WO2020043794A1 - Verfahren und vorrichtung zur lasermaterialbearbeitung eines werkstücks mittels photonenimpuls - Google Patents

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Eckhard Beyer
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Technische Universitaet Dresden
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Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for laser material processing of a workpiece by means of a photon pulse.
  • a disadvantage of pulsed methods is that the thermally activated interaction volume and the achievable ablation rates are small due to the typically low average powers. In contrast, cw laser radiation sources with high average output powers are available.
  • the disadvantage of this is that there are no process-inherent interaction mechanisms that not only result in an energy input due to radiation absorption, but also a pulse transfer to the thermally activated interaction volume can be achieved. A material expulsion must therefore be achieved by an additionally supplied gas jet, which limits the flexibility of the process and the gas used makes the process more expensive.
  • the present invention is therefore based on the object of proposing a method and a device with which the disadvantages mentioned can be avoided, that is to say high separation rates can be achieved without complex additional workpiece treatment.
  • a first laser beam from a first laser radiation source and a second laser beam from a second laser radiation source are at a common point of incidence on a workpiece to be processed or in a material which is melted with or by the first laser beam Workpiece directed.
  • the workpiece surface or the workpiece is melted by the first laser beam and a material drive is carried out by the second laser beam.
  • An exposure time, which can also be referred to as an interaction time, of the second laser beam is shorter than an exposure time of the first laser beam.
  • the second laser beam By separating the workpiece by the first laser beam with its longer interaction time with the material, the second laser beam, the action time of which is typically too short for a separating machining process, is used to drive out the material, so that no additional measures are taken at the point of impact or by the first laser beam melted material is necessary.
  • the point of impact and / or the melted material can also be referred to as a process zone.
  • the proposed synergetic coupling makes it possible that removal or separation processes previously carried out exclusively with a pulsed laser beam processes can be realized thermally more efficiently and with an increased removal rate.
  • the second laser beam is emitted as a pulsed laser beam from the second laser radiation source.
  • the first laser beam can be emitted as a continuous laser beam from the first laser radiation source or the first laser beam can be emitted as a pulsed laser beam with a pulse duration from the first laser radiation source that is greater than a pulse duration of the second laser beam. In this way, the exposure times or interaction times can be determined in a targeted manner.
  • the first laser beam and the second laser beam can be directed onto the workpiece surface by at least one imaging optical element, preferably a lens, typically a biconvex lens, in order to achieve a sufficiently high power density by focusing on the workpiece surface.
  • at least one imaging optical element preferably a lens, typically a biconvex lens
  • the first laser beam and / or the second laser beam can be guided through an optical deflection element arranged between the optical element to be imaged and the first laser radiation source and the second laser radiation source and superimposed by the optical deflection element in order to simplify beam guidance and to define a defined process zone To reach the workpiece.
  • the optical deflection element is preferably designed as a beam splitter, for example a beam splitter plate or a beam splitter cube, or a dichroic mirror.
  • the first laser beam can be emitted with a power in the range from 0.1 kW to 20 kW, preferably in the range from 1 kW to 10 kW.
  • the second laser beam can have a pulse peak power in the range of preferably 0.1 MW to 100 MW.
  • the ratio of the power (pulse peak power) of the second laser beam to the power (average Power) of the first laser beam between 5-10 ° and 1-10 6 .
  • a protective gas for shielding the point of impact or the process zone is guided onto the workpiece surface.
  • the protective gas can be selected from argon, helium or a mixture of argon and helium, optionally with the addition of proportions of other atomic or molecular gas components.
  • the protective gas should be directed coaxially with the first laser beam and / or the second laser beam onto the workpiece surface.
  • the shielding gas can also be fed laterally through a separate shielding gas nozzle into the process zone or onto the workpiece surface.
  • the second laser beam can be emitted with a pulse duration of less than 10 ps, preferably with a pulse duration of less than 10 ns, particularly preferably with a pulse duration of less than 10 ps, in order not to allow excessive thermal interaction with the material.
  • the pulse duration is preferably in the range between 1 fs and 10 ps.
  • the second laser beam with a pulse repetition frequency between 1 kHz and 10 MHz, preferably between 5 kHz and 5 MHz, is emitted in order to ensure the material expulsion efficiently.
  • the first laser beam and / or the second laser beam is or are emitted with a pulse energy between 5 pJ and 500 mJ, preferably between 50 pJ and 100 mJ, so that both the melting and the expulsion are carried out, if necessary of the material takes place in an efficient manner.
  • a device for laser material processing of a workpiece by means of a photon pulse has a first laser radiation source for emitting a first laser beam and a second laser radiation source for emitting a second laser beam.
  • the first laser radiation source and the second laser radiation source are set up to direct the first laser beam and the second laser beam onto a common point of impact on a workpiece surface to be processed or into a material of the workpiece melted with the first laser beam.
  • the first laser beam melts the workpiece surface or the workpiece. Material and through the second laser beam a material expulsion is achieved.
  • An exposure time of the second laser beam is shorter than an exposure time of the first laser beam.
  • the described method is typically carried out with the described device, i. H. the device described is set up to carry out the method described.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a method for laser material processing, in which a workpiece is machined separately and a material discharge is directed away from a laser radiation source and
  • Fig. 2 is a representation corresponding to Figure 1, in which the workpiece is machined or sequentially separating (by repeatedly traversing a machining contour) and in which the material discharge is directed primarily opposite to the direction of movement of the relative movement between the laser beam and the material.
  • a first laser radiation source 2 emits a first laser beam 1 as a continuous laser beam, that is to say as a cw laser beam.
  • a second laser radiation source 4 emits a second laser beam 3 as a pulsed laser beam, ie as a pw laser beam.
  • the first laser radiation source 2 and the two te laser radiation source 4 are typically spatially separated from one another and / or each have their own electrical energy supply.
  • the first laser beam 1 and the second laser beam 3 are passed through a di chroic mirror 8 so that they are guided together in the direction of the workpiece to be treated.
  • the second laser beam 3 is here deflected at the dichroic mirror, in the illustrated embodiment by 90 °, while the first laser beam 1 passes in a straight line.
  • Both laser beams 1 and 3 are focused by a biconvex lens 7 as an imaging optical element on a workpiece surface 6, where the first laser beam 1 performs a separating processing 9 of the workpiece by melting a material of the workpiece at the point of impact 5, while the second laser beam 3 for a material discharge 10 is responsible.
  • Coaxial guidance and simultaneous temporal and spatial impingement of the laser beams 1 and 3 ensure an effective cutting process with the material discharge 10 or material expulsion directly at the cutting front.
  • the material discharge 10 or material expulsion takes place according to a side facing away from the first laser radiation source 1 or the second laser radiation source 2.
  • the parameters of the first laser beam 1 and the second laser beam 3 are selected such that the material discharge 10 is directed away from the first laser radiation source 2 and the second laser radiation source 4.
  • the exposure time or interaction time of the first laser beam 1 is longer than the exposure time of the second laser beam 3 due to the continuous emission.
  • the first laser radiation source 2 emits a pulsed laser beam as the first laser beam 1 animals, wherein a pulse duration of the first laser beam 1 is in this case greater than a pulse duration of the second laser beam 2.
  • the pulse duration of the first laser beam 1 is a multiple or at least one order of magnitude longer than the pulse duration of the second laser beam 3.
  • the pulse duration of the second laser beam 3 is less than 100 ps.
  • shear forces are induced as a result of a radiation pressure or photon pulse, in particular at high incidence angles of laser radiation typical of cutting sheet metal, on an inclined cutting front, and a melt which forms is driven off primarily in the molten state.
  • the method described can therefore be used in particular in sheet metal processing, ie for processing metal workpieces which have been rolled to form plates with a thickness of typically not more than 1 cm.
  • the first laser beam 1 and the second laser beam 3 have an identical beam diameter, but variations in the beam diameter of both beams 1, 3 by up to 10 percent of the beam with the larger beam diameter can also be provided.
  • the second laser beam 3 is not used to heat the material of the workpiece already melted by the first laser beam ml to boiling temperature, but rather to discharge the material 10 as a result of the effective radiation pressure.
  • the first laser steel 1 is emitted in the embodiment shown in FIG. 1 with a power in the range of 1 kW, while the second laser beam 3 has an average pulse peak power of 42 MW with a pulse duration of 12 ps and a pulse energy of 500 pJ.
  • a ratio of the powers to one another can also be in the range from 5-10 ° and 1-10 6 .
  • the protective gas is applied to the workpiece surface 6 coaxially with the first laser beam 1 and / or the second laser beam 3 through a protective gas nozzle.
  • the protective gas can also be guided into or to the process zone via a laterally arranged, separate protective gas nozzle.
  • a lateral arrangement is to be understood here in particular to mean an arrangement in which the protective gas flows at an angle of 45 ° to 90 ° relative to the first laser beam 1 and / or the second laser beam 3 onto the point of impact 5 or the workpiece surface 6.
  • the described ne method can, however, as described above, also be carried out free of gas impingement of the impact point 5, i. H. only the second laser beam 3 is responsible for the material discharge 10.
  • exemplary embodiments can also be provided in which the first laser beam 1 and the second laser beam 3 are directed at the point of incidence 5 or the workpiece surface 6 at different angles.
  • first laser beam 1 and the second laser beam 3 are directed at the point of incidence 5 or the workpiece surface 6 at different angles.
  • a deflecting element and optionally a deflecting optical element.
  • Removal and separating processes of laser-based material processing are characterized in that the material along the processing contour must be thermally activated (melting, evaporation) and must be expelled from the processing zone simultaneously. This double effect is only achieved a priori in those applications in which the material is evaporated along the kerf. The range of application of this process variant is therefore limited to those materials which have no pronounced melting phase. For all other materials, evaporation-based process control is not feasible due to thermal interactions or is not sensible to use in terms of energy.
  • Thermal activation of the interaction volume with simultaneous material expulsion or material expulsion is achieved using pw laser beam sources such as the second laser radiation source 4.
  • the interaction phenomena underlying such a process control are dependent on the available pulse energy or pulse energy current density (fluence) and the pulse duration.
  • the pulse duration not only determines the duration of the process phase for the energy input into the material and the power density that is effective during the pulse phase (intensity of the laser radiation), but also the extent of heat conduction in the base material adjacent to the immediate process zone.
  • the pulse duration has a significant influence on the effective driving forces for the material expulsion 10, since the latter are determined in particular by the pulse power as a ratio of pulse energy to pulse duration or the pulse intensity as a ratio of pulse power to the interaction area (focus size).
  • the principle of action of the hybrid approach presented is based on the fact that the energy of the cw laser beam is primarily used to melt the material along a processing path, while simultaneously or simultaneously the exposure of the process zone to laser beam pulses of the second laser beam 3 causes the molten material to be expelled.
  • the proposed synergetic coupling it is possible that previously only removal and separation processes carried out with a pw beam source can be realized thermally more efficiently and with an increased removal rate.
  • removal and separation processes previously carried out exclusively with a cw beam source can be realized without additional process gas, which on the one hand can lower operating and manufacturing costs and on the other hand can achieve greater flexibility for processing.
  • gases can be used to shield the process zone from the atmosphere.
  • FIG. 2 shows a view corresponding to FIG. 1, in which the parameters of the first laser beam 1 were chosen such that the workpiece is not completely separated, but is only cut, the material discharge 10 now being directed away from the workpiece and primarily in one direction opposite to the machining direction.
  • Recurring features are provided in this figure with identical reference numerals as in Figure 1.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine entsprechende Vorrichtung zur Lasermaterialbearbeitung eines Werkstücks mittels Photonenimpuls, bei dem ein erster Laserstrahl (1) aus einer ersten Laserstrahlungsquelle (2) und ein zweiter Laserstrahl (3) aus einer zweiten Laserstrahlungsquelle (4) auf einen gemeinsamen Auftreffpunkt (5) auf einer zu bearbeitenden Werkstückoberfläche (6) oder in einen mit dem ersten Laserstrahl (1) aufgeschmolzenen Werkstoff des Werkstücks gerichtet werden. Durch den ersten Laserstrahl (1) wird ein Aufschmelzen (9) der Werkstückoberfläche (6) oder des Werkstoffs und durch den zweiten Laserstrahl (3) ein Werkstoffaustrieb (10) erreicht, wobei eine Einwirkzeit des zweiten Laserstrahls (3) kürzer ist als eine Einwirkzeit des ersten Laserstrahls (1).

Description

VERFAH REN UND VORRICHTUNG ZUR LASERMATERIALBEARBEITUNG EIN ES
WERKSTÜCKS M ITTELS PHOTON EN IM PULS
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur La- sermaterialbearbeitung eines Werkstücks mittels Photonenimpuls.
Zur Lasermateria lbearbeitung sind verschiedene Technologien für einen Ma terialabtrag oder eine Materialtrennung verfügbar, die entweder auf einer gepulsten (pw-Betrieb) oder einer kontinuierlich emittierenden (cw-Betrieb) Laserstrahlquelle beruhen.
Nachteilig an gepulsten Verfahren ist jedoch, dass aufgrund der typischerwei se geringen mittleren Leistungen das thermisch aktivierte Wechselwirkungs volumen sowie die erreichbaren Abtragungsraten klein sind. Im Gegensatz dazu sind cw-Laserstrahlungsquellen mit hohen mittleren Ausgangsleistungen verfügbar. Nachteilig hieran ist jedoch, dass keine prozessinhärenten Wech selwirkungsmechanismen entstehen, durch die nicht nur ein Energieeintrag infolge Strahlungsabsorption, sondern auch ein Impulsübertrag auf das ther misch aktivierte Wechselwirkungsvolumen erreicht werden kann. Ein Materi alaustrieb muss daher durch einen zusätzlich zugeführten Gasstrahl erreicht werden, was eine Flexibilität des Verfahrens einschränkt und das verwendete Gas das Verfahren verteuert.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung vorzuschlagen, mit denen die genannten Nachteile ver mieden werden können, also hohe Trennraten ohne aufwändige zusätzliche Werkstückbehandlung erreicht werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren nach An spruch 1 und eine Vorrichtung nach Anspruch 12. Vorteilhafte Ausgestaltun gen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Bei einem Verfahren zur Lasermaterialbearbeitung eines Werkstücks mittels Photonenimpuls wird ein erster Laserstrahl aus einer ersten Laserstrahlungs quelle und ein zweiter Laserstrahl aus einer zweiten Laserstrahlungsquelle auf einen gemeinsamen Auftreffpunkt auf einer zu bearbeitenden Werkstück oberfläche oder in einen mit dem oder durch den ersten Laserstrahl auf geschmolzenen Werkstoff des Werkstücks gerichtet. Hierdurch wird ein Auf schmelzen der Werkstückoberfläche oder des Werkstücks durch den ersten Laserstrahl erreicht und durch den zweiten Laserstrahl wird ein Werkstoffaus trieb vorgenommen. Eine Einwirkzeit, die auch als Wechselwirkungszeit be zeichnet werden kann, des zweiten Laserstrahls ist hierbei kürzer als eine Einwirkzeit des ersten Laserstrahls.
Indem das Werkstück durch den ersten Laserstrahl mit seiner längeren Wech selwirkungszeit mit dem Werkstoff getrennt wird, dient der zweite Laser strahl, dessen Einwirkzeit für eine trennende Bearbeitung typischerweise zu kurz ist, für einen Werkstoffaustrieb, so dass keine zusätzlichen Maßnahmen am Auftreffpunkt bzw. dem durch den ersten Laserstrahl aufgeschmolzenen Werkstoff nötig sind. Der Auftreffpunkt und bzw. oder der aufgeschmolzene Werkstoff können auch als Prozesszone bezeichnet werden. Durch die vorge schlagene synergetische Kopplung wird es möglich, dass bislang ausschließlich mit einem gepulsten Laserstrahl durchgeführte Abtragungs- bzw. Trennpro- zesse thermisch effizienter und mit einer erhöhten Abtragungsrate realisiert werden können. Andererseits wird es möglich, bislang mit kontinuierlich emit tierenden Laserstrahlungsquellen durchgeführte Prozesse ohne zusätzliches Prozessgas bei reduzierten Betriebs- und Fertigungskosten samt höherer Fle xibilität durchzuführen.
Es kann vorgesehen sein, dass der zweite Laserstrahl als gepulster Laserstrahl von der zweiten Laserstrahlungsquelle emittiert wird. Der erste Laserstrahl kann als kontinuierlicher Laserstrahl von der ersten Laserstrahlungsquelle emittiert werden oder der erste Laserstrahl kann als gepulster Laserstrahl mit einer Pulsdauer von der ersten Laserstrahlungsquelle emittiert werden, die größer ist als eine Pulsdauer des zweiten Laserstrahls. Hierdurch können ge zielt die Einwirkzeiten bzw. Wechselwirkungszeiten bestimmt werden.
Der erste Laserstrahl und der zweite Laserstrahl können durch mindestens ein abbildendes optisches Element, vorzugsweise eine Linse, typischerweise eine bikonvexe Linse, auf die Werkstückoberfläche gerichtet werden, um eine aus reichend hohe Leistungsdichte durch Fokussierung auf der Werkstückoberflä che zu erreichen.
Der erste Laserstrahl und bzw. oder der zweite Laserstrahl können durch ein zwischen dem abzubildenden optischen Element sowie der ersten Laserstrah lungsquelle und der zweiten Laserstrahlungsquelle angeordnetes optisches Umlenkelement geführt und durch das optische Umlenkelement überlagert werden, um eine Strahlführung zu vereinfachen und eine definierte Prozess zone des Werkstücks zu erreichen.
Das optische Umlenkelement ist vorzugsweise als ein Strahlteiler, beispiels weise eine Strahlteilerplatte oder ein Strahlteilerwürfel, oder ein dichroiti scher Spiegel ausgebildet.
Der erste Laserstrahl kann mit einer Leistung im Bereich von 0,1 kW bis 20 kW, vorzugsweise im Bereich von 1 kW bis 10 kW emittiert werden. Der zweite Laserstrahl kann eine Pulsspitzenleistung im Bereich von vorzugsweise 0,1 MW bis 100 MW aufweisen. Typischerweise beträgt ein Verhältnis der Leistung (Pulsspitzenleistung) des zweiten Laserstrahls zur Leistung (mittlere Leistung) des ersten Laserstrahls zwischen 5-10° und 1-106.
Es kann vorgesehen sein, dass ein Schutzgas für eine Abschirmung des Auf treffpunkts bzw. der Prozesszone auf die Werkstückoberfläche geführt wird. Das Schutzgas kann ausgewählt sein aus Argon, Helium oder einer Mischung aus Argon und Helium, gegebenenfalls unter Beimengung von Anteilen ande rer atomarer oder molekularer Gaskomponenten . Das Schutzgas sollte koaxi al mit dem ersten Laserstrahl und bzw. oder dem zweiten Laserstrahl auf die Werkstückoberfläche gerichtet werden. Alternativ kann das Schutzgas auch seitlich über eine separate Schutzgasdüse in die Prozesszone bzw. auf die Werkstückoberfläche geführt werden.
Der zweite Laserstrahl kann mit einer Pulsdauer von weniger als 10 ps, vor zugsweise mit einer Pulsdauer von weniger als 10 ns, besonders vorzugsweise mit einer Pulsdauer von weniger als 10 ps emittiert werden, um keine zu gro ße thermische Wechselwirkung mit dem Werkstoff zu ermöglichen. Vorzugs weise liegt die Pulsdauer im Bereich zwischen 1 fs und 10 ps.
Es kann vorgesehen sein, dass der zweite Laserstrahl mit einer Pulswiederhol frequenz zwischen 1 kHz und 10 MHz, vorzugsweise zwischen 5 kHz und 5 MHz, emittiert wird, um den Werkstoffaustrieb effizient zu gewährleisten. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass der erste Laserstrahl und bzw. oder der zweite Laserstrahl mit einer Pulsenergie zwischen 5 pJ und 500 mJ, vorzugsweise zwischen 50 pJ und 100 mJ emittiert wird bzw. werden, damit gegebenenfalls sowohl das Aufschmelzen als auch das Austreiben des Werkstoffs in effizienter Art und Weise erfolgt.
Eine Vorrichtung zur Lasermaterialbearbeitung eines Werkstücks mittels Pho tonenimpuls weist eine erste Laserstrahlungsquelle zum Emittieren eines ers ten Laserstrahls und eine zweite Laserstrahlungsquelle zum Emittieren eines zweiten Laserstrahls auf. Die erste Laserstrahlungsquelle und die zweite La serstrahlungsquelle sind dazu eingerichtet, den ersten Laserstrahl und den zweiten Laserstrahl auf einen gemeinsamen Auftreffpunkt auf einer zu bear beitenden Werkstückoberfläche oder in einen mit dem ersten Laserstrahl auf geschmolzenen Werkstoff des Werkstücks zu richten. Dadurch wird durch den ersten Laserstrahl ein Aufschmelzen der Werkstückoberfläche oder des Werk- Stoffs und durch den zweiten Laserstrahl ein Werkstoffaustrieb erreicht. Eine Einwirkzeit des zweiten Laserstrahls ist kürzer als eine Einwirkzeit des ersten Laserstrahls.
Das beschriebene Verfahren wird typischerweise mit der beschriebenen Vor richtung durchgeführt, d. h. die beschriebene Vorrichtung ist zum Durchfüh ren des beschriebenen Verfahrens eingerichtet.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend anhand der Figuren 1 und 2 erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Lasermaterialbe arbeitung, bei dem ein Werkstück trennend bearbeitet wird und ein Materialaustrag von einer Laserstrahlungsquelle weggerichtet ist und
Fig. 2 eine Figur 1 entsprechende Darstellung, bei der das Werkstück abtra gend oder sequentiell trennend (durch mehrfaches Abfahren einer Be arbeitungskontur) bearbeitet wird und bei der der Materialaustrag primär entgegengesetzt der Bewegungsrichtung der Relativbewegung zwischen dem Laserstrahl und dem Material gerichtet ist.
In Figur 1 werden in einer schematischen Ansicht ein Verfahren und eine ent sprechende Vorrichtung zur Lasermaterialbearbeitung eines Werkstücks dar gestellt. Eine erste Laserstrahlungsquelle 2 emittiert einen ersten Laserstrahl 1 als kontinuierlichen Laserstrahl, also als cw-Laserstrahl. Eine zweite Laser strahlungsquelle 4 emittiert einen zweiten Laserstrahl 3 als gepulsten Laser strahl, also als pw- Laserstrahl. Die erste Laserstrahlungsquelle 2 und die zwei te Laserstrahlungsquelle 4 sind dabei typischerweise räumlich voneinander getrennt und bzw. oder verfügen jeweils über eine eigene elektrische Energie versorgung.
Der erste Laserstrahl 1 und der zweite Laserstrahl 3 werden durch einen di chroitischen Spiegel 8 geführt, so dass sie gemeinsam in Richtung des zu be handelnden Werkstücks geführt werden. Der zweite Laserstrahl 3 wird hierbei am dichroitischen Spiegel umgelenkt, im dargestellten Ausführungsbeispiel um 90°, während der erste Laserstrahl 1 in gerader Linie hindurchtritt. Beide Laserstrahlen 1 und 3 werden durch eine bikonvexe Linse 7 als abbildendes optisches Element auf eine Werkstückoberfläche 6 fokussiert, wo der erste Laserstrahl 1 eine trennende Bearbeitung 9 des Werkstücks durch Aufschmel zen eines Werkstoffs des Werkstücks am Auftreffpunkt 5 durchführt, während der zweite Laserstrahl 3 für einen Materialaustrag 10 verantwortlich ist. Durch ein koaxiales Führen und zeitlich sowie räumlich simultanes Auftreffen der Laserstrahlen 1 und 3 wird ein effektiver Schneidevorgang mit dem Material austrag 10 bzw. Werkstoffaustrieb direkt an der Schneidfront gewährleistet.
In der Regel erfolgt hierbei keine Materialverdampfung. Der Materialaustrag 10 bzw. Werkstoffaustrieb erfolgt hierbei nach einer der ersten Laserstrah lungsquelle 1 bzw. der zweiten Laserstrahlungsquelle 2 abgewandten Seite.
In dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Parameter des ersten Laserstrahls 1 und des zweiten Laserstrahls 3 derart gewählt, dass der Materialaustrag 10 von der ersten Laserstrahlungsquelle 2 und der zweiten Laserstrahlungsquelle 4 weggerichtet ist. Die Einwirkzeit bzw. Wechselwir kungszeit des ersten Laserstrahls 1 ist hierbei aufgrund der kontinuierlichen Emission länger als die Einwirkzeit des zweiten Laserstrahls 3. In weiteren Aus führungsformen kann auch vorgesehen sein, dass auch die erste Laserstrah lungsquelle 2 einen gepulsten Laserstrahl als den ersten Laserstrahl 1 emit tiert, wobei eine Pulsdauer des ersten Laserstrahls 1 in diesem Fall größer als eine Pulsdauer des zweiten Laserstrahls 2 ist. Typischerweise ist die Pulsdauer des ersten Laserstrahls 1 hierbei um ein Vielfaches bzw. mindestens eine Grö ßenordnung länger als die Pulsdauer des zweiten Laserstrahls 3. In dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel beträgt die Pulsdauer des zweiten La serstrahls 3 weniger als 100 ps. Somit werden in der Regel infolge eines Strah lungsdrucks bzw. Photonenimpulses insbesondere bei für ein Schneiden von Blechen typischen hohen Einfallswinkeln von Laserstrahlung auf eine geneigte Schneidfront Scherkräfte induziert und eine sich ausbildende Schmelze primär im schmelzflüssigen Zustand ausgetrieben. Das beschriebene Verfahren ist daher insbesondere in der Blechbearbeitung anwendbar, d. h. zum Bearbeiten von zu Platten mit einer Dicke von typischerweise nicht mehr als 1 cm dicken gewalzten metallischen Werkstücken. Der erste Laserstrahl 1 und der zweite Laserstrahl 3 haben im dargestellten Ausführungsbeispiel einen identischen Strahldurchmesser, es können aber auch Variationen des Strahldurchmessers beider Strahlen 1, 3 um bis zu 10 Prozent des Strahls mit dem größeren Strahldurchmesser vorgesehen sein. Der zweite Laserstrahl 3 dient nicht dazu, das durch den ersten Laserstrahl ml bereits aufgeschmolzene Material des Werkstücks bis auf Siedetemperatur aufzuheizen, sondern vielmehr dem Materialaustrag 10 als Folge des wirksa men Strahlungsdrucks.
Der erste Laserstahl 1 wird in dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbei spiel mit einer Leistung im Bereich von 1 kW emittiert, während der zweite Laserstrahl 3 eine mittlere Pulsspitzenleistung von 42 MW bei einer Pulsdauer von 12 ps und einer Pulsenergie von 500 pJ aufweist. In weiteren Ausfüh rungsbeispielen kann ein Verhältnis der Leistungen zueinander (mittlere Puls spitzenleistung des zweiten Laserstrahls zur mittleren Leistung des ersten La serstrahls) auch im Bereich von 5-10° und 1-106 liegen.
Zudem kann in weiteren Ausführungsformen auch vorgesehen sein, ein Schutzgas auf die Werkstückoberfläche 6 zu führen, um den Auftreffpunkt 5 bzw. die Prozesszone von der Umgebung abzuschirmen und oxidfreie
Schneidkanten zu erzeugen. Durch eine Schutzgasdüse wird hierbei koaxial zu dem ersten Laserstrahl 1 und bzw. oder dem zweiten Laserstrahls 3 das Schutzgas auf die Werkstückoberfläche 6 aufgebracht. In einer weiteren Aus führungsform kann das Schutzgas auch über eine seitlich angeordnete, sepa rate Schutzgasdüse in die oder zur Prozesszone geführt werden. Unter einer seitlichen Anordnung soll hierbei insbesondere eine Anordnung verstanden werden, bei der das Schutzgas unter einem Winkel von 45° bis 90° gegenüber dem ersten Laserstrahl 1 und bzw. oder dem zweiten Laserstrahl 3 geneigt auf den Auftreffpunkt 5 oder die Werkstückoberfläche 6 strömt. Das beschriebe ne Verfahren kann aber, wie zuvor beschrieben, auch frei von einer Gasbeauf schlagung des Auftreffpunkts 5 durchgeführt werden, d. h. nur der zweite La serstrahl 3 ist für den Materialaustrag 10 verantwortlich.
Zudem können auch Ausführungsbeispiele vorgesehen sein, in denen der ers ter Laserstrahl 1 und der zweite Laserstrahl 3 unter verschiedenen Winkeln auf den Auftreffpunkt 5 bzw. die Werkstückoberfläche 6 gerichtet sind. Hier- bei kann sowohl auf ein Umlenkelement als auch gegebenenfalls auf ein ab lenkendes optisches Element verzichtet werden. Es ist aber ebenso möglich, den emittierten Laserstrahl 1, 3 sowohl der ersten Laserstrahlungsquelle 2 als auch der zweiten Laserstrahlungsquelle 4 durch ein der jeweiligen Laserstrah lungsquelle 2, 4 zugeordnetes abbildendes optisches Element zu formen.
Abtragende und trennende Verfahren der laserbasierten Materialbearbeitung sind dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff entlang der Bearbeitungs kontur thermisch aktiviert (Aufschmelzen, Verdampfen) werden muss und simultan hierzu aus der Bearbeitungszone auszutreiben ist. Diese zweifache Wirkung ist a priori lediglich bei solchen Anwendungen erfüllt, bei denen der Werkstoff entlang der Schnittfuge verdampft wird. Der Anwendungsbereich dieser Verfahrensvariante ist damit auf solche Werkstoffe begrenzt, die keine ausgeprägte Schmelzphase aufweisen. Für alle anderen Werkstoffe ist eine verdampfungsbasierte Prozessführung aufgrund thermischer Wechselwirkun gen nicht realisierbar bzw. energetisch nicht sinnvoll anzuwenden.
Eine thermische Aktivierung des Wechselwirkungsvolumens bei einem gleich zeitigen Materialaustrieb bzw. Werkstoffaustrieb wird unter Verwendung von pw-Laserstrahlquellen wie der zweiten Laserstrahlungsquelle 4 erreicht. Die einer solchen Prozessführung zugrundeliegenden Wechselwirkungsphänome ne sind abhängig von der verfügbaren Pulsenergie bzw. Pulsenergiestromdich te (Fluenz) und der Pulsdauer. Die Pulsdauer bestimmt hierbei nicht nur die Dauer der Prozessphase für den Energieeintrag in den Werkstoff sowie die während der Pulsphase wirksame Leistungsdichte (Intensität der Laserstrah lung), sondern auch das Ausmaß der Wärmeleitung in den an die unmittelbare Prozesszone angrenzenden Grundwerkstoff. Gleichzeitig hat die Pulsdauer einen wesentlichen Einfluss auf die wirksamen Triebkräfte für den Material austrieb 10, da letztere insbesondere durch die Pulsleistung als Verhältnis von Pulsenergie zu Pulsdauer bzw. die Pulsintensität als Verhältnis von Pulsleis tung zu Wechselwirkungsfläche (Fokusgröße) bestimmt werden.
Bei einer Prozessführung mit Pulsdauern im Bereich > 1 ns spielen Wärmelei tungsprozesse noch eine maßgebliche Rolle für die Prozesscharakteristik. In der Regel wird nur ein Teil der generierten Schmelze ausgetrieben und es ver- bleibt ein Anteil Restschmelze am Werkstoff, der zu einer Minderung der Be arbeitungsqualität (Grat, Schmelzanhaftungen) führt. Eine Erhöhung der Be arbeitungsqualität kann mit einer Verkürzung der Pulsdauer erreicht werden.
Das Wirkprinzip des vorgestellten hybriden Lösungsansatzes beruht darauf, dass die Energie des cw-Laserstrahls primär zum Aufschmelzen des Werkstoffs entlang einer Bearbeitungsbahn genutzt wird, während simultan bzw. gleich zeitig die Beaufschlagung der Prozesszone mit Laserstrahlpulsen des zweiten Laserstrahls 3 einen Austrieb des geschmolzenen Werkstoffes bewirkt. Infolge der vorgeschlagenen synergetischen Kopplung wird es möglich, dass bisher ausschließlich mit einer pw-Strahlquelle ausgeführte Abtrags- und Trennpro zesse thermisch effizienter und mit einer erhöhten Abtragungsrate realisiert werden können. Andererseits wird es möglich, dass bisher ausschließlich mit einer cw-Strahlquelle ausgeführte Abtrags- und Trennprozesse ohne zusätzli ches Prozessgas realisiert werden können, wodurch einerseits die Betriebs und Fertigungskosten gesenkt werden können und andererseits eine höhere Flexibilität für die Bearbeitung erreicht werden kann. Gase können in Funktion eines Schutzgases jedoch für eine Abschirmung der Prozesszone von der At mosphäre eingesetzt werden.
Figur 2 zeigt in einer Figur 1 entsprechenden Ansicht ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Parameter des ersten Laserstrahls 1 derart gewählt wurden, dass das Werkstück nicht komplett getrennt wird, sondern nur eingeschnitten wird, wobei der Materialaustrag 10 nun vom Werkstück weggerichtet und primär in einer Richtung entgegengesetzt der Bearbeitungsrichtung erfolgt. Wiederkehrende Merkmale sind in dieser Figur mit identischen Bezugszeichen wie in Figur 1 versehen.
Lediglich in den Ausführungsbeispielen offenbarte Merkmale der verschiede nen Ausführungsformen können miteinander kombiniert und einzeln bean sprucht werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Lasermaterialbearbeitung eines Werkstücks mittels Pho tonenimpuls, bei dem ein erster Laserstrahl (1) aus einer ersten Laserstrahlungsquelle (2) und ein zweiter Laserstrahl (3) aus einer zweiten Laserstrahlungsquelle (4) auf einen gemeinsamen Auftreffpunkt (5) auf einer zu bearbeitenden Werkstückoberfläche (6) oder in einen mit dem ersten Laserstrahl (1) aufgeschmolzenen Werkstoff des Werkstücks gerichtet werden, so dass durch den ersten Laserstrahl (1) ein Aufschmelzen (9) der Werkstück oberfläche (6) oder des Werkstoffs und durch den zweiten Laserstrahl (3) ein Werkstoffaustrieb (10) erreicht wird, wobei eine Einwirkzeit des zweiten Laserstrahls (3) kürzer ist als eine Einwirk zeit des ersten Laserstrahls (1).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Laserstrahl (3) als gepulster Laserstrahl von der zweiten Laserstrah lungsquelle (4) emittiert wird und der erste Laserstrahl (1) als kontinu ierlicher Laserstrahl von der ersten Laserstrahlungsquelle (2) emittiert wird oder der erste Laserstrahl (1) als gepulster Laserstrahl mit einer Pulsdauer von der ersten Laserstrahlungsquelle (2) emittiert wird, die größer ist als eine Pulsdauer des zweiten Laserstrahls (3).
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Laserstrahl (1) und der zweite Laserstrahl (3) durch min- destens ein abbildendes optisches Element (7) auf die Werkstückober fläche (6) gerichtet werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Laserstrahl (1) und/oder der zweite Laserstrahl (3) durch ein zwischen dem abbildenden optischen Element (7) sowie der ersten Laserstrah lungsquelle (2) und der zweiten Laserstrahlungsquelle (4) angeordne tes optisches Umlenkelement (8) geführt werden und durch das opti sche Umlenkelement (8) überlagert werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das opti sche Umlenkelement (8) als ein Strahlteiler oder ein dichroitischer Spiegel ausgebildet ist.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass der erste Laserstrahl (1) mit einer Leistung im Be reich von 0,1 kW bis 20 kW emittiert wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass der zweite Laserstrahl (3) mit einer Pulsspitzenleis tung von 0,1 MW bis 100 MW emittiert wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass ein Schutzgas für eine Abschirmung des Auftreff punkts auf die Werkstückoberfläche geführt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass der zweite Laserstrahl (3) mit einer Pulsdauer von weniger als 10 ps, vorzugsweise mit einer Pulsdauer von weniger als 10 ns, besonders vorzugsweise mit einer Pulsdauer von weniger als 10 ps emittiert wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass der zweite Laserstrahl (3) mit einer Pulswiederhol frequenz zwischen 1 kHz und 10 MHz, vorzugsweise zwischen 5 kHz und 5 MHz, emittiert wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass der erste Laserstrahl (1) und/oder der zweite Laser strahl (3) mit einer Pulsenergie zwischen 5 pJ und 500 mJ, vorzugswei se zwischen 50 pJ und 100 mJ emittiert wird/werden.
12. Vorrichtung zur Lasermaterialbearbeitung eines Werkstücks mittels Photonenimpuls mit einer ersten Laserstrahlungsquelle (2) zum Emittieren eines ersten La serstrahls (1) und einer zweiten Laserstrahlungsquelle (4) zum Emittieren eines zweiten Laserstrahls (3), wobei die erste Laserstrahlungsquelle (2) und die zweite Laserstrahlungsquel le (4) eingerichtet sind, den ersten Laserstrahl (1) und den zweiten La serstrahl (3) auf einen gemeinsamen Auftreffpunkt (5) auf einer zu be arbeitenden Werkstückoberfläche (6) oder in einen mit dem ersten La serstrahl (1) aufgeschmolzenen Werkstoff des Werkstücks zu richten, so dass durch den ersten Laserstrahl (1) ein Aufschmelzen (9) der Werkstück oberfläche (6) oder des Werkstoffs und durch den zweiten Laserstrahl (3) ein Werkstoffaustrieb (10) erreicht wird, wobei eine Einwirkzeit des zweiten Laserstrahls (3) kürzer ist als eine Einwirk zeit des ersten Laserstrahls (1).
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