WO2020239328A1 - Automatische materialerkennung mit laser - Google Patents

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WO2020239328A1
WO2020239328A1 PCT/EP2020/061154 EP2020061154W WO2020239328A1 WO 2020239328 A1 WO2020239328 A1 WO 2020239328A1 EP 2020061154 W EP2020061154 W EP 2020061154W WO 2020239328 A1 WO2020239328 A1 WO 2020239328A1
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laser
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Anna HÖRNER
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Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
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    • B23K31/00—Processes relevant to this subclass, specially adapted for particular articles or purposes, but not covered by any single one of main groups B23K1/00 - B23K28/00
    • B23K31/12—Processes relevant to this subclass, specially adapted for particular articles or purposes, but not covered by any single one of main groups B23K1/00 - B23K28/00 relating to investigating the properties, e.g. the weldability, of materials

Definitions

  • the invention relates to a method for determining a material property of a by means of a
  • Laser processing machine to be processed, in particular plate-shaped, workpiece and / or a
  • the parameters to be set are among other things depending on the
  • Material composition of the material to be processed and its material quality for example one
  • the invention is therefore based on the object of remedying the stated disadvantages of the prior art.
  • Puncture time of the laser beam through the workpiece a measured variable is detected, and a
  • the workpiece can for example be a sheet metal and in particular a good part and / or a bad part.
  • the laser beam is used to pierce the workpiece at a measuring point until a breakthrough is produced in the workpiece.
  • Puncture time reached. At this point in time, a measured variable is recorded which is associated with a
  • the material property of the workpiece can accordingly be characterized using the measured variable without a comparatively complex and expensive one
  • the material property can in particular be a material composition, a material thickness, a cutting edge quality and / or a material quality (Surface property (e.g. oxidized or dirty surface) or batch quality).
  • a material composition e.g. oxidized or dirty surface
  • a material quality e.g. oxidized or dirty surface
  • Machine property can, for example, be a nozzle condition (e.g. dirty nozzle) or a nozzle condition (e.g. dirty nozzle) or a nozzle condition (e.g. dirty nozzle) or a nozzle condition (e.g. dirty nozzle) or a nozzle condition (e.g. dirty nozzle) or a nozzle condition (e.g. dirty nozzle) or a nozzle condition (e.g. dirty nozzle) or a nozzle condition (e.g. dirty nozzle) or a nozzle condition (e.g. dirty nozzle) or a nozzle condition (e.g. dirty nozzle) or a nozzle condition (e.g. dirty nozzle) or a nozzle condition (e.g. dirty nozzle) or a nozzle condition (e.g. dirty nozzle) or a nozzle condition (e.g. dirty nozzle) or a nozzle condition (e.g. dirty nozzle) or a nozzle condition (e.g. dirty nozzle) or a nozzle condition (
  • the optical condition e.g. heated or dirty optics of the laser processing machine.
  • the invention is based on the following knowledge:
  • a laser beam of specific energy is directed onto a workpiece, a specific energy input is directed into the workpiece. If the laser intensity is sufficient, the material melts or sublimates. How quickly the material melts or sublimates, among other things
  • a measured variable at the time of penetration can provide information about a material property of the workpiece and / or a machine property of the
  • the correlation between measured variable and material property or machine property can be via a correlation model, for example via a mathematical / analytical model, an algorithm or a metamodel and / or a
  • the workpiece can be plate-shaped or three-dimensional (e.g. deep-drawn component), provided that the
  • the measured variable is the duration of the laser irradiation on the workpiece.
  • the piercing duration is the duration of the start of the laser irradiation on the workpiece.
  • Period of time can be measured during which the laser beam irradiates the workpiece.
  • the piercing time correlates in particular with different workpiece and
  • the piercing duration can vary with the thickness of the workpiece at the measuring point, with the
  • the piercing time is known in advance. If, for example, the workpiece thickness (determined manually or via a sensor), focus position and workpiece temperature are known in advance, the piercing time
  • a mathematical / analytical model, an algorithm / a metamodel and / or an artificial intelligence can be used to infer the material composition of the workpiece.
  • a correlation model can consequently be based on at least one, in particular a number, known / known parameters (for example workpiece thickness) of the machining system after measuring and taking into account the piercing duration unknown parameters (e.g. material composition).
  • the puncture time can be correlated with the material composition of the workpiece, so that conclusions can be drawn about the material composition from the piercing time using a correlation model.
  • sensors for example spectroscopic sensors
  • the workpiece thickness at the measuring point can be deduced from a known material composition of the workpiece using a correlation model.
  • known model parameters and known expected ones are known model parameters and known expected ones
  • An advantageous embodiment of the invention provides that a laser intensity of the irradiated laser beam is increased over the duration of the laser irradiation on the workpiece.
  • the power of the laser and the associated intensity of the emitted laser beam can be increased linearly (ramped up). Consequently, the
  • the intensity of the laser radiation can be increased by an amount x mW / s. Above a threshold intensity, the workpiece heats up so that the material of the workpiece either melts or sublimates (e.g. in the case of
  • the measured variable is the laser intensity and / or one that characterizes the laser intensity
  • Measured variable at the point of puncture is.
  • the performance of the Lasers or the laser intensity at the point of penetration correlate directly with the energy input and thus the energy for melting or sublimating the material. This means that the amount of energy from the laser is am
  • the material composition of the workpiece can be inferred.
  • Laser light can be increased over the piercing time, for example linearly, the intensity of the laser light or the power of the laser being measured during penetration and the material property of the workpiece and / or a machine property of the
  • Laser processing machine is assigned.
  • the increase in power / intensity over time can in turn be linear (increase by X mW / s).
  • X mW / s there is consequently no need for expensive spectroscopy methods to determine the material of the
  • the measured variable is the temperature at the point of puncture and / or the energy input of the
  • Laser beam is at the point of puncture. According to this
  • a sensor for measuring the temperature at the point of puncture can consequently be provided.
  • the temperature can consequently at Puncture time can be recognized directly.
  • a correlation model can, for example, be based on the
  • Manufacturing tolerances is constant. A standard deviation and / or a variance of the
  • the measured variable can be determined. If the measured variable is designed as a piercing duration, then a
  • Variance / standard deviation of the piercing time can be determined. Similarly, when determining the
  • Laser beam intensity / laser power at the point of puncture a corresponding variance or standard deviation of the laser beam intensity / laser power can be determined.
  • the measurand can be called temperature or is designed as an energy input during the puncture, a corresponding variance / standard deviation of the temperature / of the energy input at the puncture time can be determined.
  • the thickness of the workpiece is constant. Furthermore, it is assumed that the workpiece has no global material composition differences, but rather local differences at best, so that the
  • Deviations between the measured variables should be comparatively small. Consequently, there may initially be a difference the measured variables determined (e.g. piercing time, laser intensity / laser power at the time of piercing,
  • the action is to sort out the workpiece.
  • Laser processing machine can indicate.
  • the action could be maintenance work, which is carried out, for example, by the laser processing machine or an operator to rectify the problem.
  • the maintenance work can e.g. be an exchange of cutting gases, dirty nozzle or optics, cooling water or other consumables. Additionally or alternatively, a
  • Device parts of the laser processing machine such as the drives, sensors, take place.
  • the puncture time is preferably determined by detecting light emitted or reflected by the workpiece.
  • Puncture time are regularly in Laser processing machines already installed.
  • One possible method is disclosed, for example, in DE 10 2010 028 179 A1, the disclosure content of which is fully incorporated into the present patent application.
  • the process light generated is monitored when the workpiece is pierced.
  • the process light is the glow of the hot workpiece when it is melted by the laser radiation during piercing.
  • the measurement intensity of the process light collapses when that
  • the detected signal intensity breaks the reflected laser radiation.
  • Solid-state lasers for example fiber, disk, rod, diode
  • fiber, disk, rod, diode which emit in the near infrared
  • a back reflection sensor system can also be used regularly. Such a detection of the reaching of the puncture time is comparatively simple, inexpensive and reliable.
  • a particularly preferred development of the invention results from a method for processing a
  • Cutting parameters can be stored for the respective material.
  • Invention results from a method of control a, in particular plate-shaped, workpiece that
  • incorrect / defective workpieces can be recognized by the control and / or contamination can be determined in a material of the workpiece.
  • the reference value can consequently in particular represent a nominal value of the measured variable if the material has a nominal composition.
  • a deviation in the measured variable can consequently in particular represent a nominal value of the measured variable if the material has a nominal composition.
  • the piercing time for a material with the target composition can be known. If it is only intended to determine whether there is a sufficiently small deviation from the target composition, then it can
  • a puncture measurement can be carried out.
  • This power can be x mW below the already determined laser power for piercing the material of the workpiece. Thereafter, the laser power can be increased by an amount z mW / s up to the point of penetration. However, it would also be conceivable to initially increase the laser power comparatively quickly and then comparatively slowly by an amount x mW in the range of the expected laser power at the expected puncture time.
  • the method comprises the further step:
  • the action can be, for example, to sort out the workpiece if the detected deviation of the measured variable from the target measured variable exceeds a limit value
  • Exceeding the limit value can mean that the quality of the material is insufficient, for example due to excessive contamination or that the wrong workpiece has been selected.
  • the object on which the invention is based is also achieved by a control device designed and set up to carry out a method according to the invention.
  • the object on which the invention is based is also achieved by a laser processing machine comprising a control device according to the invention.
  • FIG. 1 schematic representation of a
  • FIG. 2 flow diagram of a method according to a
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a laser power versus a piercing time in a method according to FIG. 2.
  • FIG. 1 shows a laser processing machine 1 which is used for cutting, in particular plate-shaped, workpieces 2, for example sheet metal and in particular good parts and / or bad parts, by means of laser radiation 3.
  • the laser processing machine 1 comprises a
  • Solid-state laser for example of the YAG type
  • the laser radiation 3 with a for
  • Laser material processing suitable laser wavelength for example in the range of approx. 1 gm, in particular for example approx. 1.06 gm or approx. 1.03 gm, as well as a pump source 5 implemented, for example, by laser diodes for pumping the laser source 4 with a to it Excitation suitable pump radiation 6, such as 808 nm.
  • the laser radiation 3 is coupled into an optical transport fiber 8 via coupling optics 7 and, therein, to a movable laser processing head 9 of
  • Laser processing head 9 the laser radiation 3 is coupled out of the transport fiber 8 and via a
  • Collimation optics 10 and focusing optics 11 are focused on workpiece 2.
  • these optics 7, 10, 11 are shown as lenses only by way of example.
  • the beam path of the laser radiation 3 from the laser source 4 to the, in particular plate-shaped, workpiece 2 to be processed is a total of 12
  • the linear ones arranged one behind the other Collimation and focusing optics 10, 11 allow a linear design in the direction of the optical axis
  • the process of piercing the laser radiation 3 into the workpiece 2 is monitored by means of the visible process light 13 that is generated on the workpiece 2 during the laser machining.
  • the process light 13 and also the laser and pump radiation reflected on the workpiece 2 or on other optical surfaces run along the beam path 12 back in the direction of the laser source 4.
  • an optical decoupling element in the form of a
  • Workpiece 2 reflected laser and pump radiation as well as the process light 13 coming from workpiece 2 is partially decoupled and directed onto a wavelength-sensitive detector (for example a photodiode) 15.
  • a wavelength-sensitive detector for example a photodiode
  • the partially transparent mirror 14 is arranged at 45 ° in the beam path 12 and is essentially transparent to the laser radiation 3 coming from the laser source 4. in the
  • partially transparent mirror 14 also coupled out Laser and pump radiation are the things to be evaluated
  • the pump radiation filter 17 can also be at any other point in the beam path of the process light 13
  • the process light 13 is generated on the workpiece 2 in a comparatively high proportion.
  • the proportion of process light 13 drops immediately with the formation of an opening in the form of a piercing hole, that is to say a laser beam exit on the underside of the workpiece.
  • the laser processing machine 1 then becomes
  • a first step 24 In order to find out which material the workpiece 2 is made of, its thickness d (see FIG. 1) is determined in a first step 24. This determination can take place manually or automatically via a sensor. It would also be conceivable that the thickness d is already known in advance and is stored in a control device 18 of the laser processing machine.
  • Laser processing machine 1 generates a laser beam 3 and pierces the workpiece 2 at a measuring location 19.
  • the focus position and focus size are kept constant.
  • the parameters of the cutting gas are also kept constant.
  • the power of the laser and thus also the intensity of the laser are increased, in particular linearly, over the irradiation time. Consequently, a certain amount of energy is introduced into the workpiece 2.
  • the material melts (see FIG. 3: piercing time t e , s MP and laser power P SMp at the melting point). How fast the material melts depends on the respective energy input in a certain volume. If the material is completely melted, it will break through
  • the process light 13 is generated in a comparatively high proportion.
  • the proportion of the process light 13 falls
  • the piercing duration t e , D for the piercing process is measured in step 26 (see FIG. 3).
  • the piercing time t e , D is the time during which the laser radiation
  • Laser processing machine 1 is determined. It is conceivable that during a piercing process the intensity of the laser is increased by an amount x mW / s and the time until the piercing, that is to say the piercing duration t e, D /, is measured. The measurement begins as soon as the laser radiation 3 shines on the workpiece 2.
  • step 28 at least one piece of user information can then be determined from the determined puncture duration using a model will.
  • This model can take known (processing) parameters into account and determine an unknown parameter from them.
  • Known parameters can in particular be the thickness d of the pierced workpiece section, determined in step 24, the workpiece temperature and / or the focus position.
  • the piercing duration measured in step 26 is taken into account.
  • This unknown parameter can in particular be the material composition of the pierced workpiece section.
  • a correlation model can be known in particular by performing a number of tests on workpieces
  • compositions for example a modified one Carbon content or impurities change the
  • Alloy compositions have different melting points.
  • the melting temperature clearly defines a certain material. If the material is heated to the melting point with laser radiation 3, this leads to the laser piercing the material. This means that known processing parameters (in particular the determined
  • Machining parameters are called up by means of the control device 18 in step 30 in order to cut the workpiece 2 by means of the laser cutting machine 1 onto the material of the
  • Workpiece 2 adapted optimal cutting parameters.
  • Material composition of the workpiece 2 can be determined from a target material composition and thus a material defect can be recognized.
  • the quality of a workpiece 2 can be determined or the presence of impurities in the workpiece 2 can be determined.
  • a different material composition of the workpiece 2 than expected leads to a change in the
  • the workpiece 2 can either be sorted out or an adaptation of the
  • Cutting parameters can be carried out on the changed material composition.
  • Workpiece thickness) to an unknown parameter, in particular a material composition of the measured workpiece 2 can be closed.
  • a material composition of a workpiece 2 can be automatically and cost-effectively determined by means of the laser processing machine 1.
  • the parameters for laser cutting can be specifically adapted to the material of the workpiece determined.
  • Deviation in the material quality from a target value can be determined, so that overall the

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Abstract

Verfahren zur Ermittlung einer Materialeigenschaft eines mittels einer Laserbearbeitungsmaschine zu bearbeitenden, insbesondere plattenförmigen, Werkstücks, wobei mit einem mittels der Laserbearbeitungsmaschine erzeugten Laserstrahls in das Werkstück eingestochen wird, und wobei an einem Durchstichzeitpunkt eine Messgröße erfasst wird, die mit der Materialeigenschaft des Werkstücks korreliert.

Description

Titel : Automatische Materialerkennung mit Laser
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung einer Materialeigenschaft eines mittels einer
Laserbearbeitungsmaschine zu bearbeitenden, insbesondere plattenförmigen, Werkstücks und/oder einer
Maschineneigenschaft der Laserbearbeitungsmaschine.
Werkstücke unterschiedlichster Materialien können
heutzutage mittels Laserbearbeitungsmaschinen bearbeitet werden. Für die optimale Bearbeitung der Materialien, aus denen die Werkstücke bestehen, müssen dabei
unterschiedliche Parameter für den Bearbeitungsprozess eingestellt werden. Die einzustellenden Parameter sind dabei unter anderem abhängig von der
Materialzusammensetzung des zu bearbeitenden Materials und dessen Materialqualität, beispielsweise einem
Kohlenstoffanteil in einem Stahlwerkstück oder einer
Materialzusammensetzung an der Materialoberfläche, sowie der Materialdicke. Weicht die Qualität des Materials von einer Soll-Qualität ab oder verwechselt ein Arbeiter das Material des Werkstücks und die dazugehörigen
Einstellungen, so kann dies vergleichsweise große
Auswirkungen auf die Bearbeitungsqualität haben, so dass beispielsweise Folgeschäden und/oder Folgekosten entstehen können .
Aus der DE 10 2010 028 270 Al sowie der DE 39 18 618 Al ist eine Spektralanalyse des Plasmas beim Einstechen eines Laserstrahls in ein Werkstück vorbekannt, um so das
Material des Werkstücks zu ermitteln. Eine derartige
Analyse ist allerdings vergleichsweise aufwendig und teuer und bedarf einer vergleichsweise teuren Zusatzausrüstung an einer Laserbearbeitungsmaschine.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, den genannten Nachteilen des Standes der Technik abzuhelfen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorgeschlagen wird demnach zunächst ein Verfahren zur Ermittlung einer Materialeigenschaft eines mittels einer Laserbearbeitungsmaschine zu
bearbeitenden, insbesondere plattenförmigen, Werkstücks und/oder einer Maschineneigenschaft der Laserbearbeitungsmaschine, wobei mit einem mittels der Laserbearbeitungsmaschine erzeugten Laserstrahl in das Werkstück eingestochen wird, wobei an einem
Durchstichzeitpunkt des Laserstrahls durch das Werkstück eine Messgröße erfasst wird, und wobei über eine
Korrelation zwischen der Messgröße und der
Materialeigenschaft bzw. der Maschineneigenschaft die
Materialeigenschaft bzw. die Maschineneigenschaft ermitteln wird. Das Werkstück kann beispielsweise ein Blech sein und insbesondere ein Gutteil und/oder Schlechtteil.
Erfindungsgemäß wird mittels des Laserstrahls an einem Messpunkt in das Werkstück eingestochen und zwar solange, bis ein Durchbruch im Werkstück erzeugt wird. Wenn der Laserstrahl das Werkstück durchbricht, ist der
Durchstichzeitpunkt erreicht. An diesem Durchstichzeitpunkt wird eine Messgröße erfasst, die mit einer
Materialeigenschaft des Werkstücks und/oder einer
Maschineneigenschaft der Laserbearbeitungsmaschine
korreliert. Daraus kann folglich auf die
Materialeigenschaft des Werkstücks und/oder die
Maschineneigenschaft der Laserbearbeitungsmaschine
geschlossen werden. Die Materialeigenschaft des Werkstücks kann demnach über die Messgröße charakterisiert werden, ohne eine vergleichsweise aufwendige und teure
spektroskopische Untersuchung durchführen zu müssen.
Bei der Materialeigenschaft kann es sich insbesondere um eine Materialzusammensetzung, eine Materialdicke, eine Schneidkantenqualität und/oder eine Materialqualität (Oberflächeneigenschaft (z.B. oxidierte oder verschmutzte Oberfläche) oder Chargenqualität) handeln. Bei der
Maschineneigenschaft kann es sich beispielsweise um einen Düsenzustand (z.B. verschmutzte Düse) oder einen
Optikzustand (z.B. erwärmte oder verschmutzte Optik) der Laserbearbeitungsmaschine handeln .
Der Erfindung liegt dabei folgende Erkenntnis zugrunde:
Wird ein Laserstrahl bestimmter Energie auf ein Werkstück gerichtet, so wird ein bestimmter Energieeintrag in das Werkstück geleitet. Bei hinreichender Laserintensität schmilzt bzw. sublimiert das Material. Wie schnell das Material schmilzt bzw. sublimiert ist unter anderem
abhängig vom jeweiligen Energieeintrag in einem bestimmten Volumen sowie der Dicke des Werkstücks. Ist das Material komplett geschmolzen bzw. sublimiert, durchstößt der
Lichtstrahl das Material. Folglich kann eine Messgröße am Durchstoßzeitpunkt Aufschluss auf eine Materialeigenschaft des Werkstücks und/oder eine Maschineneigenschaft der
Laserbearbeitungsmaschine geben.
Die Korrelation zwischen Messgröße und Materialeigenschaft bzw. Maschineneigenschaft kann über ein Korrelationsmodell, beispielsweise über ein mathematisches/analytisches Modell, einen Algorithmus bzw. ein Metamodell und/oder eine
künstliche Intelligenz erfolgen.
Das Werkstück kann dabei plattenförmig oder dreidimensional (bspw. Tiefziehbauteil ) sein, vorausgesetzt, dass die
Einstechmessungen an Werkstückabschnitten mit (innerhalb der Fertigungstoleranzen) bekannter Werkstückdicke
durchgeführt werden.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Messgröße die Einstechdauer der Lasereinstrahlung auf das Werkstück ist. Die Einstechdauer ist dabei die Zeitdauer des Beginns der Lasereinstrahlung auf das
Werkstück bis zum Durchstoß der Laserstrahlung durch das Werkstück am Durchstichzeitpunkt. Folglich kann die
Zeitdauer gemessen werden, während der der Laserstrahl auf das Werkstück einstrahlt. Die Einstechdauer korreliert dabei insbesondere mit verschiedenen Werkstück- und
Maschinenparametern. Beispielsweise kann die Einstechdauer mit der Dicke des Werkstücks am Messpunkt, mit der
Materialzusammensetzung am Messpunkt und/oder mit der
Werkstücktemperatur korrelieren. Ferner kann die
Einstechdauer beispielsweise mit der Fokuslage der
Laserbearbeitungsmaschine korrelieren.
Sind beispielsweise Werkstückdicke (manuell oder über einen Sensor ermittelt) , Fokuslage und Werkstücktemperatur vorbekannt, so kann anhand der Einstechdauer,
beispielsweise über ein mathematisches/analytisches Modell, einen Algorithmus/ein Metamodell und/oder eine künstliche Intelligenz, auf die Materialzusammensetzung des Werkstücks geschlossen werden.
Ein Korrelationsmodell kann folglich aus wenigstens einem, insbesondere einer Anzahl, bekannten/bekannter Parameter (bspw. Werkstückdicke) des Bearbeitungssystems nach Messung und Berücksichtigung der Einstechdauer auf einen unbekannten Parameter (bspw. Materialzusammensetzung) schließen .
Die Einstechdauer bei gleichbleibenden Maschinenparametern und Materialdicken hängt bei verschiedenen
Materialzusammensetzungen insbesondere von der
Schmelztemperatur, der materialabhängigen Wärmekapazität, der Wärmeleitfähigkeit und der Dichte ab, so dass daraus insgesamt auf eine Materialzusammensetzung geschlossen werden kann. Hierzu können Messreihen durchgeführt werden, um spezifische Einstechdauern bei Werkstücken mit bekannten Eigenschaften unter bekannten Maschinenparametern zu ermitteln und daraus ein Korrelationsmodell zu entwickeln.
Insgesamt kann die Zeitdauer des Beginns einer Messung bis zum Durchstoß des Lasers durch das Werkstück am
Durchstichzeitpunkt mit der Materialzusammensetzung des Werkstücks korreliert werden, sodass aus der Einstechdauer über ein Korrelationsmodell auf die Materialzusammensetzung geschlossen werden kann. Es bedarf folglich keiner teuren Sensorik, beispielsweise Spektroskopiesensorik, um die Materialzusammensetzung zu bestimmen. Vielmehr ist es ausreichend, die Einstechdauer zu ermitteln und über ein Korrelationsmodell auf die Materialzusammensetzung zu schließen .
Umgekehrt wäre auch denkbar, dass beispielsweise aus einer bekannten Materialzusammensetzung des Werkstücks über ein Korrelationsmodell auf die Werkstückdicke am Messpunkt geschlossen wird. In einem einfachen Fall wäre auch denkbar, bei bekannten Modellparametern und bekannter erwarteter
Materialzusammensetzung bei einer Abweichung von einer gemessenen Einstechdauer von der erwarteten Einstechdauer auf einen Materialfehler bzw. ein falsches Werkstück des vermessenen Werkstücks zu schließen. Eine weitere
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass eine Laserintensität des eingestrahlten Laserstrahls über die Dauer der Lasereinstrahlung auf das Werkstück erhöht wird. Die Leistung des Lasers und die damit einhergehende Intensität des ausgestrahlten Laserstrahls kann dabei linear erhöht (hochgerampt ) werden. Folglich kann die
Intensität der Laserstrahlung um einen Betrag x mW/s erhöht werden. Ab einer Grenzintensität erhitzt sich dabei das Werkstück, sodass das Material des Werkstücks entweder schmilzt oder sublimiert (bspw. im Fall von
Ultrakurzpulslasern) . Dadurch kann durch die Einstechdauer über ein Korrelationsmodell beispielsweise auf die
Materialzusammensetzung geschlossen werden. Denkbar ist unter Umständen auch, dass der Anstieg der Leistung und damit der Laserintensität nicht linear zur Zeit ist, was dann im Korrelationsmodell zu berücksichtigen ist. Dabei wäre dann beispielsweise denkbar, die Laserleistung
zunächst rasch zu erhöhen und diese ab einer bestimmten Grenzleistung langsamer zu steigern.
Denkbar ist auch, dass die Messgröße die Laserintensität und/oder eine die Laserintensität charakterisierende
Messgröße am Durchstichzeitpunkt ist. Die Leistung des Lasers bzw. die Laserintensität am Durchstoßzeitpunkt korrelieren direkt mit dem Energieeintrag und damit der Energie zum Schmelzen bzw. Sublimieren des Materials. Dies bedeutet, dass der Energiebetrag des Lasers am
Durchstoßzeitpunkt ebenfalls mit einer Material- oder
Maschineneigenschaft korrelieren kann. Dadurch kann
ebenfalls aufgrund der Intensität des Laserlichts bzw. der Leistung des Lasers beim Durchstoßzeitpunkt beispielsweise auf die Materialzusammensetzung des Werkstücks geschlossen werden. Dabei kann insbesondere wiederum die Leistung des Lasers und die damit einhergehende Intensität des
Laserlichts über die Einstechdauer, beispielsweise linear, erhöht werden, wobei beim Durchstoß die Intensität des Laserlichts bzw. die Leistung des Lasers gemessen wird und über ein Korrelationsmodell der Materialeigenschaft des Werkstücks und/oder einer Maschineneigenschaft der
Laserbearbeitungsmaschine zugeordnet wird. Die Erhöhung der Leistung/ Intensität über die Zeit kann wiederum linear sein (Erhöhung um X mW/s) . Auch hier bedarf es folglich keiner teuren Spektroskopiemethoden, um das Material des
Werkstücks zu bestimmen. Vielmehr ist es ausreichend, die Laserintensität bzw. die Laserleistung am
Durchstoßzeitpunkt zu messen.
Denkbar wäre auch, dass die Messgröße die Temperatur am Durchstichzeitpunkt und/oder der Energieeintrag des
Laserstrahls am Durchstichzeitpunkt ist. Gemäß dieser
Ausführungsform kann folglich ein Sensor zur Messung der Temperatur am Durchstichzeitpunkt vorgesehen werden. Bei einem derartigen Sensor kann folglich die Temperatur am Durchstoßzeitpunkt direkt erkannt werden. Auch hier kann durch ein Korrelationsmodell beispielsweise auf die
Materialzusammensetzung des Werkstücks und/oder eine
Maschineneigenschaft der Laserbearbeitungsmaschine
geschlossen werden. Denkbar wäre andererseits auch, einen Sensor vorzusehen, um den Energieeintrag des Laserstrahls am Durchstichzeitpunkt zu messen. Denkbar wäre demnach eine Sensierung des Energieeintrags am Durchstoßzeitpunkt und eine Korrelierung zur Ermittlung der
Materialzusammensetzung des Werkstücks und/oder einer
Maschineneigenschaft der Laserbearbeitungsmaschine.
Besonders bevorzugt ist weiter, wenn mehrere Einstiche durchgeführt werden, wobei eine Standardabweichung und/oder eine Varianz der erhaltenen Messgröße ermittelt wird.
Denkbar wäre auch die Ermittlung eines zur
Standardabweichung bzw. zur Varianz äquivalenten Maßes. Dabei wird davon ausgegangen, dass die Dicke des Werkstücks im vermessenen Bereich konstant bzw. im Rahmen der
Fertigungstoleranzen konstant ist. Über mehrere Einstiche an unterschiedlichen Messpunkten des Werkstücks kann so eine Standardabweichung und/oder eine Varianz der
erhaltenen Messgröße ermittelt werden. Ist die Messgröße als Einstechdauer ausgebildet, so kann folglich eine
Varianz/Standardabweichung der Einstechdauer ermittelt werden. Gleichermaßen kann bei einer Bestimmung der
Laserstrahlintensität/Laserleistung am Durchstichzeitpunkt eine entsprechende Varianz bzw. Standardabweichung der Laserstrahlintensität/Laserleistung ermittelt werden.
Schließlich kann, wenn die Messgröße als Temperatur oder als Energieeintrag beim Durchstich ausgebildet ist, eine entsprechende Varianz/Standardabweichung der Temperatur/des Energieeintrags beim Durchstichzeitpunkt ermittelt werden.
Zur Ermittlung der Materialart ist dabei auch denkbar, in einem ersten Schritt zunächst die Leistung des Lasers über die Zeit vergleichsweise rasch hochzuregulieren und die Messgröße beim Durchstoßzeitpunkt zu speichern. Für weitere Messungen kann dann die Varianz/Standardabweichung der ersten Messung eingegrenzt werden, um so über die
Kombination einer ersten schnellen Messung mit langsameren darauffolgenden Messungen die Varianz/Standardabweichung des Materials zu bestimmen.
Denkbar ist, dass über die Varianz/Standardabweichung über ein Korrelationsmodell auf eine Schneidkantenqualität geschlossen wird. Dabei kann eine geringe
Varianz/Standardabweichung insbesondere mit einer guten Schneidkantenqualität korrelieren.
Vorteilhaft ist auch, wenn die Differenz der ermittelten Messgrößen zweier Messungen ermittelt wird, und darauf basierend eine Aktion ausgelöst wird, wenn die Differenz einen Grenzwert überschreitet. Dabei wird davon
ausgegangen, dass die Dicke des Werkstücks konstant ist. Ferner wird davon ausgegangen, dass das Werkstück keine globalen Materialzusammensetzungsunterschiede aufweist, sondern allenfalls lokale Unterschiede, so dass die
Abweichung der Messgrößen zueinander vergleichsweise klein ausfallen sollten. Folglich kann zunächst eine Differenz der ermittelten Messgrößen (beispielsweise Einstechdauer, Laserintensität/Laserleistung am Durchstichzeitpunkt,
Energieeintrag/Temperatur am Durchstichzeitpunkt) ermittelt werden. Wenn diese Differenz einen Grenzwert überschreitet, beispielsweise eine zu große prozentuale Abweichung
vorhanden ist, so dann darauf basierend eine Aktion
ausgelöst werden. Diese kann beispielsweise darin liegen, eine Bedienperson auf ein Problem mittels einer Meldung aufmerksam zu machen. Denkbar wäre allerdings auch, dass die Aktion darin liegt, das Werkstück auszusortieren.
Denkbar wäre schließlich, dass eine Überschreitung des Grenzwerts nicht dem Material des Werkstücks geschuldet ist, sondern beispielsweise Parametern der
Laserbearbeitungsmaschine, sodass eine Überschreitung des Grenzwerts auch auf ein Problem bei der
Laserbearbeitungsmaschine hindeuten kann. In diesem Fall könnte die Aktion eine Wartungsarbeit sein, die bspw. durch die Laserbearbeitungsmaschine oder eine Bedienperson zur Behebung des Problems durchgeführt wird. Die Wartungsarbeit kann z.B. ein Austausch von Schneidgasen, verschmutzter Düse oder Optik, Kühlwasser oder anderem Verbrauchsmaterial sein. Zusätzlich oder alternativ können auch eine
Überprüfung, Reinigung und/oder sonstige Arbeiten an
Vorrichtungsteilen der Laserbearbeitungsmaschine, wie bspw. den Antrieben, Sensoren, erfolgen.
Vorzugsweise wird der Durchstichzeitpunkt durch Erfassung von emittiertem bzw. reflektiertem Licht des Werkstücks ermittelt. Einrichtungen zur Erfassung des
Durchstichzeitpunkts sind regelmäßig in Laserbearbeitungsmaschinen bereits verbaut. Eine mögliche Methode ist beispielsweise in der DE 10 2010 028 179 Al offenbart, deren Offenbarungsgehalt vollständig mit in die vorliegende Patentanmeldung einbezogen wird. Dabei wird das erzeugte Prozesslicht, beim Einstechen in das Werkstück überwacht. Das Prozesslicht ist das Leuchten des heißen Werkstücks, wenn dieses während des Einstechens von der Laserstrahlung geschmolzen wird. Die Messintensität des Prozesslichts bricht dabei dann zusammen, wenn das
Werkstück durchstoßen wird. Nach dem Durchtritt tritt nämlich der Laserstrahl zumindest überwiegend durch den entstehenden Durchbruch hindurch. Denkbar wäre allerdings auch, eine Rückreflexionssensorik zur Messung von
reflektierter Laserstrahlung vorzusehen. Auch hierbei bricht die erfasste Signalintensität der reflektierten
Laserstrahlung dann zusammen, wenn der Durchstichzeitpunkt erreicht ist und die Laserstrahlung überwiegend durch den Durchbruch hindurchtritt. Das Überwachen des Prozesslichts wird regelmäßig bei C02-Lasern eingesetzt. Bei
Festkörperlasern (beispielsweise Faser, Scheibe, Stab, Diode) , welche im nahen Infrarot emittieren, kann
demgegenüber regelmäßig auch eine Rückreflexionssensorik eingesetzt werden. Eine derartige Erfassung des Erreichens des Durchstichzeitpunkts ist vergleichsweise einfach, kostengünstig und zuverlässig möglich.
Eine besonders bevorzugte Weiterbildung der Erfindung ergibt sich durch ein Verfahren zum Bearbeiten eines
Werkstücks, das Verfahren umfassend die folgenden Schritte: a. Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur
Ermittlung der Materialeigenschaft, des insbesondere plattenförmigen, Werkstücks; und
b. Aufrufen und Einstellen von wenigstens einem
Bearbeitungsparameter der Laserbearbeitungsmaschine
basierend auf der ermittelten Materialeigenschaft, um das Werkstück mittels Laserstrahlung zu bearbeiten.
Zunächst kann folglich eine Materialeigenschaft des zu bearbeitenden Werkstücks durch das erfindungsgemäße
Verfahren zur Ermittlung der Materialeigenschaft des
Werkstücks ermittelt werden. Sobald die Materialeigenschaft ermittelt ist, können die dazu passenden optimalen
Schneidparameter zum Laserschneiden des Materials,
beispielsweise aus einer Datenbank, eingespeist und
angepasst werden. Daraufhin kann die Bearbeitung mit den optimalen Schneidparametern für das Werkstück durchgeführt werden. Voraussetzung hierfür ist selbstverständlich, dass ein Datensatz der optimalen Parameter für das ermittelte Material in der Datenbank hinterlegt ist. Denkbar wäre auch, bei der vorhandenen Vielzahl an Materialien einen intelligenten Algorithmus (KI) und/oder eine Datenanalyse zu verwenden, um so vergleichsweise schnell eine
Materialdatenbank zu erhalten, in der die optimalen
Schneidparameter für das jeweilige Material hinterlegt sein können .
Eine weitere besonders bevorzugte Weiterbildung der
Erfindung ergibt sich durch ein Verfahren zur Kontrolle eines, insbesondere plattenförmigen, Werkstücks, das
Verfahren umfassend die folgenden Schritte:
a. Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur
Ermittlung des Materials des, insbesondere plattenförmigen, Werkstücks; und
b. Vergleichen der erfassten Messgröße mit einem
Referenzwert .
Durch die Kontrolle können insbesondere falsche/ fehlerhafte Werkstücke erkannt werden und/oder Verunreinigungen in einem Material des Werkstücks festgestellt werden.
Beispielsweise führt eine geringere Qualität einer
Legierung, beispielsweise ein erhöhter/erniedrigter
Kohlenstoffgehalt, zu einer Veränderung in der erfassten Messgröße. Der Referenzwert kann folglich insbesondere einen Sollwert der Messgröße darstellen, wenn das Material eine Soll-Zusammensetzung aufweist. Je nach Ausgestaltung der Messgröße, kann eine Abweichung in der
Materialzusammensetzung zu einer Änderung in der
Einstechdauer, der Laserintensität/Laserleistung beim
Durchstichzeitpunkt, oder der Temperatur beim
Durchstichzeitpunkt bzw. des Energieeintrags beim
Durchstichzeitpunkt führen.
Beispielsweise kann die Einstechdauer für ein Material mit der Sollzusammensetzung bekannt sein. Soll nun lediglich festgestellt werden, ob eine hinreichend geringe Abweichung von der Sollzusammensetzung vorhanden ist, so kann
beispielsweise eine Einstechmessung durchgeführt werden. Dabei kann eine Rampe der Leistung des Lasers y mW
betragen. Diese Leistung kann x mW unterhalb der bereits ermittelten Laserleistung zum Durchstoßen des Materials des Werkstücks liegen. Danach kann die Laserleistung um einen Betrag z mW/s bis zum Durchstoßzeitpunkt erhöht werden. Denkbar wäre allerdings auch, die Laserleistung zunächst vergleichsweise rasch zu erhöhen und dann vergleichsweise langsam um einen Betrag x mW im Bereich der erwarteten Laserleistung beim erwarteten Durchstichzeitpunkt.
Besonders bevorzugt ist dabei, wenn das Verfahren den weiteren Schritt umfasst:
c. Auslösen einer Aktion wenn die Differenz zwischen der erfassten Messgröße und dem Referenzwert einen Grenzwert überschreitet .
Die Aktion kann dabei beispielsweise darin liegen, das Werkstück auszusortieren, wenn die erfasste Abweichung der Messgröße von der Soll-Messgröße einen Grenzwert
übersteigt. Ein Übersteigen des Grenzwerts kann bedeuten, dass die Qualität des Materials nicht hinreichend ist, beispielsweise aufgrund zu großer Verunreinigungen oder dass ein falsches Werkstück ausgewählt wurde.
Denkbar wäre allerdings auch, die Schneidparameter beim Laserschneiden an das erfasste Material anzupassen. Die Schneidparameter können folglich von den Schneidparametern bei einer Soll-Zusammensetzung des Materials abweichen.
Eine derartige Anpassung der Schneidparameter kann
beispielsweise auch über einen Algorithmus durchgeführt werden. Hierzu kann auch eine künstliche Intelligenz
Verwendung finden. Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auch gelöst durch eine Steuerungseinrichtung, ausgebildet und eingerichtet zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens .
Schließlich wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe auch gelöst durch eine Laserbearbeitungsmaschine, umfassend eine erfindungsgemäße Steuerungseinrichtung.
Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der folgenden Beschreibung zu entnehmen, anhand derer die in den Figuren dargestellte
Ausführungsform der Erfindung näher beschrieben und erläutert ist.
Es zeigen:
Figur 1 schematische Darstellung einer
Laserbearbeitungsmaschine gemäß einer
Ausführungsform;
Figur 2 Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einer
Ausführungsform unter Verwendung der
Laserbearbeitungsmaschine gemäß Figur 1; und
Figur 3 schematische Darstellung einer Laserleistung gegen eine Einstechdauer bei einem Verfahren gemäß Figur 2. Figur 1 zeigt eine Laserbearbeitungsmaschine 1, die zum Schneiden von, insbesondere plattenförmigen, Werkstücken 2, beispielsweise von Blechen und insbesondere von Gutteilen und/oder Schlechtteilen, mittels Laserstrahlung 3 dient. Dazu umfasst die Laserbearbeitungsmaschine 1 eine
Laserquelle (Festkörperlaser) 4, beispielsweise vom YAG- Typ, die die Laserstrahlung 3 mit einer zur
Lasermaterialbearbeitung geeigneten Laserwellenlänge, beispielsweise im Bereich von ca. 1 gm, insbesondere beispielsweise von ca. 1,06 gm oder von ca. 1,03 gm, erzeugt, sowie eine beispielsweise durch Laserdioden ausgeführte Pumpquelle 5 zum Pumpen der Laserquelle 4 mit einer zu ihrer Anregung geeigneten Pumpstrahlung 6, wie beispielsweise 808 nm.
Die Laserstrahlung 3 wird über eine Einkoppeloptik 7 in eine optische Transportfaser 8 eingekoppelt und darin zu einem verfahrbaren Laserbearbeitungskopf 9 der
Laserbearbeitungsmaschine 1 geführt. Innerhalb des
Laserbearbeitungskopfs 9 wird die Laserstrahlung 3 aus der Transportfaser 8 ausgekoppelt und über eine
Kollimationsoptik 10 und eine Fokussieroptik 11 auf das Werkstück 2 fokussiert. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind diese Optiken 7, 10, 11 lediglich beispielhaft als Linsen dargestellt. Der Strahlengang der Laserstrahlung 3 von der Laserquelle 4 zum zu bearbeitenden, insbesondere plattenförmigen, Werkstück 2 ist insgesamt mit 12
bezeichnet. Die linear hintereinander angeordneten Kollimations- und Fokussieroptiken 10, 11 ermöglichen eine in Richtung der optischen Achse lineare Bauform der
Bearbeitungseinheit 9.
Der Laserbearbeitungsvorgang und insbesondere der
Einstechvorgang der Laserstrahlung 3 in das Werkstück 2 werden mittels des sichtbaren Prozesslichts 13 überwacht, das während der Laserbearbeitung am Werkstück 2 erzeugt wird. Das Prozesslicht 13 sowie auch die am Werkstück 2 oder an anderen optischen Flächen reflektierten Laser- und Pumpstrahlungen laufen entlang des Strahlengangs 12 zurück in Richtung Laserquelle 4.
Zwischen der Transportfaser 8 und der Laserquelle 4 ist ein optisches Auskoppelungselement in Form eines
teildurchlässigen Spiegels 14 angeordnet, der die am
Werkstück 2 reflektierten Laser- und Pumpstrahlungen sowie das vom Werkstück 2 kommende Prozesslicht 13 teilweise auskoppelt und auf einen wellenlängensensitiven Detektor (beispielsweise eine Photodiode) 15 lenkt. Der
teildurchlässige Spiegel 14 ist unter 45° im Strahlengang 12 angeordnet und für die von der Laserquelle 4 kommende Laserstrahlung 3 im Wesentlichen transparent. Im
Strahlengang des Prozesslichts 13 zwischen dem
teildurchlässigen Spiegel 14 und dem Detektor 15 sind ein Laserstrahlungsfilter 16 und ein Pumpstrahlungsfilter 17 angeordnet, die jeweils das Prozesslicht 13, nicht aber die Laserstrahlung 3 bzw. die Pumpstrahlung 6 durchlassen. Auf diese Weise wird verhindert, dass die durch den
teildurchlässigen Spiegel 14 ebenfalls ausgekoppelten Laser- und Pumpstrahlungen das auszuwertende
Prozesslichtsignal überstrahlen können. Der
Pumpstrahlungsfilter 17 kann prinzipiell auch an jeder anderen Stelle im Strahlengang des Prozesslichts 13
angeordnet sein.
Solange der Einstechvorgang in das Werkstück 2 nicht abgeschlossen ist, wird am Werkstück 2 das Prozesslicht 13 in vergleichsweise hohem Anteil erzeugt. Der Anteil an Prozesslicht 13 fällt augenblicklich mit der Ausbildung eines Durchbruchs in Form eines Einstechlochs, also eines Laserstrahlaustritts an der Werkstückunterseite, ab.
Die Laserbearbeitungsmaschine 1 wird sodann zur
Durchführung des in Figur 2 gezeigten Verfahrens 22
verwendet :
Um herauszufinden, aus welchem Material das Werkstück 2 besteht, wird in einem ersten Schritt 24 dessen Dicke d (vgl. Figur 1) ermittelt. Diese Ermittlung kann manuell oder automatisch über einen Sensor erfolgen. Denkbar wäre auch, dass die Dicke d bereits vorbekannt und in einer Steuerungseinrichtung 18 der Laserbearbeitungsmaschine hinterlegt ist.
Sodann wird in einem nächsten Schritt 26 mit der
Laserbearbeitungsmaschine 1 ein Laserstrahl 3 erzeugt und auf das Werkstück 2 an einem Messort 19 eingestochen. Dabei wird die Fokuslage und Fokusgröße konstant gehalten. Auch die Parameter des Schneidgases werden konstant gehalten. Jedoch wird die Leistung des Lasers und damit auch die Intensität des Lasers über die Einstrahlzeit, insbesondere linear, erhöht. Folglich wird ein gewisser Energieeintrag in das Werkstück 2 eingeleitet. Sobald die Laserintensität ausreichend hoch ist, schmilzt das Material (vgl. Figur 3: Einstechdauer te,sMP und Laserleistung PSMp am Schmelzpunkt) . Wie schnell das Material schmilzt, ist dabei abhängig vom jeweiligen Energieeintrag in einem bestimmten Volumen. Ist das Material komplett geschmolzen, so durchstößt der
Laserstrahl das Material. Solange der Einstechvorgang in das Werkstück 2 nicht abgeschlossen ist, wird am Werkstück
2 das Prozesslicht 13 in vergleichsweise hohem Anteil erzeugt. Der Anteil des Prozesslichts 13 fällt
augenblicklich mit der Ausbildung eines Einstechlochs, also eines Laseraustritts an der Werkstückunterseite 20, ab. Dabei wird in Schritt 26 die Einstechdauer te,D für den Einstechvorgang gemessen (vgl. Fig. 3) . Die Einstechdauer te,D ist dabei die Zeitdauer, während der die Laserstrahlung
3 auf das Werkstück 3 wirkt bis die Laserstrahlung 3 das Werkstück 2 durchsticht, was anhand der Auswertung des Prozesslichts mittels des Detektors 15 der
Laserbearbeitungsmaschine 1 ermittelt wird. Dabei ist denkbar, dass bei einem Einstechvorgang die Intensität des Lasers um einen Betrag x mW/s erhöht wird und die Zeit bis zum Durchstoß, also die Einstechdauer te,D/ gemessen wird. Dabei beginnt die Messung, sobald die Laserstrahlung 3 auf das Werkstück 2 einstrahlt.
In Schritt 28 kann sodann aus der ermittelten Einstechdauer über ein Modell wenigstens eine Nutzerinformation ermittelt werden. Dieses Modell kann bekannte (Bearbeitungs- ) Parameter berücksichtigen und daraus einen unbekannten Parameter ermitteln. Bekannte Parameter können insbesondere die Dicke d des durchstochenen Werkstückabschnitts, ermittelt in Schritt 24, die Werkstücktemperatur und/oder die Fokuslage sein. Ferner wird jedenfalls die in Schritt 26 gemessene Einstechdauer berücksichtigt. Über ein
mathematisches/analytisches Modell, einen Algorithmus/ein Metamodell oder eine künstliche Intelligenz kann sodann ein unbekannter Parameter ermittelt werden. Dieser unbekannte Parameter kann insbesondere die Materialzusammensetzung des durchstochenen Werkstückabschnitts sein.
Ein Korrelationsmodell kann insbesondere durch Durchführen einer Anzahl von Versuchen mit Werkstücken bekannter
Materialzusammensetzungen und -dicken und bekannten
Bearbeitungsparametern erstellt werden, wobei in den
Versuchen jeweils die benötigte Einstechdauer te,D ermittelt wird .
Am Beispiel von Metallen wird die Möglichkeit der
Ermittlung einer Materialzusammensetzung unter
Berücksichtigung insbesondere der Einstechdauer und der Materialdickebesonders deutlich: Reine Metalle weisen
Unterschiede in den physikalischen Eigenschaften,
beispielsweise Unterschiede in den Schmelztemperaturen von ca. 2800°C, auf. Magnesium schmilzt bei 648, 8°C, während Cer bei 3468°C schmilzt. Metalllegierungen weisen wiederum spezifische Schmelzpunkte aus. Veränderte
Zusammensetzungen, beispielsweise ein veränderter Kohlenstoffgehalt oder Verunreinigungen, ändern den
Schmelzpunkt. Die Differenz der Temperaturen der reinen Metalle (wie oben erwähnt bis zu ca. 2800°C) ist derart groß, dass selbst geringfügig veränderte
Legierungszusammensetzungen unterschiedliche Schmelzpunkte aufweisen. Die Schmelztemperatur definiert dabei klar ein bestimmtes Material. Wenn das Material mit Laserstrahlung 3 am Schmelzpunkt erhitzt wird, führt dies zu einem Durchstoß des Lasers durch das Material. Dies bedeutet, dass bekannte Bearbeitungsparameter (insbesondere die ermittelte
Einstechdauer und Materialdicke) Rückschlüsse auf die
Materialzusammensetzung des Werkstücks 2 zulassen.
Wird auf diese Weise die Materialzusammensetzung eines Werkstücks 2 automatisch ermittelt, so können
Bearbeitungsparameter mittels der Steuerungseinrichtung 18 in Schritt 30 aufgerufen werden, um das Werkstück 2 mittels der Laserschneidmaschine 1 mit auf das Material des
Werkstücks 2 angepassten optimalen Schneidparametern zu bearbeiten .
Umgekehrt wäre auch denkbar, beispielsweise bei bekannter Materialzusammensetzung anhand der gemessenen Einstechdauer über das Korrelationsmodell auf eine Werkstückdicke d zu schließen .
Denkbar wärein einem einfachen Fall auch, dass zunächst wenigstens ein Werkstück mit bekannter Materialzusammesetzung und bekannter Dicke durchstochen wird und die Einstechdauer te,D bis zum Durchstoß ermittelt wird. Dabei können mehrere Messungen durchgeführt werden, um einen Mittelwert inklusive einer
Standardabweichung/Varianz zu ermitteln. Dieser bekannte Materialwert kann sodann in einem Datensatz gespeichert werden. Bei nachfolgenden Messungen kann folglich auch direkt über die Einstechdauer te,D eine Abweichung der
Materialzusammensetzung des Werkstücks 2 von einer Soll- Materialzusammensetzung ermittelt werden und damit ein Materialfehler erkannt werden.
In diesem Zusammenhang kann beispielsweise auch die
Qualität eines Werkstücks 2 ermittelt werden bzw. das Vorhandensein von Verunreinigungen im Werkstück 2 ermittelt werden. Eine andere Materialzusammensetzung des Werkstücks 2 als erwartet führt nämlich zu einer Änderung in der
Einstechdauer te,D· Auch dabei können wiederum mehrere
Messungen am Werkstück 2 vorgenommen werden, um einen
Mittelwert mit einer Standardabweichung/Varianz zuverlässig zu ermitteln. Wird eine Abweichung in der
Materialzusammensetzung ermittelt, so kann das Werkstück 2 entweder aussortiert werden oder eine Anpassung der
Schneidparameter an die veränderte Materialzusammensetzung durchgeführt werden.
Insgesamt kann mittels der Erfindung über ein
Korrelationsmodell aus einer gemessenen Einstechdauer (bei bekannten Parametern, wie beispielsweise bekannter
Werkstückdicke) auf einen unbekannten Parameter, insbesondere eine Materialzusammensetzung des vermessenen Werkstücks 2 geschlossen werden.
Somit kann insbesondere eine Materialzusammensetzung eines Werkstücks 2 einfach und kostengünstig automatisch mittels der Laserbearbeitungsmaschine 1 ermittelt werden. Dadurch können die Parameter zum Laserschneiden spezifisch auf das ermittelte Material des Werkstücks angepasst werden.
Weiterhin kann eine Materialverwechslung oder eine
Abweichung in der Materialqualität von einem Sollwert ermittelt werden, so dass insgesamt die
Bearbeitungsqualität sowie die Wahrscheinlichkeit von Folgeschäden und Folgekosten reduziert werden kann.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Ermittlung einer Materialeigenschaft eines mittels einer Laserbearbeitungsmaschine (1) zu bearbeitenden, insbesondere plattenförmigen,
Werkstücks (2) und/oder einer Maschineneigenschaft der Laserbearbeitungsmaschine (1), wobei mit einem mittels der Laserbearbeitungsmaschine (1) erzeugten Laserstrahl (3) in das Werkstück (2) eingestochen wird, wobei an einem Durchstichzeitpunkt eine
Messgröße erfasst wird, und wobei über eine
Korrelation zwischen der Messgröße und der
Materialeigenschaft bzw. der Maschineneigenschaft die Materialeigenschaft bzw. die Maschineneigenschaft ermitteln wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Messgröße die Einstechdauer (te) der Lasereinstrahlung auf das Werkstück (2) ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine
Laserintensität des eingestrahlten Laserstrahls (3) über die Dauer der Lasereinstrahlung erhöht wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Laserintensität über die Zeit linear erhöht wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Messgröße die Laserintensität und/oder eine die Laserintensität charakterisierende Messgröße am Durchstichzeitpunkt ist.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Messgröße die Temperatur am
Durchstichzeitpunkt und/oder der Energieeintrag des Laserstrahls (3) am Durchstichzeitpunkt ist.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mehrere Einstiche durchgeführt werden, und wobei eine Standardabweichung und/oder eine Varianz der erhaltenen Messgröße ermittelt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens zwei Einstiche durchgeführt werden, und wobei die Differenz der ermittelten Messgrößen zweier Messungen ermittelt wird, und darauf basierend eine Aktion ausgelöst wird, wenn die Differenz einen Grenzwert überschreitet.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Durchstichzeitpunkt durch Erfassung von emittiertem bzw. reflektiertem Licht des Werkstücks (2) ermittelt wird.
10. Verfahren zum Bearbeiten eines, insbesondere
plattenförmigen, Werkstücks (2), das Verfahren umfassend die folgenden Schritte: a. Durchführen des Verfahrens nach einem der
vorhergehenden Ansprüche zur Ermittlung einer Materialeigenschaft des Werkstücks (2); und b. Aufrufen und Einstellen von wenigstens einem Bearbeitungsparameter der
Laserbearbeitungsmaschine basierend auf der ermittelten Materialeigenschaft, um das Werkstück (2) mittels Laserstrahlung (3) zu bearbeiten.
11. Verfahren zur Kontrolle eines, insbesondere
plattenförmigen, Werkstücks, das Verfahren umfassend die folgenden Schritte: a. Durchführen des Verfahrens nach einem der
vorhergehenden Ansprüche zur Ermittlung einer Materialeigenschaft des Werkstücks (2); und b. Vergleichen der erfassten Messgröße mit einem
Referenzwert .
12. Verfahren nach Anspruch 11, umfassend den weiteren Schritt : c. Auslösen einer Aktion, insbesondere einer
Maschinenwartung, wenn die Differenz zwischen der erfassten Messgröße und dem Referenzwert einen Grenzwert überschreitet.
13. Steuerungseinrichtung (18), ausgebildet und
eingerichtet zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
14. Laserbearbeitungsmaschine (1), umfassend eine
Steuerungseinrichtung (18) nach Anspruch 13.
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