DD249428A1 - Anordnung zum trennen oder fuegen von hohlprofilen mittels laser - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Schneiden und Fuegen runder, polygoner und dreieckiger Hohlprofile aus metallischen, amorphen oder tonerdigen Werkstoffen. Ziel der Erfinding ist die Schaffung einer Anordnung, mit der sich in universeller Weise sowohl Geradschnitte als auch Schraegschnitte an Hohlprofilen mittels Laser durchfuehren lassen sowie auch Verschmelzprozesse zum Fuegen von Hohlprofilteilen verwirklicht werden koennen. Aufgabengemaess soll der Laserstrahl im Innern eines Hohlprofils auf die Trenn- oder Fuegestelle gerichtet werden. Erfindungsgemaess ist im Innern des Hohlprofils ein bewegbarer Traegerprofilkoerper mit einem parabolischen Hohlspiegel angeordnet, in dessen Brennpunktnaehe ein verspiegelter hyperbolischer Ablenkkegel sitzt. Diese Anordnung ist ueber Positioniersysteme steuerbar. Ueber einen Polarisator wird das Laserbuendel zirkular polarisiert. Die Erfindung ist vorzugsweise in der Glasindustrie zum Trennen von Glasrohren anwendbar. Fig. 3

Description

Hierzu 3 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Anordnung zum Trennen oder Fügen von Hohlprofilen mittels Laser findet vorzugsweise Anwendung in der Glas-Fertigungsindustrie, wo definierte Längen von Glasrohren, insbesondere für Schnitte mit Winkellagen, getrennt werden. Die Anordnung kann auch für die Verschmelzung von Trennstellen angewendet werden.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Die wirtschaftliche Anwendung von Glasrohren setzt häufig ein Trennen auf erforderliche Teillängen voraus. Im Normalfall werden die Schnitte senkrecht zur Längsachse der Rohre geführt. Es werden aber auch schräge Schnittführungen, zum Beispiel für Gehrungen, bei Glasrohren notwendig.

Aus der Patentliteratur sind naheliegende Lösungen bekannt, wo Glasrohre durch Schleifprozesse, Sägen oder Ritzen mit Oberflächenspannung durch Wärme, getrennt werden. So beschreibt z. B. die DE-OS 2 521 612 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schneiden von Glasrohr mittels Laser. Diese Lösung schafft ein Verfahren zum Schneiden von Glasrohr quer zu dessen Längsstreckung, wobei eine Schwächungsstelle auf der Oberfläche des Rohres an der gewünschten Schneidstelle gebildefwird, daß das Bündel mit einer vollen Umfanglinie um das Rohr zusammenfällt, welche durch die Schwächungsstelle geht, ohne das Rohr zur drehen. Die Energie des Laserbündels wird vom Glasrohr absorbiert, so daß eine Wärmespannung erzeugt wird, die den Bruch veranlaßt.

Die Schwächungsstelle ist eine Ritzmarke. Die Lösung bezieht sich weiter auf Ausführungsformen, wo das Laserbündel in die Innenfläche des Rohres geleitet und dort auf eine reflektierende Einrichtung fällt, die teilweise konisch ausgebildet und so angeordnet ist, daß sie das Bündel gleichzeitig auf die vollständig, um den Umfang verlaufende Schneidlinie leitet. Nachteilig ist an dieser Lösung, daß eine Ritzmarke verwendet werden muß und keine Schrägschnitte möglich sind. Eine weitere Einrichtung dazu ist so ausgebildet, daß sie das Bündel nur auf einen Teil der Schneid.linie richtet, wobei Einrichtungen zur Drehung der reflektierenden Einrichtung vorgesehen sind, wodurch das Bündel veranlaßt wird, ringsum die volle Umfangslinie abzutasten. Die energetische Beaufschlagung erfolgt hier punktuell, d. h. es muß, um eine ringförmige Erwärmungszone zu erzeugen, eine zusätzliche Drehung vorgenommen werden. Schrägschnitte sind ebenfalls nicht möglich. So ist z. B. eine Einrichtung bekannt, bei der ein eingeführter rotierender Stab, der einen Planspiegel trägt, den Laserstrahl auf die Innenwand ablenkt und so eine ringförmige Erwärmungszone schafft. Prinzipiell wird die Energie punktförmig umlaufend wirksam.

Eine weitere DE-OS 2 330 394 beschreibt ein Verfahren und Vorrichtung für das Absprengen von Glas. Die Lösung bezieht sich darauf, Glasrohre mit abgeschrägten Enden, also einem Gehrungswinkel, herzustellen.

Dabei wird das abzusprengende Teil mit Abstand zu einer Drehachse eingespannt und so ausgerichtet, daß die Achse des Rohres die Drehachse schneidet und daß anschließend während der Drehung das Rohr in Höhe des Schnittpunktes beider Achsen erhitzt und danach abgekühlt wird. Für die Erhitzung des Glasrohres dient vorzugsweise ein Brenner, der unter dem Schnittpunkt beider Achsen angeordnet ist. Durch die Drehung des Rohres, dessen der Flamme ausgesetzten Teile der Außenwände einen verschiedenen Abstand von dem Schnittpunkt der beiden Achsen haben, erhitzt der Brenner das Rohr auf einer Mantellinie, die der einer Gehrung entspricht.

Der Gehrungswinkel kann in einfacher Weise durch die Veränderung des Winkels zwischen der Drehachse und der Achse des Rohres gewählt werden.

Die Flamme des Brenners ist bei der Drehbewegung des Rohres an bestimmten Stellen des Rohres diesem näher als an anderen Stellen. Es ändert sich der Abstand des Brenners zum Rohr stetig zwischen zwei Grenzwerten von 90° zu 90°. Man erhält somit auf dem Rohr zwei einander gegenüberliegende Stellen, die sehr heiß sind und zwei um 90° versetzte Stellen, die noch relativ kühl sind.

Durch den Temperaturunterschied auf der Umfangslinie des Gehrungsschnittes werden Spannungen erzeugt, die das Rohr beim Abschrecken mittels Wasser brechen lassen.

Nachteilig an dieser Lösung ist, daß zum Schneiden von Gehrungen zusätzlich konstruktive Elemente, wie Drehachse und Rohrdrehvorrichtungen notwendig sind, und daß die Nachbearbeitung derartig durch Oberflächenspannung erzeugter Schrägschnitte durch Schleif prozesse aufwendig gestaltet wird.

Eine Gebrauohsmusterschrift DE-GM 7 930 051 beschreibt ein Zuschneidegerät für Glasröhren. Mit einem in gleicher Höhe des WIDIA-Messers befestigten Farbstift ist es möglich, Glasröhren auf Paßlänge anzuzeichnen und zu markieren. Die eigentliche Trennung erfolgt ebenfalls durch Erhitzen mittels Brenner und Abschrecken.

Das DE-GM 7 539 101 beschreibt ein Schneidgerät für Lichtwellenleiter. Hierbei wird die Trennung durch Anritzen des über einer Krümmung eingespannten Lichtwellenleiters mittels einer Schneide durchgeführt. Die technische Realisierung besteht darin, daß der Lichtwellenleiter in einer Klemmvorrichtung eingespannt ist, die mit einem mittels Auslösemittel angeordneten und mit einer dem Lichtwellenleiter zugekehrten konvexen Krümmung versehenen Amboß und einer Kurvenscheibe usw. verbunden ist und die über dem Amboß und dem gekrümmt eingespannten Lichtwellenleiter durch ein angeordnetes Schneidwerkzeug und durch einen Hebel wirksam wird.

Weitere naheliegende Lösungen werden in den DD-PS 120 863, DE-OS 2 339 016, sowie der DE-OS 2 342 835 beschrieben. Die beschriebenen Lösungen weisen für universellen Einsatz für die Trennung von Glasrohren bzw. -stäben eine Reihe Mängel auf. Es ist

z. B. schwierig, mit den genannten Verfahren dickwandige Rohre zu trennen bzw. Schrägschnitte mit der gleichen Anordnung zu realisieren. Hinzu kommt noch die Schwierigkeit der Trennung von Quarzglasrohren, deren Kristallstruktur nicht so trennbar, wie dies bei technischen Gläsern auf Grund des amorphen Zustandes, möglich ist. Ein weiteres Problem des Schneidens von Rohren großer Durchmesser ist die Erwärmung der Innenrohrseiten mittels optischer Vorrichtungen.

Andere Verfahren arbeiten nach Brennschneidprinzipien, wobei mittels Sauerstoffzuführung technische Gläser und Quarzrohre bis 8 mm trennbar sind. Das Glas bzw. Quarz wird verdampft.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Anordnung, mit der sich in universeller Weise sowohl Gerad-schnitte als auch Schräg-schnitte an Hohlprofilen mittels Laser durchführen lassen sowie auch Verschmelzprozesse zum Fügen von Hohlprofilteilen verwirklicht werden können.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Anordnung zum Trennen oder Fügen von Hohlprofilen zu schaffen, mit der der Laserstrahl im Innern des Hohlprofils auf die Trenn- bzw. Fügestellen gerichtet wird.

Die Aufgabe wird mit einer Anordnung, bei der ein Laserbündel auf eine im Innern des Hohlprofils bewegbare Ablenkeinrichtung gerichtet ist, erfindungsgemäß dadurch'gelöst, daß

- als Ablenkeinrichtung ein in der Längsachse verschiebbar und drehbar angeordneter parabolischer Hohlspiegel eingesetzt ist, in dessen Brennpunktnähe ein verspiegelter hyperbolischer Ablenkkegel sitzt;

- zwischen Laserquelle und dem parabolischen Hohlspiegel im Stralengang ein Polarisator zur Schaffung von zirkulär polarisiertem Licht angeordnet ist;

- der parabolische Hohlspiegel in einem Trägerprofilkörper angeordnet ist, in welchem er durch eine Spitzenlagerung aufgenommen ist;

- zur Schwenkbarkeit des parabolischen Hohlspiegels dieser über eine Wirkverbindung mit einem Pösitionier-System verbunden ist, wobei die Wirkverbindung ein Vierkantprofil durchläuft und von Distanzelementen geführt ist;

- das Vierkantprofil jeweils im Winkel versetzte Zentrierelemente enthält und

- diese Zentrierelemente über den Trägerprofilkörper hinausragen und in Berührung mit dem zu bearbeitenden Hohlprofil sind. Damit der verspiegelte hyperbolische Ablenkkegel in der Nähe des Brennpunktes des parabolischen Hohlspiegels fixiert werden kann, ist es günstig, wenn dieser auf einem Distanzstück sitzt. Um hohe Energiedichten auf kleinster Fläche zu erzielen, ist es vorteilhaft, einen CO₂-lmpulslaser mit Single-Mode-Charakteristik einzusetzen. Die Anordnung des parabolischen Hohlspiegels mit dem verspiegelten hyperbolischen Ablenkkegel erfolgt so, daß diese im Zentrum der optischen Achse zur Laserquelle liegt.

Die Wirkweise der Anordnung besteht darin, daß die im Hohlspiegel reflektierten Bündel über den hyperbolischen Ablenkkegel eng gebündelt an die Rohrwandung gelenkt werden, wo sie einen schmalen Energiering bilden.

Um mit der gleichen Anordnung Schrägschnitte durchführen zu können, ist der Hohlspiegel in einer Ebene beweglich. Verdreht man den Hohlspiegel, so gleicht das zirkular-polarisierte Laserbündel die richtungsbedingten Abstandsdifferenzen aus, wobei die Energieverteilung auch an dem entstehenden Ellipsenring gleich ist. Die Trennung der Rohre mittels Schrägschnitte erfolgt dabei entweder durch Verdampfen des Werkstoffes oder durch Sprengen nach vorheriger Ritzung. Verdampfte Werkstoffsubstanzen sind durch Zwangslüftung aus dem Hohlprofil zu entfernen.

Die Anordnung zum Trennen oder Fügen von Hohlprofilen mittels Laser gestattet die Bearbeitung runder, polygoner und dreieckiger Hohlprofile aus metallischen, amorphen oder tonerdigen Werkstoffen, in die ein entsprechend angepaßtes Trägerrohr mit Zentrierelementen eingeführt werden kann.

Dabei bezieht sich die Bearbeitung auf eine automatisch gesteuerte Bearbeitungsweise in der Art, daß sowohl Trennvorgänge als auch Fügevorgänge vorgenommen werden können.

Für Gerad- bzw. Schrägschnitte beliebiger Winkellagen existieren gesteuerte Antriebselemente, welche den axialen Vorschub des Trägerteiles mit Hohlspiegelanordnung und die seitliche Drehung desselben bewerkstelligen. Die Vorsatzelemente im Strahlengang, wie Auslenkblende, Aufweiterungssystem und Polarisator werden in Verbindung mit der automatischen Steuerung der Antriebe für Vorschub und Spiegeldrehung gebracht. Damit schließt sich die Wirkkette der Funktionselemente.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll anhand von Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigen

Fig. 1: das optische Wirkprinzip.

Fig. 2: eine Anordnung zum Trennen von Rohren und

Fig. 3: eine Hohlspiegel - Brennkegelanordnung im Rohr.

Die Anordnung zum Trennen von Rohren bzw. Stäben aus Glas besteht prinzipiell aus einem Laser 1. Die Wirkungsweise besteht nach Fig. 1 darin, daß ein paralleles Strahlbündel den Laser 1 verläßt, durch eine Auslenkblende 2 ein Bündelaufweitungs-System passiert, weiterhin einen Polarisator 4 durchdringt und in einen parabolischen Hohlspiegel 5 eintritt. Der parabolische Hohlspiegel 5 trägt in seinem Zentrum einen, auf einem Distanz-Zylinder sitzenden optischen Kegel 6, welcher einen hyperbolischen Verlauf aufweist und verspiegelt ist. Der optische Kegel 6 bildet in Verbindung mit dem Hohlspiegel einen an die Innenwandung des Glasrohres 7 reflektierten Temperaturring hoher Energiedichte, so daß es entweder zum Schnitt durch Verdampfen des Materials kommt oder das Rohr durch Oberflächen-Spannungserzeugung mittels unterkühlter Schneide 8 bricht.

Zur Erzeugung von Schrägschnitten wird die Hohlspiegel-Brennkegel-Anordnung 9 winklig verstellt, womit sich in Verbindung mit dem Polarisator 4, der das einfallende Laserlicht zirkulär polarisiert, die entstehenden Wegdifferenzen der x- und y-Richtungen ausgleichen. Es entsteht auch beim Schrägschnitt die gleiche Energiedichte in jedem Punkt der Rohrwandung. Nach Fig. 3 besteht die Hohlspiegel-Brennkegel-Anordnung 9 aus einem Trägerrohr 10, welches an einem Ende den parabolischen Hohlspiegel 5 mit optischem Kegel 6 trägt und mittels gefederten jeweils um 90° versetzten Zentrierelementen 11 die Hohlspiegel-Brennkegel-Anordnung 9 im Glasrohr 7 zentriert. Über Distanzelemente 12 mit Durchführungen 13 werden Wirkverbindungen 14 zu einem Positionier-System 15 geschaffen. Das Positionier-System 15 regelt sowohl den Vorschub des Trägerrohres 10, als auch die Winkeleinstellung der Hohlspiegel-Brennkegel-Anordnung 9.

Claims (3)

1. Anordnung zum Trennen oder Fügen von Hohlprofilen mittels Laser, bei der ein Laserbündel auf eine im Innern des Hohlprofils bewegbare Ablenkeinrichtung gerichtet ist, dadurch gekennzeichnet,

- daß als Ablenkeinrichtung ein in der Längsachse verschiebbar und drehbar angeordneter parabolischer Hohlspiegel eingesetzt ist, in dessen Brennpunktnähe ein verspiegelter hyperbolischer Ablenkkegel sitzt,

- daß zwischen Laserquelle und dem parabolischen Hohlspiegel im Strahlengang ein Polarisator zur Schaffung von zirkulär polarisiertem Licht angeordnet ist,

- daß der parabolische Hohlspiegel in einem Trägerprofilkörper angeordnet ist, in welchem er durch eine Spitzenlagerung aufgenommen ist,

- daß zur Schwenkbarkeit des parabolischen Hohlspiegels dieser über eine Wirkverbindung mit einem Positionier-System verbunden ist, wobei die Wirkverbindung ein Vierkantprofil durchläuft und von Distanzelementen geführt ist,

- daß das Vierkantprofil jeweils im Winkel versetzte Zentrierelemente enthält und

- daß diese Zentrierelemente über den Trägerprofilkörper hinausragen und in Berührung mit dem zu bearbeitenden Hohlprofil sind.

2. Anordnung zum Trennen oder Fügen von Hohlprofilen mittels Laser nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß der verspiegelte hyperbolische Ablenkkegei auf einem Distanzstück sitzt.

3. Anordnung zum Trennen oder Fügen von Hohlprofilen mittels Laser nach Punkt 1 und 2, dadurch, gekennzeichnet, daß als Laser ein CO_rlmpulslager mit Single-Mode-Betrieb eingesetzt ist.