DE102016116512A1

DE102016116512A1 - Method and device for machining a workpiece

Info

Publication number: DE102016116512A1
Application number: DE102016116512.3A
Authority: DE
Inventors: Manuel Schüler
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2016-09-03
Filing date: 2016-09-03
Publication date: 2018-03-08

Abstract

Bei einem Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstückes unter Einsatz eines Flüssigkeitsstrahls, bei dem der Flüssigkeitsstrahl (5) mittels einer an einem Bearbeitungskopf (9, 14, 19, 21) angeordneten Düse (3) erzeugt wird, wird vorgeschlagen, dass der Flüssigkeitsstrahl (5) während der Werkstückbearbeitung relativ zum Bearbeitungskopf (9, 14, 19, 21) bewegt wird. Eine Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstückes unter Einsatz eines Flüssigkeitsstrahls, umfassend einen Mittel zur Flüssigkeitszuführung aufweisenden Bearbeitungskopf (9, 14, 19, 21) und eine am Bearbeitungskopf (9, 14, 19, 21) angeordnete Düse (3) zur Erzeugung des Flüssigkeitsstrahls (5), kennzeichnet sich durch Mittel zur gesteuerten Bewegung des Flüssigkeitsstrahls (5) relativ zum Bearbeitungskopf (9, 14, 19, 21).In a method for machining a workpiece using a liquid jet in which the liquid jet (5) is produced by means of a nozzle (3) arranged on a processing head (9, 14, 19, 21), it is proposed that the liquid jet (5) be during workpiece machining relative to the machining head (9, 14, 19, 21) is moved. An apparatus for processing a workpiece using a liquid jet comprising a processing head (9, 14, 19, 21) having a liquid supply means and a nozzle (3) arranged at the processing head (9, 14, 19, 21) for producing the liquid jet ( 5), characterized by means for controlled movement of the liquid jet (5) relative to the processing head (9, 14, 19, 21).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 8.The invention relates to a method according to the preamble of claim 1 and to a device according to the preamble of claim 8.

Ein Verfahren sowie eine Vorrichtung der eingangs genannten Art sind aus der WO 2010/113127 A2 bekannt. Die dort offenbarte Vorrichtung zum Flüssigkeitsstrahlschneiden eines Werkstückes weist einen Bearbeitungskopf auf, welcher an einer Halterung um eine Drehachse drehbar ist. Die Halterung selbst ist ebenfalls relativ zu einem zu bearbeitenden Werkstück verfahrbar.A method and a device of the type mentioned are from the WO 2010/113127 A2 known. The disclosed therein apparatus for liquid jet cutting a workpiece has a machining head, which is rotatable on a holder about an axis of rotation. The holder itself is also movable relative to a workpiece to be machined.

Im Allgemeinen ist zudem bekannt, anstelle eines Bearbeitungskopfes oder einer Halterung des Bearbeitungskopfes das zu bearbeitende Werkstück zu bewegen. Sowohl bei einer Bewegung des massebehafteten Werkstückes als auch von Bearbeitungseinheiten relativ zum Werkstück benötigt die Beschleunigung der Masse einen entsprechenden Einsatz von Energie. Neben dem Energieaufwand sind zudem mit zunehmender Masse wachsende Schwierigkeiten bei der Bearbeitungsgenauigkeit zu erwarten.In general, it is also known, instead of a machining head or a holder of the machining head to move the workpiece to be machined. Both in a movement of the mass-loaded workpiece as well as machining units relative to the workpiece, the acceleration of the mass requires a corresponding use of energy. In addition to the energy consumption, increasing difficulties in machining accuracy are to be expected with increasing mass.

Der hier betroffenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, welche eine hochgenaue und energieeffiziente Bearbeitung von Werkstücken erlauben.The present invention has for its object to provide a method and apparatus of the type mentioned above, which allow a highly accurate and energy-efficient machining of workpieces.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 und bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 8 gelöst. Beispielhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.This object is achieved in a method of the type mentioned by the characterizing features of claim 1 and in a device of the type mentioned by the characterizing features of claim 8. Exemplary embodiments of the method according to the invention and of the device according to the invention emerge from the dependent claims.

Demnach wird der Flüssigkeitsstrahl, welcher mittels einer am Bearbeitungskopf angeordneten Düse erzeugt wird, während der Werkstückbearbeitung mit Strahlrichtungsänderung relativ zum Bearbeitungskopf bewegt. Der Flüssigkeitsstrahl kann ein Wasserstrahl sein. Andere Flüssigkeiten, insbesondere auch solche mit höherer Viskosität, wie z.B. Öle, beispielsweise Mineralöle, Silikonöle oder synthetische Öle, können ebenfalls für den Flüssigkeitsstrahl eingesetzt werden.Accordingly, the liquid jet, which is generated by means of a nozzle arranged on the machining head, is moved relative to the machining head during workpiece machining with beam direction change. The liquid jet may be a jet of water. Other liquids, especially those of higher viscosity, e.g. Oils, such as mineral oils, silicone oils or synthetic oils, can also be used for the liquid jet.

Auf diese Weise kann eine Relativbewegung zwischen Werkstück und Bearbeitungskopf vermieden oder jedenfalls reduziert werden. Der für die Beschleunigung hoher Massen auftretende Energiebedarf wird vermieden. Zudem wird die Bearbeitungsgenauigkeit nicht aufgrund der ansonsten notwendigen Beschleunigung gegebenenfalls hoher Massen beeinträchtigt. Besonders vorteilhaft ist die Bewegung des Flüssigkeitsstrahls auch bei einer sogenannten „Wobbelbewegung“, bei der der Flüssigkeitsstrahl in einer Art Rührbewegung über das Werkstück geführt wird. So kann z.B. eine Vorwärtsbewegung des Bearbeitungsstrahls mit einer senkrecht zur Vorwärtsbewegung ausgeführten Schwenkbewegung oder einer kreisartigen Bewegung überlagert werden. Die ist z.B. bei einer in das Werkstück einzubringenden nutartigen Struktur sinnvoll, welche breiter als der Bearbeitungsstrahl ist.In this way, a relative movement between the workpiece and machining head can be avoided or at least reduced. The energy required for the acceleration of high masses is avoided. In addition, the machining accuracy is not affected due to the otherwise necessary acceleration of possibly high masses. The movement of the liquid jet is also particularly advantageous in the case of a so-called "wobble motion" in which the liquid jet is guided over the workpiece in a kind of stirring motion. Thus, e.g. a forward movement of the machining beam are superimposed with a pivoting movement carried out perpendicular to the forward movement or a circular movement. This is e.g. makes sense in a groove-like structure to be introduced into the workpiece, which is wider than the processing beam.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann so ausgeführt werden, dass die Bewegung des Flüssigkeitsstrahls durch eine Bewegung der Düse relativ zum Bearbeitungskopf bewegt wird. Bei der Bewegung der Düse kann es sich um eine rotatorische und/oder translatorische Bewegung relativ zum Bearbeitungskopf handeln. Eine derartige Bewegung verändert die Düsenrichtung und damit die Richtung des Flüssigkeitsstrahls in entsprechender Weise. Wird die Düse als Teil des Bearbeitungskopfes betrachtet, ist mit der Bewegung relativ zum Bearbeitungskopf gemeint, dass eine Bewegung relativ zum verbleibenden Teil des Bearbeitungskopfes erfolgt.The inventive method can be carried out so that the movement of the liquid jet is moved by a movement of the nozzle relative to the machining head. The movement of the nozzle may be a rotary and / or translatory movement relative to the machining head. Such a movement changes the nozzle direction and thus the direction of the liquid jet in a corresponding manner. When the nozzle is considered part of the machining head, movement relative to the machining head means that movement is relative to the remaining part of the machining head.

Die Bewegung der Düse kann durch mechanische Stelltriebe, z. B. magnetische Aktuatoren, oder durch direkte Formänderung eines Düsenträgers, z. B. durch piezo- oder magnetorestriktive Elemente realisiert werden. Auf diese Weise können hohe Stellgeschwindigkeiten erreicht werden.The movement of the nozzle can be controlled by mechanical actuators, z. As magnetic actuators, or by direct change in shape of a nozzle carrier, z. B. be realized by piezo or magnetostrictive elements. In this way, high actuating speeds can be achieved.

Die Düse kann unmittelbar an einem unter Druck stehenden Flüssigkeitsreservoir angeordnet sein. Alternativ ist es möglich, der Düse über Zuleitungen die Flüssigkeit zuzuführen.The nozzle can be arranged directly on a pressurized liquid reservoir. Alternatively, it is possible to supply the nozzle via leads the liquid.

Je nach Bauform kann für die Düse oder den Düsenträger ein hydrostatischer Kraftausgleich vorgesehen werden, z. B. indem auf der dem Flüssigkeitsreservoir abgewandten Seite der Düse oder des Düsenträgers ein entsprechender Gegendruck eingestellt wird. Damit wären die notwendigen Stellkräfte von Stelltrieben weitgehend unabhängig vom im Flüssigkeitsreservoir gegebenen Flüssigkeitsdruck.Depending on the design, a hydrostatic force balance can be provided for the nozzle or the nozzle carrier, z. B. by a corresponding back pressure is adjusted on the side facing away from the liquid reservoir side of the nozzle or the nozzle carrier. Thus, the necessary actuating forces of actuators would be largely independent of the liquid pressure given in the liquid reservoir.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch so ausgeführt werden, dass die Bewegung des Flüssigkeitsstrahls mittels eines in seiner Ausrichtung und/oder Stärke steuerbaren oder regelbaren Kraftfeldes, insbesondere eines elektrischen Feldes, bewirkt wird. Die Bewegung des Flüssigkeitsstrahls ist auch mit Beaufschlagung von Ultraschall oder sonstigen zeitlich sich ändernden Druckfeldern denkbar, sofern ausgeprägte Störungen des Flüssigkeitsstrahls vermieden werden können. The method according to the invention can also be carried out such that the movement of the liquid jet is effected by means of a force field, in particular an electric field, that can be controlled or regulated in its orientation and / or strength. The movement of the liquid jet is also conceivable with the application of ultrasound or other time-varying pressure fields, provided that pronounced disturbances of the liquid jet can be avoided.

Im Falle des elektrischen Feldes bewirken z.B. in der Flüssigkeit vorhandene Dipole eine Ablenkbarkeit des Flüssigkeitsstrahls. Somit kann der Flüssigkeitsstrahl ohne jede Bewegung eines flüssigkeitsführenden mechanischen Teils gezielt ausgelenkt werden, wodurch insbesondere eine verringerte Verschleißanfälligkeit gegeben ist. Zudem können aufwendige Dichtungen einer mechanischen Aufhängung einer Düse oder eines Düsenträgers eingespart werden. Das elektrische Feld kann beispielsweise mittels Kondensatorplatten und/oder elektrischen Spulen erzeugt werden.In the case of the electric field, for example, dipoles present in the liquid cause a Deflectability of the liquid jet. Thus, the liquid jet can be selectively deflected without any movement of a liquid-conducting mechanical part, whereby in particular a reduced susceptibility to wear is given. In addition, expensive seals of a mechanical suspension of a nozzle or a nozzle carrier can be saved. The electric field can be generated for example by means of capacitor plates and / or electrical coils.

Die Bewegung des Flüssigkeitsstrahls kann mit einer Bewegung des Werkstückes relativ zur Bearbeitungseinheit kombiniert werden, so dass weitere Variationsmöglichkeiten gegeben sind.The movement of the liquid jet can be combined with a movement of the workpiece relative to the processing unit, so that further variations are possible.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch so ausgeführt werden, dass der Flüssigkeitsstrahl als Lichtleiter für einen elektromagnetischen Bearbeitungsstrahl eingesetzt wird. Die Kombination eines Flüssigkeitsstrahls mit einem elektromagnetischen Bearbeitungsstrahl, insbesondere einem Laserstrahl, ist z. B. aus der WO 1999/56907 A1 bekannt. Dabei wird der Flüssigkeitsstrahl im Wesentlichen als Strahlleiter für den elektromagnetischen Bearbeitungsstrahl eingesetzt. In diesem Fall kann die Flüssigkeit mit im Vergleich zur reinen Bearbeitung mit der Flüssigkeit niedrigerem Druck eingesetzt werden. Es ist jedoch auch möglich, neben dem Laserstrahl auch den Flüssigkeitsstrahl selbst zur unmittelbaren Bearbeitung des Werkstückes einzusetzen. Die Kombination des elektromagnetischen Bearbeitungsstrahls mit dem Flüssigkeitsstrahl hat den Vorteil, dass der Flüssigkeitsstrahl eine unerwünschte Aufweitung des elektromagnetischen Bearbeitungsstrahls verhindert. Hierdurch ist es möglich, die nutzbare Arbeitslänge des Laserstrahls, die typischerweise zwischen Austritt und Bearbeitungsstelle am Werkstück bei etwa 1 mm liegt, mit Hilfe des Flüssigkeitsstrahls deutlich zu erweitern. So kann eine Strahllänge von z.B. 30 mm bis 80 mm mit stabilem Durchmesser erreicht werden. Zudem kann die Stabilität des Flüssigkeitsstrahls mit Hilfsmitteln, z. B einem umgebenden Gasstrahl, z. B. aus Helium, weiter stabilisiert werden.The inventive method can also be carried out so that the liquid jet is used as a light guide for an electromagnetic processing beam. The combination of a liquid jet with an electromagnetic processing beam, in particular a laser beam is z. B. from the WO 1999/56907 A1 known. In this case, the liquid jet is used essentially as a beam guide for the electromagnetic processing beam. In this case, the liquid can be used with lower pressure compared to pure working with the liquid. However, it is also possible to use in addition to the laser beam and the liquid jet itself for immediate processing of the workpiece. The combination of the electromagnetic processing beam with the liquid jet has the advantage that the liquid jet prevents unwanted expansion of the electromagnetic processing beam. This makes it possible to significantly expand the usable working length of the laser beam, which is typically between outlet and processing point on the workpiece at about 1 mm, with the aid of the liquid jet. Thus, a beam length of eg 30 mm to 80 mm can be achieved with a stable diameter. In addition, the stability of the liquid jet with aids, such. B a surrounding gas jet, z. B. helium, be further stabilized.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch so ausgeführt werden, dass mit dem Flüssigkeitsstrahl Bearbeitungspartikel zur Bearbeitung des Werkstückes mitgeführt werden. Bearbeitungspartikel können z.B. abrasiv wirkende Stoffe sein, mit denen beispielsweise Strukturen in das Werkstück eingebracht oder Schichten entfernt werden können. Beispiele für abrasiv wirkende Stoffe sind mineralische Partikel, wie z.B. Korund oder Granatsand, oder Oxidwerkstoffe, wie z.B. Bauxit, Aluminiumoxid oder Siliziumoxid, oder metallische Werkstoffe, z.B. aus Stahl, oder organische Werkstoffe, wie z.B. Kunststoff oder Partikel von Nussschalen. Die Partikel können als Granulat, Kugeln, Bruchstücke oder in sonstigen Formen vorliegen. Bearbeitungspartikel können auch Körper sein, welche ohne Abrasivwirkung die Oberfläche bearbeiten, beispielsweise mittels kinetischer Energie. So können z.B. Kugeln, beispielsweise aus Stahl, zur Oberflächenverfestigung oder für sonstige Bearbeitungsschritte eingesetzt werden. The method according to the invention can also be carried out in such a way that machining particles for processing the workpiece are carried along with the liquid jet. Processing particles may e.g. be abrasive substances with which, for example, structures introduced into the workpiece or layers can be removed. Examples of abrasive substances are mineral particles, e.g. Corundum or garnet sand, or oxide materials, e.g. Bauxite, alumina or silica, or metallic materials, e.g. made of steel, or organic materials, such as e.g. Plastic or particles of nutshells. The particles may be present as granules, spheres, fragments or in other forms. Machining particles can also be bodies which process the surface without abrasive action, for example by means of kinetic energy. Thus, e.g. Balls, for example made of steel, are used for surface hardening or other processing steps.

Je nach Anteil des Partikelstrahls am Gesamtstrahl aus Flüssigkeit und Partikeln erfolgt die Bearbeitung überwiegend durch die Flüssigkeit oder die Partikel oder auch gleichwertig nebeneinander. Dabei ist es auch möglich, Bearbeitungspartikel einzusetzen, welche durch ein Kraftfeld, z.B. durch ein elektrisches Feld, in ihrer Bewegungsrichtung abgelenkt werden können. Dabei kann dasselbe Kraftfeld eingesetzt werden, welches auch den Flüssigkeitsstrahl relativ zum Bearbeitungskopf bewegt. Alternativ können auch unterschiedliche Kraftfelder für den Flüssigkeitsstrahl auf der einen Seite und die Bearbeitungspartikel auf der anderen Seite eingesetzt werden. Depending on the proportion of the particle beam on the total jet of liquid and particles, the processing is predominantly carried out by the liquid or the particles or even equivalently next to each other. It is also possible to use machining particles which are moved by a force field, e.g. by an electric field, can be deflected in their direction of movement. In this case, the same force field can be used, which also moves the liquid jet relative to the machining head. Alternatively, different force fields for the liquid jet on one side and the processing particles on the other side can be used.

Vorzugsweise verbleiben die Bearbeitungspartikel auch dann im Flüssigkeitsstrahl, wenn dieser relativ zum Bearbeitungskopf bewegt wird. Dies ist – unabhängig von einer möglichen Wechselwirkung eines Kraftfeldes mit den Bearbeitungspartikeln – insbesondere dann erreichbar, wenn im Flüssigkeitsstrahl eine Flüssigkeit mit gegenüber Wasser höherer Viskosität eingesetzt wird.Preferably, the machining particles remain in the liquid jet even when it is moved relative to the machining head. This is - regardless of a possible interaction of a force field with the machining particles - especially achievable if a liquid is used in the liquid jet with respect to water of higher viscosity.

Der Flüssigkeitsstrahl kann auch ein Material enthalten, welches am zu bearbeitenden Werkstück chemisch aktiv ist oder für eine chemische Reaktion aktiviert werden kann. Durch einen weiteren Stoff oder durch einen, vorzugsweise im Flüssigkeitsstrahl geführten, elektromagnetischen Bearbeitungsstrahl kann die Aktivierungsenergie einer chemischen Reaktion reduziert werden, so dass selektiv auf der Bauteiloberfläche eine chemische Reaktion als Bearbeitungsaufgabe stattfinden kann, z.B. beim laseraktivierten Ätzen oder beim laseraktivierten Beschichten. Das chemisch aktive oder zu aktivierende Material kann ebenfalls flüssig sein.The liquid jet may also contain a material which is chemically active on the workpiece to be machined or activated for a chemical reaction. The activating energy of a chemical reaction can be reduced by a further substance or by an electromagnetic processing beam, preferably in the liquid jet, so that a chemical reaction as a processing task can take place selectively on the component surface, e.g. during laser-activated etching or during laser-activated coating. The chemically active or to be activated material may also be liquid.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch so ausgeführt werden, dass mindestens ein zweiter Flüssigkeitsstrahl zur Werkstückbearbeitung eingesetzt wird. Dabei können verschiedene Flüssigkeitsstrahlen mit unterschiedlichen Flüssigkeiten versehen werden. Insbesondere kann es vorteilhaft sein, wenn für jeden Flüssigkeitsstrahl eine eigene Düse vorgesehen wird, die getrennt von der anderen oder den anderen Düsen gesteuert werden kann. Auf diese Weise ist es möglich, das Werkstück gleichzeitig mit zwei oder mehr Flüssigkeitsstrahlen gleichzeitig zu beaufschlagen, die unabhängig voneinander gesteuert oder geregelt werden können. Auf diese Weise kann ein erheblicher Zeitgewinn bei der Werkstückbearbeitung erreicht werden. Für jeden der weiteren Flüssigkeitsstrahlen kann zu seiner Bewegung eine Bewegung der Düse oder der Einsatz eines Kraftfeldes dienen. Innerhalb einer Bearbeitungseinrichtung können auch beide Varianten parallel zueinander eingesetzt werden. Des Weiteren ist es möglich, für den zweiten oder jeden weiteren Flüssigkeitsstrahl die Einkopplung eines elektromagnetischen Bearbeitungsstrahls oder den Zusatz von Bearbeitungspartikeln oder sonstiger Materialien vorzusehen. Auch können bezüglich der Einkopplung von elektromagnetischen Strahlen oder von Bearbeitungspartikeln oder sonstigen Materialien bei verschiedenen Flüssigkeitsstrahlen verschiedene Maßnahmen eingesetzt werden, so dass die Variabilität bei der Werkstückbearbeitung erheblich erhöht werden kann.The inventive method can also be carried out so that at least a second liquid jet is used for workpiece machining. Different liquid jets can be provided with different liquids. In particular, it may be advantageous if a separate nozzle is provided for each liquid jet, which can be controlled separately from the other or the other nozzles. In this way it is possible to apply simultaneously to the workpiece simultaneously two or more liquid jets which can be controlled or regulated independently of each other. In this way, a significant amount of time can be achieved in the workpiece machining. For each of the other liquid jets can serve to move it, a movement of the nozzle or the use of a force field. Within a processing device, both variants can be used in parallel. Furthermore, it is possible to provide for the second or each further liquid jet the coupling of an electromagnetic machining beam or the addition of machining particles or other materials. Also, various measures can be used with respect to the coupling of electromagnetic radiation or of machining particles or other materials in different liquid jets, so that the variability in the workpiece machining can be significantly increased.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch so ausgeführt werden, dass der Flüssigkeitsstrahl oder mindestens einer der Flüssigkeitsstrahlen von einem weiteren Medium umgeben ist. Dieses weitere Medium weist vorzugsweise eine im Vergleich zur Flüssigkeit des Flüssigkeitsstrahls geringere Dichte auf. Insbesondere kann das weitere Medium gasförmig, z.B. Stickstoff oder Helium, sein. Das weitere Medium kann zum Schutz des Flüssigkeitsstrahls gegen die Umgebung dienen und/oder dem Flüssigkeitsstrahl zusätzliche Stabilität geben. The inventive method can also be carried out so that the liquid jet or at least one of the liquid jets is surrounded by another medium. This further medium preferably has a lower density compared to the liquid of the liquid jet. In particular, the further medium may be gaseous, e.g. Nitrogen or helium. The additional medium can serve to protect the liquid jet against the environment and / or give the liquid jet additional stability.

Für eine möglichst störungsfreie Einleitung eines elektromagnetischen Strahls, eines Bearbeitungspartikelstrahls oder eines sonstigen Materials in den Flüssigkeitsstrahl kann es bei bewegter Düse vorteilhaft sein, die Bewegung der Düse so auszuführen, dass die Düsenöffnung in einem Neutralpunkt der Düsenbewegung liegt. Auf diese Weise kann bei bewegtem Flüssigkeitsstrahl eine Änderung der Zuführung des elektromagnetischen Strahls oder der Bearbeitungspartikel vermieden werden.For the most trouble-free possible introduction of an electromagnetic beam, a machining particle beam or other material in the liquid jet, it may be advantageous in moving the nozzle to perform the movement of the nozzle so that the nozzle opening is in a neutral point of the nozzle movement. In this way, a change in the supply of the electromagnetic beam or the machining particles can be avoided with a moving liquid jet.

Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der erfindungsgemäßen Vorrichtung beispielhaft anhand von Figuren dargestellt. In the following, preferred embodiments of the method according to the invention and of the device according to the invention are illustrated by way of example with reference to figures.

Es zeigt jeweils schematischIt shows each schematically

1: ein Bearbeitungskopf mit beweglicher Düse für einen Flüssigkeitsstrahl und Einkopplung eines Laserstrahls, 1 a machining head with a movable nozzle for a liquid jet and coupling of a laser beam,

2: einen Bearbeitungskopf mit formveränderbarer Düse, 2 : a machining head with a shape-adjustable nozzle,

3: ein Bearbeitungskopf mit magnetisch bewegter Düse in einer ersten Bauart, 3 : a machining head with a magnetically moved nozzle in a first design,

4: einen Bearbeitungskopf mit einer magnetisch bewegbaren Düse in zweiter Bauart und 4 a machining head with a magnetically movable nozzle in the second type and

5: Bearbeitungskopf mit durch elektrischem Feld bewegtem Flüssigkeitsstrahl. 5 : Processing head with liquid jet moved by electric field.

1 zeigt einen Teil eines Bearbeitungskopfes 1 mit einer in einem Flüssigkeitsbehälter 24 befindlichen Flüssigkeit 2 und einem eine Düse 3 bildenden Düsenträger 4. Zudem ist ein Vorratsbehälter 12 und eine Zuleitung 13 für die Flüssigkeit 2 dargestellt. Aus der Düse 3 tritt ein Flüssigkeitsstrahl 5, der auf ein Werkstück 6 fällt. In die Flüssigkeit 2 und den Flüssigkeitsstrahl 5 wird ein Laserstrahl 7 derart eingekoppelt, dass er durch den Flüssigkeitsstrahl 5, der als Wellenleiter dient, auf das Werkstück 6 geleitet wird. Der Flüssigkeitsstrahl 5 dient vorrangig als Wellenleiter, während die Bearbeitung des Werkstückes 6 im Wesentlichen durch den Laserstrahl 7 erfolgt. 1 shows a part of a machining head 1 with one in a liquid container 24 located liquid 2 and a nozzle 3 forming nozzle carrier 4 , There is also a storage tank 12 and a supply line 13 for the liquid 2 shown. Out of the nozzle 3 occurs a liquid jet 5 that is on a workpiece 6 falls. In the liquid 2 and the liquid jet 5 becomes a laser beam 7 coupled in such a way that it passes through the liquid jet 5 , which serves as a waveguide, on the workpiece 6 is directed. The liquid jet 5 serves primarily as a waveguide while machining the workpiece 6 essentially by the laser beam 7 he follows.

Die durch einen Doppelpfeil 8 angedeutete Neigung des Düsenträgers 4 zur Horizontalen ist zeitlich veränderlich, wodurch der Flüssigkeitsstrahl 5 relativ zum Bearbeitungskopf 2 beweglich ausgestaltet ist. Die Neigung kann in unterschiedliche Richtungen erfolgen, so dass der Flüssigkeitsstrahl 5 auf der Oberfläche des Werkstückes 6 zusammen mit dem Laserstrahl 7 die Werkstückoberfläche in zwei Dimensionen überstreichen kann.The by a double arrow 8th indicated inclination of the nozzle carrier 4 to the horizontal is temporally variable, causing the liquid jet 5 relative to the machining head 2 is designed movable. The inclination can be done in different directions, so that the liquid jet 5 on the surface of the workpiece 6 together with the laser beam 7 can sweep the workpiece surface in two dimensions.

Für eine möglichst störungsfreie Einleitung des Laserstrahls 7 in den Flüssigkeitsstrahl 5 ist es vorteilhaft, die Bewegung des Düsenträgers 4 so auszuführen, dass die Öffnung der Düse 3 in einem Neutralpunkt der Bewegung liegt, so dass bei bewegtem Flüssigkeitsstrahl 5 die Zuführung des Laserstrahls 7 nicht geändert werden muss.For a trouble-free introduction of the laser beam 7 in the liquid jet 5 It is beneficial to the movement of the nozzle carrier 4 to do so, that the opening of the nozzle 3 is in a neutral point of movement, so with moving liquid jet 5 the supply of the laser beam 7 does not need to be changed.

2 zeigt einen Bearbeitungskopf 9 mit einem formveränderbaren Düsenträger 10. Die Formveränderbarkeit kann beispielsweise mittels piezoelektrischer Elemente 11 bewirkt werden. Soweit in 2 und in den folgenden Figuren Bezugszeichen mit denen zu 1 identisch sind, wird auf die Darstellung zu 1 verwiesen. 2 shows a machining head 9 with a changeable nozzle carrier 10 , The shape changeability can be achieved, for example, by means of piezoelectric elements 11 be effected. As far as in 2 and in the following figures reference numerals with those 1 are identical, the representation becomes 1 directed.

3 zeigt eine weitere Variante eines Bearbeitungskopfes 14, bei der der Düsenträger 15 in einem Kugelgelenk 16 angeordnet ist. Die Bewegung des Düsenträgers 15 erfolgt mittels magnetischer Felder. Hierzu sind innerhalb des Kugelgelenks 16 erste Magnete 17 und außerhalb des Kugelgelenks 16 zweite Magnete 18 angeordnet. Durch Bewegung der zweiten Magnete 18 wird das auf die ersten Magnete 17 wirkende Magnetfeld verändert, wodurch über das Kugelgelenk 16 der Düsenträger 15 in seiner Neigung verändert werden kann. Die zweiten Magnete 18 können auch durch Elektromagnete gebildet sein, sodass auf elektrischem Wege das magnetische Kraftfeld zur Steuerung der Bewegung des Düsenträgers 15 verändert werden kann. 3 shows a further variant of a machining head 14 in which the nozzle carrier 15 in a ball joint 16 is arranged. The movement of the nozzle carrier 15 done by means of magnetic fields. For this purpose are within the ball joint 16 first magnets 17 and outside the ball joint 16 second magnets 18 arranged. By moving the second magnets 18 that will be on the first magnets 17 Acting magnetic field changes, causing the ball joint 16 the nozzle carrier 15 can be changed in its inclination. The second magnets 18 can also be formed by electromagnets, so that electrically the magnetic force field to control the movement of the nozzle carrier 15 can be changed.

4 zeigt eine weitere Variante eines Bearbeitungskopfes 19, bei dem ebenfalls der Düsenträger 15 in einem Kugelgelenk 16 angeordnet ist. Anders als in 3 sind die ersten Magnete 17 außerhalb des Kugelgelenks 16 an einem Durchführungsrohr 20 angeordnet. Über eine Veränderung des magnetischen Kraftfeldes mittels der zweiten Magnete 18 wird über das Durchführungsrohr 20 und das Kugelgelenk 16 der Düsenträger 15 in seiner Neigung geändert. 4 shows a further variant of a machining head 19 , in which also the nozzle carrier 15 in a ball joint 16 is arranged. Unlike in 3 are the first magnets 17 outside the ball joint 16 on a bushing 20 arranged. About a change of the magnetic force field by means of the second magnets 18 gets over the bushing tube 20 and the ball joint 16 the nozzle carrier 15 changed in its inclination.

5 zeigt eine weitere Variante eines Bearbeitungskopfes 21 mit einem am Bearbeitungskopf 21 unbeweglich angeordneten Düsenträger 22. Die Bewegung des Flüssigkeitsstrahls 5 erfolgt hier mit einem gesteuert zeitlich veränderbaren elektrischen Feld, welches durch Felderzeugungsmittel 23, zum Beispiel Kondensatorplatten, erzeugt wird. 5 shows a further variant of a machining head 21 with one at the processing head 21 immovably arranged nozzle carrier 22 , The movement of the liquid jet 5 takes place here with a controlled time-variable electric field, which by field-generating means 23 , For example, capacitor plates, is generated.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1 1: Bearbeitungskopf processing head
2 2: Flüssigkeit liquid
3 3: Düse jet
44: Düsenträger nozzle carrier
5 5: Flüssigkeitsstrahl liquid jet
6 6: Werkstück workpiece
7 7: Laserstrahl laser beam
8 8th: Doppelpfeil double arrow
9 9: Bearbeitungskopfprocessing head
1010: Düsenträger nozzle carrier
1111: piezoelektrisches Element piezoelectric element
1212: externer Vorratsbehälter external storage tank
1313: Zuleitung supply
1414: Bearbeitungskopf processing head
1515: Düsenträger nozzle carrier
1616: Kugelgelenk ball joint
1717: erste Magnete first magnets
1818: zweite Magnete second magnets
1919: Bearbeitungskopf processing head
2020: Durchführungsrohr Through tube
2121: Bearbeitungskopf processing head
2222: Düsenträger nozzle carrier
2323: Felderzeugungsmittel Field-generating means
2424: Flüssigkeitsbehälter liquid container

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

WO 2010/113127 A2 [0002] WO 2010/113127 A2 [0002]
WO 1999/56907 A1 [0015] WO 1999/56907 A1 [0015]

Claims

Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstückes unter Einsatz eines Flüssigkeitsstrahls, bei dem der Flüssigkeitsstrahl (5) mittels einer an einem Bearbeitungskopf (9, 14, 19, 21) angeordneten Düse (3) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitsstrahl (5) während der Werkstückbearbeitung relativ zum Bearbeitungskopf (9, 14, 19, 21) bewegt wird.Method for machining a workpiece using a liquid jet, in which the liquid jet ( 5 ) by means of a on a processing head ( 9 . 14 . 19 . 21 ) arranged nozzle ( 3 ), characterized in that the liquid jet ( 5 ) during workpiece machining relative to the machining head ( 9 . 14 . 19 . 21 ) is moved.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung des Flüssigkeitsstrahls (5) durch eine Bewegung der Düse (3) relativ zum Bearbeitungskopf (9, 14, 19, 21) bewirkt wird.A method according to claim 1, characterized in that the movement of the liquid jet ( 5 ) by a movement of the nozzle ( 3 ) relative to the machining head ( 9 . 14 . 19 . 21 ) is effected.

Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung des Flüssigkeitsstrahls (5) mittels eines in seiner Ausrichtung und/oder Stärke steuerbaren oder regelbaren Kraftfeldes bewirkt wird.Method according to claim 1 or 2, characterized in that the movement of the liquid jet ( 5 ) is effected by means of a controllable or adjustable in its orientation and / or strength force field.

Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftfeld ein elektrisches Feld ist.A method according to claim 3, characterized in that the force field is an electric field.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitsstrahl (5) als Lichtleiter für einen elektromagnetischen Bearbeitungsstrahl (7) eingesetzt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the liquid jet ( 5 ) as a light guide for an electromagnetic processing beam ( 7 ) is used.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Flüssigkeitsstrahl (5) Bearbeitungspartikel zur Bearbeitung des Werkstückes (6) mitgeführt werden. Method according to one of the preceding claims, characterized in that with the liquid jet ( 5 ) Machining particles for machining the workpiece ( 6 ) are carried.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein zweiter Flüssigkeitsstrahl (5) zur Werkstückbearbeitung eingesetzt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that at least one second liquid jet ( 5 ) is used for workpiece machining.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitsstrahl oder bei Rückbezug auf Anspruch 7 mindestens einer der Flüssigkeitsstrahlen von einem weiteren Medium, vorzugsweise einem Medium mit im Vergleich zur Flüssigkeit (2) des Flüssigkeitsstrahls geringerer Dichte, weiter vorzugsweise einem gasförmigen Medium umströmt ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the liquid jet or when referring back to claim 7 at least one of the liquid jets of a further medium, preferably a medium with respect to the liquid ( 2 ) of the liquid jet of lower density, further preferably flows around a gaseous medium.

Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstückes unter Einsatz eines Flüssigkeitsstrahls, umfassend einen Mittel zur Flüssigkeitszuführung aufweisenden Bearbeitungskopf (9, 14, 19, 21) und eine am Bearbeitungskopf (9, 14, 19, 21) angeordnete Düse (3) zur Erzeugung des Flüssigkeitsstrahls (5), gekennzeichnet durch Mittel zur gesteuerten Bewegung des Flüssigkeitsstrahls (5) relativ zum Bearbeitungskopf (9, 14, 19, 21).Device for machining a workpiece using a fluid jet, comprising a processing head ( 9 . 14 . 19 . 21 ) and one at the processing head ( 9 . 14 . 19 . 21 ) arranged nozzle ( 3 ) for generating the liquid jet ( 5 ), characterized by means for the controlled movement of the liquid jet ( 5 ) relative to the machining head ( 9 . 14 . 19 . 21 ).

Vorrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch Mittel (11, 17, 18) zur gesteuerten Bewegung der Düse (3) relativ zum Bearbeitungskopf (9, 14, 19, 21).Device according to claim 9, characterized by means ( 11 . 17 . 18 ) for controlled movement of the nozzle ( 3 ) relative to the machining head ( 9 . 14 . 19 . 21 ).

Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, gekennzeichnet durch Mittel (23) zur Erzeugung eines in seiner Ausrichtung und/oder Stärke steuerbaren oder regelbaren, zur Bewegung des Flüssigkeitsstrahls (5) relativ zum Bearbeitungskopf (9, 14, 19, 21) dienenden Kraftfeldes.Device according to claim 9 or 10, characterized by means ( 23 ) for generating a controllable or adjustable in its orientation and / or strength, for moving the liquid jet ( 5 ) relative to the machining head ( 9 . 14 . 19 . 21 ) serving force field.

Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftfeld ein elektrisches Feld ist. Apparatus according to claim 11, characterized in that the force field is an electric field.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, gekennzeichnet durch Mittel zur Einleitung eines elektromagnetischen Bearbeitungsstrahls (7) in den als Strahlleiter dienenden Flüssigkeitsstrahl (5)Device according to one of Claims 9 to 12, characterized by means for introducing an electromagnetic machining beam ( 7 ) in the jet of liquid ( 5 )

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, gekennzeichnet durch Mittel zur Einleitung von Bearbeitungspartikeln in den Flüssigkeitsstrahl (5).Device according to one of claims 9 to 13, characterized by means for introducing machining particles into the liquid jet ( 5 ).

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, gekennzeichnet durch mindestens eine am Bearbeitungskopf (9, 14, 19, 21) angeordnete zusätzliche Düse (3) zur Erzeugung mindestens eines weiteren Flüssigkeitsstrahls (5).Device according to one of claims 9 to 14, characterized by at least one on the processing head ( 9 . 14 . 19 . 21 ) arranged additional nozzle ( 3 ) for generating at least one further liquid jet ( 5 ).

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, gekennzeichnet durch Mittel zum Umströmen des Flüssigkeitsstrahls (5) oder bei Rückbezug auf Anspruch 15 mindestens eines der Flüssigkeitsstrahlen (5) mit einem weiteren Medium, vorzugsweise einem Medium mit im Vergleich zur Flüssigkeit (2) des umgebenen Flüssigkeitsstrahls (5) geringerer Dichte, weiter vorzugsweise einem gasförmigen Medium.Device according to one of claims 9 to 15, characterized by means for flowing around the liquid jet ( 5 ) or when referring back to claim 15 at least one of the liquid jets ( 5 ) with another medium, preferably a medium with respect to the liquid ( 2 ) of the surrounding liquid jet ( 5 ) of lower density, more preferably a gaseous medium.