DE102011003426A1

DE102011003426A1 - Laserbearbeitungsanlage mit Absaugung

Info

Publication number: DE102011003426A1
Application number: DE102011003426A
Authority: DE
Inventors: Andreas Twisselmann; Dietrich Sauter
Original assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Current assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Priority date: 2011-02-01
Filing date: 2011-02-01
Publication date: 2012-08-02
Also published as: WO2012104074A1; EP2670556A1; CN103338892A; CN103338892B; US20130313238A1; DE202012013586U1

Abstract

Bei einer Laserbearbeitungsanlage (1) mit einer Werkstückauflage (2) für zu bearbeitende Werkstücke, mit einer oberhalb der Werkstückauflage (2) angeordneten Laserbearbeitungseinheit (3) zur Bearbeitung eines auf der Werkstückauflage (2) befindlichen Werkstücks (4), mit mindestens einer unterhalb der Werkstückauflage (2) vorgesehenen Absaugöffnung (5) und mit einer Umhausung (6), welche die Werkstückauflage (2), die Laserbearbeitungseinheit (3) und die mindestens eine Absaugöffnung (5) von ihrer Außenumgebung abgrenzt und mindestens eine Lufteinströmöffnung (7) aufweist, ist erfindungsgemäß die mindestens eine Lufteinströmöffnung (7) oberhalb der Werkstückauflage (2) angeordnet ist, derart, dass im Betrieb im Zusammenwirken mit der mindestens einen Absaugöffnung (5), ein Luft-Strömungsband (10) zwischen Werkstückauflage (2) und Laserbearbeitungseinheit (3) ausgebildet ist, welches den Innenraum der Umhausung (6) in einen unterhalb des Strömungsbands (10) befindlichen Laserbearbeitungsbereich (11) und einen oberhalb des Strömungsbands (10) befindlichen laserwechselwirkungsfreien Bereich (12) trennt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Laserbearbeitungsanlage gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Eine solche Laserbearbeitungsanlage mit einer Absaugung ist beispielsweise aus der US 6,229,112 B1 bekannt. Die dort beschriebene Laserschneidanlage weist innerhalb des Maschinenbetts in Kammern angeordnete Einrichtungen zur Absaugung von Schneidstaub und/oder Rauchgasen auf und ist durch eine Maschinenumhausung bis auf eine Einströmöffnung vollständig gekapselt. Diese gleicht den beim Absaugen durch die Kapselung der Laserbearbeitungsanlage in ihrem Inneren entstehenden Unterdruck aus. Die Einströmöffnung wird dabei über einen Spalt im Bereich der Werkstückzuführung auf Höhe der Werkstückauflage realisiert. Der entstehende Luststrom unterstützt somit die Absaugung unterhalb des Werkstücks. Weitere im Dach der Umhausung angeordnete (sekundäre) Einströmöffnungen gewährleisten eine Durchströmung des gesamten Innenbereichs der Umhausung zur Vermeidung von Partikelansammlungen in sogenannten „Totbereichen”.
Durch die bei Verwendung dieser Absaugtechnik notwendige Durchströmung des gesamten Innenraums der Maschinenumhausung ist die Absaugleistung entsprechend groß zu dimensionieren. Hinsichtlich Bauraum und Kosten ergeben sich hieraus aufgrund des großen Absaugvolumens erhebliche Nachteile. Darüber hinaus führt eine dennoch verbleibende Verschmutzung der innerhalb der Maschinenumhausung befindlichen Komponenten der Laserbearbeitungsanlage, insbesondere eine Verschmutzung von optischen Komponenten und mechanischen Führungen, zu hohen Wartungs- sowie Betriebskosten durch Ausfall und Verschleiß. Restverschmutzungen, insbesondere im noch nicht abgelagerten Zustand, können zudem eine Gesundheitsgefährdung durch zu hohe Staubkonzentrationen in der Luft darstellen.
Demgegenüber ist es die Aufgabe der Erfindung, bei einer Laserbearbeitungsanlage der eingangs genannten Art die Systemeffizienz der Absaugung weiter zu erhöhen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Laserbearbeitungsanlage mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst.
Erfindungsgemäß wird der Innenraum der Umhausung durch das Strömungsband räumlich in zwei Bereiche getrennt, nämlich in den durchströmten Laserbearbeitungsbereich, in dem Schmutzpartikel und Prozessgase/-rauche erzeugt werden, und in den nicht-durchströmten laserwechselwirkungsfreien Bereich, der von Schmutzpartikeln und Rauchgasen freigehalten wird. Da nicht der gesamte Innenraum der Umhausung, sondern nur der Laserbearbeitungsbereich durchströmt und abgesaugt wird, ergeben sich erfindungsgemäß sowohl Kosteneinsparungen durch kleinere Absaugaggregate bzw. höhere Effizienz bei gleichen Absaugaggregaten als auch geringere Wartungs- und Betriebskosten durch Reduzierung von Verschleiß und Ausfall einzelner Maschinenkomponenten.
Besonders bevorzugt ist das Strömungsband mittels einer Umlenkvorrichtung zu einer den Laserbearbeitungsbereich umschließenden Zirkularströmung umgelenkt, um so Schmutzpartikel und Rauchgase innerhalb der Zirkularströmung zu halten, bis sie über die Absaugöffnung abgesaugt werden.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Es zeigen:
1 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsanlage;
2 schematisch den Strömungsverlauf des in 2 gezeigten Strömungsbandes; und
3 bis 5 weitere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsanlage.
Die in 1 gezeigte Laserbearbeitungsanlage 1 umfasst eine Werkstückauflage 2, eine oberhalb der Werkstückauflage 2 angeordnete Laserbearbeitungseinheit (z. B. Laserbearbeitungskopf) 3 zur Bearbeitung eines auf der Werkstückauflage 2 befindlichen Werkstücks 4, eine unterhalb der Werkstückauflage 2 vorgesehene Absaugöffnung 5 und eine Umhausung 6, die die Werkstückauflage 2, die Laserbearbeitungseinheit 3 und die Absaugöffnung 5 von ihrer Außenumgebung abgrenzt und die bis auf eine Lufteinströmöffnung 7 vollständig gekapselt ist. Über die Absaugöffnung 5 werden die bei der Laserbearbeitung des Werkstücks 4 anfallenden Rauchgase und Schneidstaub abgesaugt (Strömungspfeil 8). Über die Einströmöffnung 7 wird Luft nachgeströmt, um den beim Absaugen innerhalb der Umhausung 6 entstehenden Unterdruck auszugleichen. Die Absaugöffnung 5 ist an einen Abfallbehälter 9 angeschlossen, um darin die bei der Bearbeitung abgesaugten Abfallstoffe, wie z. B. Schlacketeilchen, aufzunehmen. Alternativ zu der in 1 ortsfest an der Umhausung 6 befestigten Einströmöffnung 7 kann die Einströmöffnung auch höhenverfahrbar mittels eines geeigneten Stellantriebs (nicht gezeigt) an der Umhausung 6 gelagert sein. Die Laserbearbeitungseinheit 3 ist an einer parallel zur Werkstückauflage 2 verfahrbaren X-Y-Bewegungseinheit 16 angeordnet, die beispielsweise als ein über der Werkstückauflage 2 verfahrbarer Ausleger ausgebildet ist. Zudem kann die Laserbearbeitungseinheit 3 über einen an der X-Y-Bewegungseinheit 16 vorgesehen Z-Schlitten 17 auch in vertikaler Richtung, d. h. senkrecht zur Werkstückauflage 2, zustellbar sein.
Die Lufteinströmöffnung 7 befindet sich seitlich neben der Werkstückauflage 2 und ist höhenmäßig zwischen der Werkstückauflage 2 und der Bewegungseinheit 15, insbesondere oberhalb der Werkstückoberkante 4a, angeordnet, und zwar derart, dass die Kontur der Bewegungseinheit 16 das auszubildende Strömungsband der einströmenden Luft nicht behindert, bevorzugt mindestens ca. 100 bis ca. 200 mm unterhalb der Bewegungseinheit 16. Im Betrieb bildet die über die Einströmöffnung 7 einströmende Luft im Zusammenwirken mit der über die Absaugöffnung 5 nach unten erfolgende Absaugung ein leicht nach unten geneigtes Luft-Strömungsband 10 zwischen Werkstückauflage 2 und Laserbearbeitungseinheit 3 aus. Die Neigung des Luft-Strömungsbandes 10 kann durch eine ebenfalls geneigte Ausbildung der Einströmöffnung 7 und/oder der ihr zuordenbaren Klappe(n) unterstützt werden. Bevorzugt ist die Neigung des Luft-Strömungsbands 10 derart eingestellt, dass das Luft-Strömungsband 10 nicht senkrecht auf den vertikalen Umhausungsabschnitt 6a auftrifft. Alternativ kann ein horizontales Luft-Strömungsband 10 eingeleitet werden, wobei der zuvor vertikale Umhausungsabschnitt 6a so zum Luft-Strömungsband 10 geneigt wird, dass sich ein nach unten gerichtetes Luft-Strömungsband 10 ergibt. Durch dieses Strömungsband 10 ist der Innenraum der Gehäuseumhausung 6 in einen unterhalb des Strömungsbands 10 befindlichen Laserbearbeitungsbereich 11 und einen oberhalb des Strömungsbands 10 befindlichen laserwechselwirkungsfreien Bereich 12 getrennt, wie durch die strichpunktierte Linie 13 angedeutet ist. Durch Positionierung der Luft-Einströmöffnung 7 etwa auf Höhe zwischen Bewegungseinheit 16 und Laserbearbeitungseinheit 3 überstreicht die eingeströmte Zuluftströmung die gesamte Laserwechselwirkungszone am Werkstück 4 und trennt somit den Innenraum der Umhausung 6 in den gezielt durchströmten Laserbearbeitungsbereich 11 und den nicht-durchströmten laserwechselwirkungsfreien Bereich 12. Die bei der Laserbearbeitung des Werkstücks 4 anfallenden Schmutzpartikel und Rauchgase verbleiben aufgrund des Strömungsbandes 10 im Laserbearbeitungsbereich 11, wo sie abgesaugt werden. Im Ergebnis ist die Absaugeffizienz signifikant erhöht und die Restverschmutzung des laserwechselwirkungsfreien Bereichs 12 durch Schmutzpartikel und Rauchgase deutlich reduziert.
Wie in 1 gezeigt, ist das Strömungsband 10 mittels einer Umlenkvorrichtung, die auf der in 1 linken Seite durch einen vertikalen Umhausungsabschnitt 6a und auf der rechten Seite durch eine separate vertikale Umlenkplatte 14 gebildet ist, zu einer den Laserbearbeitungsbereich 11 umschließenden Zirkularströmung 15 umgelenkt. Auf diese Weise bleiben die bei der Laserbearbeitung des Werkstücks 4 anfallenden Schmutzpartikel und Rauchgase innerhalb der Zirkularströmung 15 gefangen, bis sie über die in Richtung quer zum Luft-Strömungsband 10 offene Absaugöffnung 5 abgesaugt werden.
Wie in 1 gestrichelt angedeutet, können mehrere Lufteinströmöffnungen 7 in unterschiedlichen Höhen vorgesehen sein, die wahlweise oder kombiniert zur Ausbildung von unterschiedlich hoch angeordneten Strömungsbändern 10 aktivierbar sind. Im Falle einer höhenverfahrbaren Laserbearbeitungseinheit 3 können die mehreren Lufteinströmöffnungen 7, welche ein Strahllabyrinth zum Schutz vor austretender Laserstrahlung aufweisen, mittels Klappen beispielsweise in Abhängigkeit der jeweiligen Höhe der Laserbearbeitungseinheit 3 zur Ausbildung unterschiedlich hoch angeordneter Strömungsbänder 10 aktiviert werden. Wie in 1 durch einen Doppelpfeil 18 angedeutet, kann die Absaugöffnung 5 unterhalb der Werkstückauflage 2 auch in horizontaler Richtung zur Einströmöffnung 7 hin oder fort verschiebbar angeordnet sein.
2 zeigt schematisch den Strömungsverlauf des Strömungsbandes 10. Nachdem das Strömungsband 10 oben am Werkstück 4 vorbeigeströmt ist, wird es von zwei zu beiden Seiten des Strömungsbandes 10 vorgesehenen, quer zum Strömungsband 10 offenen Absaugöffnungen 5 angesaugt. Dadurch wird das Strömungsband 10 in der Mitte in zwei Strömungshälften 10a, 10b aufgeteilt, die jeweils von den Absaugöffnungen 5 abgesaugt werden. Das Luft-Strömungsband 10 bildet dabei in Richtung der Absaugöffnungen 5 jeweils einen den Laserbearbeitungsbereich 11 umschließenden Wirbel aus, wie in 2 für die eine Strömungshälfte 10a dargestellt und für die andere Strömungshälfte 10b nicht dargestellt ist.
Von der Laserbearbeitungsanlage der 1 unterscheidet sich die in 3 gezeigte Laserbearbeitungsanlage 1 lediglich dadurch, dass hier die Laserbearbeitungseinheit 3 und die Einströmöffnung 7 jeweils höhenverfahrbar (Doppelpfeile 20, 21) sind, wobei die Höhenposition der Einströmöffnung 7 in Ab hängigkeit von der Höhenposition der Laserbearbeitungseinheit 3 mechanisch oder steuerungstechnisch eingestellt werden kann. Beispielsweise kann über eine Steuereinheit 22 die Höhenposition der Einströmöffnung 7 dann in Abhängigkeit der Höhenposition der Laserbearbeitungseinheit 3, von Bearbeitungsparametern und/oder des zu bearbeitenden Werkstücks (Abmessungen, Werkstoff, ...) eingestellt werden.
Von der Laserbearbeitungsanlage der 1 unterscheidet sich die in 4 gezeigte Laserbearbeitungsanlage 1 lediglich dadurch, dass hier die Absaugöffnung 5 nicht quer bzw. seitlich, sondern in Richtung des Luft-Einströmbandes 10 auf der der Einströmöffnung 7 gegenüberliegenden Seite der Werkstückauflage 2 im Bereich des vertikalen Umhausungsabschnitts 6a angeordnet ist. Wie gestrichelt angedeutet, kann sich alternativ die Absaugöffnung 5 auf der dem Luft-Einströmband 10 zugewandten (linken) Längsseite des Abfallbehälters 9 befinden.
In einer weiteren Ausführungsform gemäß 5 ist die Absaugöffnung 5 auf der gleichen Seite wie die Einströmöffnung 7 unterhalb der Werkstückauflage 2 angeordnet und in Richtung des umgelenkten Luft-Einströmbandes 10 geöffnet. Wie gestrichelt angedeutet, befindet sich die Absaugöffnung 5 bevorzugt auf der dem umgelenkten Luft-Einströmband 10 abgewandten (rechten) Längsseite des Abfallbehälters 9.
Bei allen gezeigten Ausführungsformen können mehrere Einströmöffnungen 7 auf gleicher Höhe nebeneinander angeordnet sein, von denen bspw. in den 1, 3, 4 und 5 nur eine zu sehen ist, und mehrere Absaugöffnungen 5 auf gleicher Höhe nebeneinander angeordnet sein, von denen in den 1, 3, 4 und 5 auch nur eine zu sehen ist. Die Einströmöffnungen 7 und die Absaugöffnungen 5 sind wahlweise oder kombiniert zur Ausbildung eines unterschiedlich breiten und/oder unterschiedlich positionierten Strömungsbandes 10 aktivierbar, und zwar die Absaugöffnungen 5 insbesondere in Abhängigkeit der jeweils aktivierten Lufteinströmöffnungen 7 bzw. umgekehrt, d. h. die Einströmöffnungen 7 insbesondere in Abhängigkeit der jeweils aktivierten Absaugöffnungen 5. Die Aktivierung der jeweiligen Öffnungen 5, 7 kann bspw. an die aktuelle Position der Laserbearbeitungseinheit 3 oder aber auch gerade hinsichtlich der Anzahl der zu aktivierenden Öffnungen an die jeweilige Applikation, insbesondere hinsichtlich der Verfahrensparameter und/oder Werkstoffauswahl, geknüpft werden.
Wie in 4 gestrichelt angedeutet, können die Einströmöffnungen 7 und die Absaugöffnungen 5 jeweils in unterschiedlich hohen Reihen angeordnet sein, die dann wahlweise oder kombiniert zur Ausbildung eines unterschiedlich hohen oder unterschiedlich nach unten geneigten Strömungsbandes 10 aktiviert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 6229112 B1 [0002]

Claims

Laserbearbeitungsanlage (1) mit einer Werkstückauflage (2) für zu bearbeitende Werkstücke, mit einer oberhalb der Werkstückauflage (2) angeordneten Laserbearbeitungseinheit (3) zur Bearbeitung eines auf der Werkstückauflage (2) befindlichen Werkstücks (4), mit mindestens einer unterhalb der Werkstückauflage (2) vorgesehenen Absaugöffnung (5) und mit einer Umhausung (6), welche die Werkstückauflage (2), die Laserbearbeitungseinheit (3) und die mindestens eine Absaugöffnung (5) von ihrer Außenumgebung abgrenzt und mindestens eine Lufteinströmöffnung (7) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Lufteinströmöffnung (7) oberhalb der Werkstückauflage (2) angeordnet ist, derart, dass im Betrieb im Zusammenwirken mit der mindestens einen Absaugöffnung (5) ein Luft-Strömungsband (10) zwischen Werkstückauflage (2) und Laserbearbeitungseinheit (3) ausgebildet ist, welches den Innenraum der Umhausung (6) in einen unterhalb des Strömungsbands (10) befindlichen Laserbearbeitungsbereich (11) und einen oberhalb des Strömungsbands (10) befindlichen laserwechselwirkungsfreien Bereich (12) trennt.
Laserbearbeitungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserbearbeitungseinheit (3) unten an einer parallel zur Werkstückauflage (2) verfahrbaren Bewegungseinheit (16) angeordnet ist und dass die Einströmöffnung (7) unterhalb der Bewegungseinheit (16), insbesondere mindestens ca. 100 bis ca. 200 mm unterhalb der Bewegungseinheit (16), angeordnet ist.
Laserbearbeitungsanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einströmöffnung (7) höhenverfahrbar ist.
Laserbearbeitungsanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserbearbeitungseinheit (3) höhenverfahrbar ist, wobei die Höhenposition der Einströmöffnung (7) in Abhängigkeit von der Höhenposition der Laserbearbeitungseinheit (3) eingestellt wird.
Laserbearbeitungsanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinrichtung (22) vorgesehen ist, welche die Höhenposition der Einströmöffnung (7) in Abhängigkeit von der Höhenposition der Laserbearbeitungseinheit (3) einstellt.
Laserbearbeitungsanlage nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsband (10) mittels einer Umlenkvorrichtung (6a, 14) zu einer den Laserbearbeitungsbereich (11) umschließenden Zirkularströmung (15) umgelenkt Ist.
Laserbearbeitungsanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkvorrichtung durch mindestens einen Umhausungsabschnitt (6a) und/oder durch mindestens eine innerhalb der Umhausung (6) befindliche Umlenkplatte (14) gebildet ist.
Laserbearbeitungsanlage nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Absaugöffnung (5) an einen Abfallbehälter (9) angeschlossen ist.
Laserbearbeitungsanlage nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Lufteinströmöffnung (7) seitlich neben der Werkstückauflage (2) angeordnet ist.
Laserbearbeitungsanlage nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Lufteinströmöffnungen (7) in unterschiedlichen Höhen vorgesehen sind, die wahlweise oder kombiniert zur Ausbildung von unterschiedlich hoch angeordneten Strömungsbändern (10) aktivierbar sind.
Laserbearbeitungsanlage nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Lufteinströmöffnungen (7) auf gleicher Höhe nebeneinander angeordnet sind, die wahlweise oder kombiniert aktivierbar sind.
Laserbearbeitungsanlage nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Absaugöffnung (5) und die mindestens eine Lufteinströmöffnung (7) auf der gleichen Seite oder auf einander gegenüberliegenden Seiten neben der Werkstückauflage (2) angeordnet sind.
Laserbearbeitungsanlage nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Absaugöffnung (5) in Richtung quer zum Strömungsband (10) oder in Richtung des Strömungsbands (10) oder des umgelenkten Strömungsbands (10) geöffnet ist.
Laserbearbeitungsanlage nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb der Werkstückauflage (2) mehrere Absaugöffnungen (5) vorgesehen sind, die wahlweise oder kombiniert, insbesondere in Abhängigkeit der jeweils aktivierten Lufteinströmöffnung (7), aktivierbar sind.
Laserbearbeitungsanlage nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Absaugöffnungen (5) auf gleicher Höhe und/oder auf unterschiedlichen Höhen angeordnet sind.