AT411023B - Laserunterstütztes tiefziehen mit halbleiterlasern und festkörperlasern - Google Patents

Description

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   Unter dem österreichischen Patent-Nummer 407. 498 wurde ein Verfahren offengelegt, bei dem während des Ziehvorganges das Werkstück im Bereich des noch nicht umgeformten ebenen Flansches durch einen über den Umfang des letzteren einwirkenden Laserstrahl lokal erwärmt wird und damit eine erleichterte Umformung stattfindet, was die Leistungsfähigkeit des Verfahrens erhöht. 



   In der jüngsten Zeit durchgeführte Experimente mit diesem Verfahren zeigen nun einerseits, dass selbst bei den relativ kleinen Baugrössen moderner Hochleistungs-Halbleiterlaser, die im Bereich des Volumens eines Schuhkartons liegen, die Zuführung der Laserstrahlung zur Erwärmung des Werkstücks während des Ziehvorganges, bei dem der Niederhalter am Werkstück und das letztere am Ziehring kraftschlüssig anliegen, nicht mit technisch vertretbarem Aufwand realisiert werden kann und dass weiters durch den letzteren Kontakt zwischen dem Werkstück und den genannten Werkzeugen einschliesslich des Ziehstempel eine viel zu starke Wärmeableitung aus dem erwärmten Werkstück stattfindet, sodass die für eine effiziente Laserunterstützung notwendige Temparatur von einigen hundert Grad Celsius keineswegs erreicht werden kann. 



   Für die Lösung dieser Probleme wurden nun drei Wege beschritten bzw. in Aussicht genommen, wobei zunächst in jedem Fall sowohl der Niederhalter in der beim herkömmlichen Tiefziehen üblichen Form sowie der Ziehring und allenfalls auch der Ziehstempel mit einer wärmeisolierenden Schicht bedeckt sind. Dabei muss die letztere eine kleine Wärmeleitung mit hoher mechanischer Festigkeit vereinen, um einerseits den Abfluss der Wärme aus dem mit dem Laser erwärmten Werkstück zu verhindern und andererseits den hohen Kräften, die auf das Werkstück und daher die Werkzeuge einwirken, standhalten zu können. Bei einem schon realisierten Ausführungsbeispiel wurde ein bis mehrere Zentimeter dickes Fensterglas eingesetzt.

   Im Ausführungsbeispiel Abb. 1, das die drei Werkzeuge einer Tiefziehpresse zeigt, sind sowohl der Niederhalter 1 wie der Ziehring 2 und auch der Ziehstempel 3 mit wie oben erwähnt wärmedämmenden und hochfesten Glasplatten 4,5 und 6 bedeckt. 



   Die erste Variante für die Zuführung der Laserstrahlung zum Werkstück besteht darin, dass das Werkstück zunächst ausserhalb der Presse relativ zum feststehenden Laserstrahl ein- oder mehrmals entlang einer beispielsweise geschlossenen Kurve bewegt wird, sodass das Werkstück im vom Laser überstrichenen Bereich eine die Umformung erleichternde Temparatur von einigen hundert Grad erreicht, wobei als Laser vorzugsweise ein moderner Hochleistungs-Halbleiterlaser wie schon oben erwähnt eingesetzt werden kann. Unmittelbar nach dieser Erwärmung wird das Werkstück in die Tiefziehpresse transportiert und dort richtig positioniert, worauf anschliessend der Ziehvorgang stattfindet.

   Ein bereits erfolgreich realisiertes Ausführungsbeispiel wird durch die Abb. 2 illustriert, wobei die Erwärmung des Werkstücks durch den Hochleistungs-Halbleiterlaser 7, die Relativbewegung zwischen Werkstück 8 und dem Laserstrahl 9 durch eine xyVerfahreinrichtung 10 mit zwei linearen Achsen erfolgt und schliesslich noch eine Drehachse 11 dafür sorgt, dass der Brennfleck des Laserstrahls, der meist rechteckig ist, in Richtung der Relativgeschwindigkeit zwischen Strahl und Werkstück orientiert ist. Während die drei für die Bewegung des Lasers relativ zum Werkstück sorgenden Linear- und Drehachsen elektrisch angetriebene Spindeln verwenden, erfolgt der Vorschub des bereits erwärmten Werkstücks zur Tiefziehpresse entlang einer vierten Achse 12, die pneumatisch betätigt wird. 



   Nach dem Einlegen des Werkstücks in die Tiefziehpresse bei angehobenem Ziehring durch Auflegen des Werkstücks auf den Niederhalter und dem Stempel bei rotationssymmetrischen Werkstücken auf die Mitte der Anordnung zentriert, wird dann der Ziehvorgang durch Bewegung des Niederhalters und des Ziehrings zum Werkstück hin bis zum vollständigen Durchziehen des letzteren durch den Ziehring ausgeführt. Mit dieser Anordnung konnte das Ziehverhältnis gegen- über herkömmlichen Tiefziehen deutlich erhöht und die Ziehkraft verringert werden, was dem Nutzen der Lasererwärmung belegt. Die drei Werkzeuge 1,2 und 3 sind wie oben beschrieben mit Glasplatten 4,5 und 6 belegt (in Abb. 2 nicht gezeigt). 



   Die Variante zwei für die Zuführung der erwärmenden Laserstrahlung zum Werkstück besteht darin, dass einzelne Laserdioden oder Gruppen von Laserdioden, sogenannte Arrays oder Barren, direkt in Nuten an der dem Werkstück zugewandten Oberfläche der Werkzeuge entlang von Kurvenstücken oder überhaupt geschlossenen Kurven rund um die Symmetrieachse der Tiefziehpresse oder auch in radialer Richtung zu dieser Achse hin angeordnet sind, sodass das Werkstück an entsprechenden Kurven, deren Wahl davon abhängt, in welchen Bereichen des Werkstücks die 

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 stärksten Umformungen für den Ziehvorgang erforderlich sind, erwärmt wird.

   Da die schon erwähnten Glasbeschichtungen der Werkzeuge für die Strahlung von Halbleiterlasern durchsichtig sind, ergeben sich durch die oben beschriebene Anordnung der Laserdioden unter der dem Werkstück abgewandten Seite der Glasschicht keine Probleme und die Strahlung wirkt mehr oder minder ungeschwächt auf das Werkstück, wobei die Glasschichten gleichzeitig die Halbleiterlaserdioden vor Beschädigungen schützen. 



   Ein Ausführungsbeispiel zeigt Abb. 3, wobei im Ziehring 2 symmetrisch zur Achse der Anordnung mehrere Einzeldioden oder Arrays oder Barren 13   Strahileistungen   im Bereich von einigen 10 Watt angeordnet sind, sodass das Werkstück entlang eines zur Achse der Tiefziehpresse symmetrisch liegenden kreisförmigen Bereiches mit einer kleinen radialen Ausdehnung durch die Laserstrahlen 9 erwärmt wird. Die besagten Laser werden von einer schon erwähnten Glasplatte 5 abgedeckt, sodass die letztere einerseits eine Wärmeisolierung zwischen Werkstück 8 und Ziehring bewirkt und andererseits die Laserdioden von Beschädigungen schützt, wobei aber die Strahlen der Diodenlaser 13 mehr oder minder ungeschwächt das Werkstück 8 erreichen können. 



   Bei dieser Ausführung kann das Werkstück 8 auch während des Pressenhubes erwärmt werden. 



   Bei der letzteren Variante ist es auch möglich, beim Pressen von Teilen, die in weiten Bereichen nur schwach gekrümmt, entlang einzelner Linien an ihrer Oberfläche aber scharf abgeknickt sind, eine Geometrie, die etwa bei Autotüren anzutreffen ist, nur in den Bereichen grosser Umformung, wo am Werkstück Kanten und Knicke erzeugt werden müssen, in den Werkzeugen linienförmig aneinandergereihte Laserdioden einzubauen. Entsprechend der generell gekrümmten Form solcher Werkzeuge müssen dann die wärmedämmenden Beschichtungen gekrümmt sein. 



   Die gegenständliche Variante 2 für die Erwärmung des Werkstücks direkt in der Tiefziehpresse kann auch so abgewandelt werden, dass die Laserdioden nicht direkt in den Werkzeugen angeordnet werden, sondern ausserhalb derselben, wobei die Strahlung dieser Laser oder anderer Festkörperlaser durch flexible Glasfasern zu den Werkzeugen geführt wird. Dabei können herstellerseitig schon mit Glasfasern verbundene Halbleiterlaser verwendet werden, wobei die Glasfasern bzw.

   Faserbündel an der Rückseite der Werkzeuge durch Löcher, die durch die Werkzeuge hindurchführen, eingeführt werden, sodass sie beispielsweise an der werkstückseitigen Oberfläche der Werkzeuge und unterhalb die Werkzeuge bedeckenden Glasschichten enden, womit die von den Halbleiterlasern in die Glasfasern gesandte Strahlung die Fasern an der Grenzschicht zwischen Werkzeug und Glasbeschichtung verlässt, durch die Glasschichten transmittiert wird und dann das Werkstück trifft.

   Sowohl bei direkt in die Werkzeuge eingebauten Halbleiterlasern wie auch bei durch Glasfaserstrecken zugeführte Strahlung von Halbleiterlasern können die einzelnen Dioden einzeln in Hinblick auf die Erzielung einer bestimmten Strahlleistung gesteuert werden, was es ermöglicht, verschieden starke Erwärmungen an verschiedenen Stellen der Werkstücke in Hinblick auf eine optimale Nutzung der Strahlenenergie zu erzielen, mit einer maximalen Erwärmung an Stellen, wo maximale Umformgrade erzielt werden müssen. 



   Eine dritte Verfahrensvariante besteht darin, dass die das Werkstück erwärmenden Halbleiterlaser oder Glasfaser am Ende eines Fingers angebracht sind, wobei die Länge des Fingers etwa der grössten Ausdehnung der Werkzeuge senkrecht zur Ziehrichtung entspricht und der letztere Finger durch die schon bei der Variante 1 verwendete xy-Verfahreinrichtung so bewegt wird, dass seine Spitze, an der sich die Laser befinden, das schon in die Presse eingelegte Werkstück bei angehobenem Ziehring an den für eine selektive Erwärmung zur Unterstützung des Ziehvorganges nötigen Kurven abfährt und damit erwärmt. 



   Abb. 4 zeigt ein Ausführungsbesipiel für diesen Weg der selektiven   Lasererwärmung :   Diese Abbildung zeigt wieder die mit wärmeisolierendem Glas 4,5 und 6 beschichteten Werkzeuge 1,2 und 3, das schon auf den Niederhalter 1 und den Stempel 3 aufgelegte Werkstück 8, den noch vom Werkstück entfernten Ziehring 2 sowie den mit Laserdioden 13 an seiner Spitze besetzten Finger 14, der durch eine xy-Verfahreinrichtung 10 so bewegt wird, dass die zu erwärmende Zone am Werkstück 8 abgefahren wird. 



   Auch bei diesem Weg der Werkstückerwärmung kann statt einer Anbringung von Laserdioden an der Spitze des Fingers die Zufuhr der Strahlenergie zu diesem Finger durch Glasfasern, die im Finger verlaufen und mit feststehenden Lasern verbunden sind, verwendet werden.

Claims (7)

1. PATENTANSPRÜCHE : 1. Verfahren zum Tiefziehen von einem mit Laserunerstützung erwärmten Werkstück, ca- durch gekennzeichnet, dass die Werkzeuge zum Tiefziehen durch für Laserstrahlung durchlässige, wärmedämmende und hochdruckfeste Schichten, wie etwa Glas entweder in ebener oder gekrümmter Form, bedeckt sind.
2. 2. Verfahren zum Tiefziehen von einem mit Laseruntestützung erwärmten Werkstück rech Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück vor dem Ziehprozess und au- sserhalb der Presse durch einen Hochleistungs-Halbleiterlaser in Bereichen, wo durch eine selektive Erwärmung der Ziehvorgang erleichtert werden kann, bestrahlt wird.
3. 3. Verfahren zum Tiefziehen von einem mit Laserunterstützung erwärmten Werkstück nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das in die Presse eingelegte Werkstück bei geöffnetem Werkzeug durch einen von aussen bewegten Finger, an dessen Ende Halblei- terlaser oder Glasfasern angebracht sind, selektiv in Bereichen, in denen eine Erleichte- rung des Ziehvorganges wünschenswert ist erwärmt wird.
4. 4. Verfahren zum Tiefziehen von einem mit Laserunterstützung erwärmten Werkstück nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück bei mit diesem in Kontakt be- findlichen Werkzeugen, also während des Ziehvorganges, durch in die Werkzeuge einge- baute Halbleiterlaser, Arrays oder Barren selektiv in Bereichen, wo eine Erleichterung des Ziehvorganges wünschenswert ist, erwärmt wird.
5. 5. Verfahren zum Tiefziehen von einem mit Laserunterstützung erwärmten Werkstück nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlung von ausserhalb der Presse angeordneten feststehenden Halbleiterlasern, Arrays oder Barren geliefert wird, wobei die Laserstrahlung dem von aussen bewegten Finger durch Glasfaserkabel zugeführt wird und an der Spitze des von aussen bewegten Fingers auf die Werkstückoberfläche auftrifft.
6. 6. Verfahren zum Tiefziehen von einem mit Laserunterstützung erwärmten Werkstück nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlung von ausserhalb der Presse angeordneten feststehenden Halbleiterlasern, Arrays oder Barren geliefert wird, wobei die Laserstrahlung den Werkzeugen durch Glasfaserkabel zugeführt wird, an der Grenze zwi- schen werkstückseitiger Werkzeugoberfläche und wärmedämmender Glasbeschichtung aus dem Werkzeug austritt und auf die Werkstückoberfläche auftrifft.
7. 7. Verfahren zum Tiefziehen von einem mit Laserunterstützung erwärmten Werkstück nach Anspruch 4,5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Laser, Arrays oder Bar- ren unabhängig voneinander in ihrer Leistung gesteuert werden können, sodass entlang der vom Laserlicht überstrichenen Bereiche des Werkstücks unterschiedlich starke Er- wärmungen erzielt werden können.