstrahlen (12) erzeugt werden. Diese Vorrichtung enthält zumindest eine Lasererzeugungsvorrichtung, zumindest eine Positioniervorrichtung für die Laserstrahlen und eine Werkstückhalterung. Dieses Verfahren beinhaltet die Schritte:

– Bearbeitung des Werkstücks mit einem Laserstrahl, wobei dieser mit einer senkrechten Komponente auf der zu bearbeitenden Oberfläche auftrifft und
– dass in einer Laserbearbeitungsposition des Werkstücks die Lasererzeugungsvorrichtung und die Werkstückhalterung während der Bearbeitung relativ zueinander fixiert sind.

The invention further relates to a method for tool production and / or production by means of a device, wherein at least two laser beams ( 12 ) be generated. This device includes at least one laser generating device, at least one positioning device for the laser beams and a workpiece holder. This procedure includes the steps:

- Processing the workpiece with a laser beam, which is incident with a vertical component on the surface to be processed and
- That in a laser processing position of the workpiece, the laser generating device and the workpiece holder are fixed relative to each other during machining.

Dieses Verfahren wird bevorzugt mit einer Vorrichtung gemäss den Vorrichtungsansprüchen der vorliegenden Erfindung durchgeführt.This Method is preferred with a device according to the Device claims of the present invention carried out.

Besonders bevorzugt werden die Laserstrahlen mittels der Positioniervorrichtung über die zu bearbeitende Oberfläche des Werkstücks geführt.Especially The laser beams are preferably transferred by means of the positioning device the surface of the workpiece to be machined guided.

Die Erfindung betrifft weiter die Verwendung einer Vorrichtung zur Werkzeugvorrichtung und/oder Formherstellung, die derart ausgebildet ist, dass wenigstens zwei Laserstrahlen (12) erzeugbar sind. Diese Vorrichtung enthält zumindest eine Lasererzeugungsvorrichtung, zumindest eine Positioniervorrichtung für die Laserstrahlen sowie eine Werkstückhalterung. Die Laserstrahlen weisen jeweils eine senkrechte Komponente auf einer zu bearbeitenden Oberfläche des Werkstücks auf. Weiter ist die Vorrichtung derart ausgestaltet, dass in einer Laserbearbeitungsposition des Werkstücks die Lasererzeugungsvorrichtung und die Werkstückhalterung relativ zueinander fixiert sind.The invention further relates to the use of a device for tooling device and / or mold production, which is designed such that at least two laser beams ( 12 ) are producible. This device includes at least one laser generating device, at least one positioning device for the laser beams and a workpiece holder. The laser beams each have a vertical component on a surface of the workpiece to be machined. Further, the apparatus is configured such that in a laser processing position of the workpiece, the laser generating device and the workpiece holder are fixed relative to each other.

Die Erfindung wird nachstehend an Ausführungsbeispielen und Zeichnungen zum besseren Verständnis erläutert. Es zeigen:The Invention will be described below by embodiments and Illustrated drawings for a better understanding. Show it:

1: Perspektivische Ansicht eines Werkstücks mit Gesenk und Schnittebenen. 1 : Perspective view of a workpiece with die and cutting planes.

2: Schematischer Aufbau einer erfindungsgemässen Vorrichtung mit zentraler Steuervorrichtung und zwei Lasererzeugungsvorrichtungen. 2 : Schematic structure of an inventive device with central control device and two laser generating devices.

3: Schematischer Aufbau einer alternativen erfindungsgemässen Vorrichtung mit drei Lasererzeugungsvorrichtungen, drei Positioniersteuerungen sowie einer Lasersteuerung. 3 : Schematic structure of an alternative inventive device with three laser generating devices, three positioning controls and a laser control.

4: Schematischer Aufbau einer weiteren alternativen erfindungsgemässen Vorrichtung mit fünf Lasererzeugungsvorrichtungen. 4 : Schematic structure of a further alternative device according to the invention with five laser-generating devices.

5a: Schematischer Aufbau einer Lasererzeugungsvorrichtung mit Strahlteiler. 5a : Schematic structure of a laser generating device with beam splitter.

5b: Schematischer Aufbau einer alternativen erfindungsgemässen Lasererzeugungsvorrichtung mit drei Laserlichtquellen. 5b : Schematic structure of an alternative laser generating device according to the invention with three laser light sources.

6: Perspektivische Darstellung eines Werkstücks in einer Halterung und mit schematischer Darstellung einer Lasererzeugungsvorrichtung. 6 : Perspective representation of a workpiece in a holder and with a schematic representation of a laser generating device.

7: Perspektivische Darstellung eines Werkstücks mit alternativem Gesenk 7 : Perspective view of a workpiece with alternative die

8: Perspektivische Darstellung eines weiteren Werkstücks mit alternativem Gesenk 8th : Perspective view of another workpiece with alternative die

1 zeigt in perspektivischer Darstellung ein Werkstück 21 mit einem Gesenk 22, welches mittels Laserbearbeitung in dem Werkstück 21 erzeugt wurde. Die Linien I-I' sowie II-II' stellen Schnittebenen dar. 1 shows in perspective a workpiece 21 with a die 22 , which by means of laser machining in the workpiece 21 was generated. The lines II 'and II-II' represent sectional planes.

Das Werkstück 21 kann z. B. aus Metall und/oder Kunststoff bestehen. Das Metall kann dabei z. B. ein legierter Stahl sein, wie er typischerweise im Werkzeug- und Formenbau eingesetzt wird. Weiterhin kann das Werkstück 21 z. B. auch aus technischen Keramiken wie Zirkonium Oxid oder auch Mineralien bestehen.The workpiece 21 can z. B. made of metal and / or plastic. The metal can be z. As an alloyed steel, as it is typically used in tool and mold making. Furthermore, the workpiece 21 z. B. also consist of technical ceramics such as zirconium oxide or minerals.

In 2 ist eine erfindungsgemässe Vorrichtung zur Laserbearbeitung schematisch dargestellt. Das Werkstück 21 ist hier als Schnitt entlang der Ebene I-I' dargestellt. Das Gesenk 22 in dem Werkstück 21 wurde mittels Laserbearbeitung erzeugt.In 2 a device according to the invention for laser processing is shown schematically. The workpiece 21 is shown here as a section along the plane II '. The die 22 in the workpiece 21 was produced by laser processing.

In der Figur sind zwei Lasererzeugungsvorrichtungen 10 dargestellt, die jeweils eine Laserlichtquelle 16 (hier: Faserlaser) enthalten. Weiterhin weist die Vorrichtung als Positioniervorrichtung für den Laserstrahl 12 antreibbare Spiegel 14 auf. Diese Spiegel lassen sich mit durch den Fachmann bekannten Mitteln translatorisch und rotatorisch bewegen. Die Lasererzeugungsvorrichtung 10 sowie die Spiegel 14 zur Positionierung der Laserstrahlen werden durch eine übliche Steuervorrichtung 11 gesteuert. Die Laserstrahlen 12 werden so über das Werkstück 21 geführt, so dass die gewünschte Materialmenge mit dem Laserstrahl abgetragen werden kann zur Erzeugung des Gesenks 22. Dabei werden für die verschiedenen Bereiche des Gesenks 22 die Laserstrahlen 12 so geführt, dass diese eine senkrechte Komponente auf der jeweiligen zu bearbeitenden Oberfläche des Werkstücks 21 aufweisen.In the figure are two laser generating devices 10 shown, each a laser light source 16 (here: fiber laser) included. Furthermore, the device as a positioning device for the laser beam 12 drivable mirrors 14 on. These mirrors can be moved translationally and rotationally by means known to those skilled in the art. The laser generating device 10 as well as the mirrors 14 for positioning the laser beams are by a conventional control device 11 controlled. The laser beams 12 become so over the workpiece 21 guided, so that the desired amount of material can be removed with the laser beam to produce the Gesenk 22 , In doing so, for the different areas of the Gesenk 22 the laser beams 12 guided so that this is a vertical component on the respective surface to be machined of the workpiece 21 exhibit.

Alternativ lassen sich als Laserlichtquelle 16 ein Gaslaser, ein Festkörperlaser, ein Farbstofflaser, ein CO₂-Laser, ein Nd:YAG Laser oder ein Nd:YVO4 verwenden.Alternatively, can be used as a laser light source 16 a gas laser, a solid state laser, a dye laser, a CO ₂ laser, a Nd: YAG laser or a Nd: YVO4 use.

In 3 ist schematisch eine erfindungsgemässe Vorrichtung zur Laserverarbeitung eines Werkstücks gezeigt. Zudem ist ein Schnitt durch das Werkstück 21 entlang der Schnittebene II-II' gezeigt. Das Werkstück 21 weist ein Gesenk 22 auf. Die Vorrichtung weist drei Lasererzeugungsvorrichtungen 10 auf, die jeweils eine Laserlichtquelle 16 (hier: Festkörperlaser) aufweisen. Die Lasererzeugungsvorrichtungen 10 werden durch eine gemeinsame Lasersteuerung 18 gesteuert. Als Positioniervorrichtung zur Positionierung der Laserstrahlen 12 auf dem Werkstück 21 werden galvanometerangetriebene Spiegel 15 verwendet. Jeder dieser galvanometerangetriebenen Spiegel 15 weist eine Positioniersteuerung 17 zur Positionierung des Laserstrahls 12 auf. Diese Positioniersteuerungen sind so programmiert, dass die Laserstrahlen 12 auf der jeweils zu bearbeitenden Oberfläche des Werkstücks 21 eine senkrechte Komponente aufweisen.In 3 is schematically shown an inventive device for laser processing of a workpiece. In addition, a section through the workpiece 21 shown along the section plane II-II '. The workpiece 21 has a die 22 on. The device has three laser generating devices 10 on, each one a laser light source 16 (here: solid-state lasers). The laser generating devices 10 be through a common laser control 18 controlled. As a positioning device for positioning the laser beams 12 on the workpiece 21 become galvanometer-driven mirrors 15 used. Each of these galvanometer-driven mirrors 15 has a positioning controller 17 for positioning the laser beam 12 on. These positioning controls are programmed to control the laser beams 12 on the respective surface of the workpiece to be machined 21 have a vertical component.

4 zeigt schematisch eine weitere alternative erfindungsgemässe Vorrichtung zur Laserbearbeitung eines Werkstücks 21. Das Werkstück 21 mit dem Gesenk 22 ist hier in einer Draufsicht der 1 dargestellt. Zusätzlich sind hier vier Lasererzeugungsvorrichtungen 10 mit jeweils einer Lichtquelle 16 (hier: Nd:YAG Laser) zur Erzeugung der Laserstrahlen 12 schematisch dargestellt. Diese Lasererzeugungsvorrichtungen 10 sind so in Relation zum Werkstück 21 positioniert, dass die Laserstrahlen 12 jeweils mit senkrechter Komponente auf die zu bearbeitende Oberfläche des Werkstücks 21 auftreffen. Eine fünfte Lasererzeugungsvorrichtung 10' mit einer Laserlichtquelle 16 (hier: Faserlaser) ist über dem Werkstück 21 angebracht. Die Laservorrichtung 10' und der dazugehörige galvanometerangetriebene Spiegels 15 sind nur aus zeichnerischen Gründen in der gezeigten Position angebracht. Als Positioniervorrichtung werden hier galvanometerangetriebene Spiegel 15 verwendet zur Positionierung des Laserstrahls 12 auf der jeweils zur bearbeitenden Oberfläche des Gesenks 22. 4 schematically shows a further alternative device according to the invention for the laser machining of a workpiece 21 , The workpiece 21 with the die 22 is here in a top view of the 1 shown. In addition, here are four laser generating devices 10 each with a light source 16 (here: Nd: YAG laser) for generating the laser beams 12 shown schematically. These laser generating devices 10 are so in relation to the workpiece 21 positioned that the laser beams 12 each with a vertical component on the surface to be machined of the workpiece 21 incident. A fifth laser generating device 10 ' with a laser light source 16 (here: fiber laser) is above the workpiece 21 appropriate. The laser device 10 ' and the associated galvanometer-driven mirror 15 are only attached for illustrative reasons in the position shown. The positioning device used here are galvanometer-driven mirrors 15 used for positioning the laser beam 12 on the respective surface of the die to be machined 22 ,

Eine hier nicht gezeigte vollständige Vorrichtung zur Laserbearbeitung, wie sie in der Industrie eingesetzt wird, hat ein Volumen von bis zu 30 m³ mit einer Grundfläche von maximal 10 m².A complete device for laser processing, not shown here, as used in industry, has a volume of up to 30 m ³ with a maximum area of 10 m ² .

In 5a ist eine Lasererzeugungsvorrichtung 10 schematisch dargestellt. Diese beinhaltet eine Laserlichtquelle 16 (hier: CO₂-Laser) zur Erzeugung eines Laserstrahls 12, der in einem Strahlteiler 13 in fünf Laserstrahlen 12 gleicher Leistung geteilt wird. Der Strahlteil enthält hier vier Spiegel (nicht gezeigt), die nur teilweise reflektierend sind.In 5a is a laser generating device 10 shown schematically. This includes a laser light source 16 (here: CO ₂ laser) to generate a laser beam 12 in a beam splitter 13 in five laser beams 12 same power is shared. The beam part here contains four mirrors (not shown), which are only partially reflective.

5b zeigt eine Lasererzeugungsvorrichtung 10 mit drei Laserlichtquellen 16 zur Erzeugung von drei Laserstrahlen 12. Diese Laserlichtquellen sind hier als CO₂-Laser, Faserlaser und Nd:YAG Laser ausgebildet. Die Lasererzeugungsvorrichtung 10 enthält also drei unterschiedliche Laserlichtquellen. 5b shows a laser generating device 10 with three laser light sources 16 for generating three laser beams 12 , These laser light sources are designed here as CO ₂ lasers, fiber lasers and Nd: YAG lasers. The laser generating device 10 contains three different laser light sources.

6 zeigt eine perspektivische Darstellung des Werkstücks 21 in einer Halterung 20. Diese Halterung findet sich in der hier nicht gezeigten Vorrichtung zur Laserbearbeitung. Zusätzlich ist schematisch eine Lasererzeugungsvorrichtung 10 mit einer Laserlichtquelle 16 (hier: Faserlaser) gezeigt zur Erzeugung eines Laserstrahls 12. Dieser Laserstrahl 12 wird mittels des galvanometerangetriebenen Spiegels 15 auf dem Werkstück 21 zur Laserbearbeitung positioniert. Während der Bearbeitung des Werkstücks 21 mittels des Laserstrahls 12 ist die relative Position zwischen Werkstückhalterung 20 und Lasererzeugungsvorrichtung 10 translatorisch fixiert. Mit anderen Worten, die Werkstückhalterung 20 und die Lasererzeugung 10 werden nicht gegeneinander verschoben. Eine Rotation der Lasererzeugungsvorrichtung 10 ist hingegen während der Laserbearbeitung des Werkstücks 21 möglich. 6 shows a perspective view of the workpiece 21 in a holder 20 , This holder is found in the device for laser processing, not shown here. In addition, schematically, a laser generating device 10 with a laser light source 16 (here: fiber laser) shown for generating a laser beam 12 , This laser beam 12 is by means of the galvanometer-driven mirror 15 on the workpiece 21 positioned for laser processing. During the machining of the workpiece 21 by means of the laser beam 12 is the relative position between the workpiece holder 20 and laser generating device 10 fixed in translation. In other words, the workpiece holder 20 and the laser generation 10 are not shifted against each other. A rotation of the laser generating device 10 is, however, during the laser machining of the workpiece 21 possible.

7 zeigt ein mit der erfindungsgemässen Laserbearbeitungsvorrichtung mit fünf Lasererzeugungsvorrichtungen bearbeitetes Werkstück 21 mit einem Gesenk 22, in dem sich ein Prisma mit einer Deckfläche 24 und einer Seitenfläche 23 befindet. Der Winkel zwischen der Deckfläche 24 und der Seitenfläche 23 beträgt hier 45°. Eine Kantenlänge l des quadratischen Werkstücks 21 beträgt 10 mm. 7 shows a machined with the inventive laser processing device with five laser generating devices workpiece 21 with a die 22 in which there is a prism with a top surface 24 and a side surface 23 located. The angle between the top surface 24 and the side surface 23 here is 45 °. An edge length l of the square workpiece 21 is 10 mm.

Eine Hauptzeit, d. h. die Zeit, in der ein Materialabtrag mittels Laserstrahl erfolgt, beträgt hier 4,8 Stunden. Die Nebenzeit, d. h. die Zeit, die zur Positionierung des Werkstücks benötigt wird, beträgt hier erfindungsgemäss 0 Stunden.A Main time, d. H. the time in which a material removal by means of laser beam takes place here is 4.8 hours. The non-productive time, d. H. the time required to position the workpiece is, is here according to the invention 0 hours.

Bei Verwendung einer Laserbearbeitungsvorrichtung gemäss dem Stand der Technik unter Verwendung des gleichen Materials für das Werkstück beträgt die Hauptzeit 22,8 Stunden und die Nebenzeit 1,7 Stunden zur Herstellung des Werkstücks 21.When using a laser processing apparatus according to the prior art using the same material for the workpiece, the main time is 22.8 hours and the non-productive time 1.7 hours for the production of the workpiece 21 ,

Mit der erfindungsgemässen Laserbearbeitungsvorrichtung wird also gesamthaft eine Zeitersparnis von ca. 80% erreicht gegenüber dem Stand der Technik.With The inventive laser processing device is So overall a time saving of about 80% compared to the state of the art.

8 zeigt ein mit der erfindungsgemässen Laserbearbeitungsvorrichtung mit fünf Lasererzeugungsvorrichtungen bearbeitetes Werkstück 21 mit neun Schlitzen 25. Diese Schlitze haben eine Schlitzbreite b zwischen 0,5 mm und 2 mm bei einer Schlitztiefe t von 5 mm bis 8 mm. Eine Kantenlänge l des quadratischen Werkstücks 21 beträgt 18 mm. 8th shows a machined with the inventive laser processing device with five laser generating devices workpiece 21 with nine slots 25 , These slots have a slot width b between 0.5 mm and 2 mm with a slot depth t of 5 mm to 8 mm. An edge length l of the square workpiece 21 is 18 mm.

Die Hauptzeit beträgt hier 0,74 Stunden und die Nebenzeit beträgt erfindungsgemäss 0 Stunden.The Main time here is 0.74 hours and the non-productive time is according to the invention 0 hours.

Bei Verwendung einer Laserbearbeitungsvorrichtung gemäss dem Stand der Technik unter Verwendung des gleichen Materials für das Werkstück beträgt die Hauptzeit 68,9 Stunden und die Nebenzeit 3,6 Stunden zur Herstellung des Werkstücks 21.When using a laser processing apparatus according to the prior art using the same material for the workpiece, the main time is 68.9 hours and the secondary time 3.6 hours for the production of the workpiece 21 ,

Mit der erfindungsgemässen Laserbearbeitungsvorrichtung wird also gesamthaft eine Zeitersparnis von ca. 99% erreicht gegenüber dem Stand der Technik.With The inventive laser processing device is Overall, a time saving of about 99% is achieved the state of the art.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 10217579 A1 [0004]
- DE 10352402 A1 [0005]

Claims

Contraption ( 1 ) for tool production and / or mold production, designed such that at least two laser beams ( 12 ), the device comprising at least one laser generating device ( 10 ), at least one positioning device ( 30 ) for the laser beams ( 12 ) and a workpiece holder ( 20 ), characterized in that the device ( 1 ) is configured such that - the laser beams ( 12 ) each at least one vertical component on a surface to be machined of a workpiece holder on the workpiece ( 21 ) and - that in a laser processing position of the workpiece ( 21 ) the laser generating device ( 16 ) and the workpiece holder ( 20 ) are fixed relative to each other.

Contraption ( 1 ) according to claim 1, characterized by at least one control device ( 11 ) for controlling the positioning device ( 30 ) and / or the laser generating device ( 10 ).

Contraption ( 1 ) according to claim 1 or 2, characterized by at least one positioning control ( 17 ) for controlling the positioning device ( 30 ) and / or at least one laser control ( 18 ) for controlling the laser generating device ( 10 ).

Contraption ( 1 ) according to one of claims 1 to 3, characterized in that the laser generating device ( 10 ) at least one laser light source ( 16 ) for generating the laser beam ( 12 ).

Contraption ( 1 ) according to one of claims 1 to 4, characterized by at least two laser generating devices ( 10 ), preferably at least three laser generating devices ( 10 ), particularly preferably at least five laser-generating devices ( 10 ).

Contraption ( 1 ) according to claim 4 or 5, characterized in that the laser generating device ( 10 ) at least two laser light sources ( 16 ), preferably at least three laser light sources ( 16 ), in particular preferably at least five laser light sources ( 16 ) for generating the laser beams ( 12 ).

Device according to one of claims 4 to 6, characterized in that the laser generating device ( 10 ) is configured such that the laser beams ( 12 ) each different, the laser beam ( 12 ) have characterizing parameters.

Contraption ( 1 ) according to one of claims 1 to 5, characterized in that the laser generating device ( 10 ) a beam splitter ( 13 ) contains for the division of the laser beam ( 12 ) in at least two laser beams ( 12 ), preferably at least three laser beams ( 12 ), in particular preferably at least five laser beams ( 12 ).

Contraption ( 1 ) according to claim 5, characterized in that the laser beam ( 12 ) by means of the beam splitter ( 13 ) in laser beams ( 12 ) is divisible with the same power.

Contraption ( 1 ) according to one of claims 1 to 9, characterized in that the positioning device ( 30 ) as a mirror ( 14 ), in particular as galvanometer-driven mirror ( 15 ) is trained.

Contraption ( 1 ) according to one of claims 4 to 10, characterized in that the laser light source ( 16 ) for generating the laser beam ( 12 ) is selected from the following list: - Gas lasers - Solid state lasers - Dye lasers - CO ₂ lasers - Fiber lasers - Nd: YAG lasers

Use of a device ( 1 ), which is designed such that at least two laser beams ( 12 ), the device comprising at least one laser generating device ( 10 ), at least one positioning device ( 30 ) for the laser beams ( 12 ) and a workpiece holder ( 20 ), characterized in that the laser beams ( 12 ) each at least one vertical component on a surface to be machined of the workpiece ( 21 ) and the device ( 1 ) is configured such that in a laser processing position of the workpiece ( 21 ) the laser generating device ( 16 ) and the workpiece holder ( 20 ) are fixed relative to each other for tooling and / or mold production.