DE102018131886B3

DE102018131886B3 - Vorrichtung zur Strömungsführung eines Prozessmediums für eine Laserbearbeitungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102018131886B3
Application number: DE102018131886.3A
Authority: DE
Inventors: Marc-Gordon Griguhn; Mark Ninow
Original assignee: Thermacut K S; Thermacut Ks; Scansonic MI GmbH
Current assignee: Scansonic MI GmbH
Priority date: 2018-09-26
Filing date: 2018-12-12
Publication date: 2020-02-13
Anticipated expiration: 2038-12-13
Also published as: WO2020064050A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Strömungsführung eines Prozessmediums für eine Laserbearbeitungsvorrichtung, die die Erzeugung eines weitestgehend laminaren Strömungsprofils des Prozessmediums bei gleichzeitig effektiver Kühlung eines optischen Elements ermöglicht. Die Vorrichtung zur Strömungsführung besitzt eine Ringdüse (6) zur Einleitung des Prozessmediums in einen das Prozessmedium führenden Arbeitskanal (9) im Nahbereich des optischen Elements (1) und eine im Zuströmbereich zur Ringdüse (6) angeordnete Druckkammer (4) zur Homogenisierung der umfänglichen Druckverteilung des an der Ringdüse (6) anliegenden Prozessmediendruckes. Die Vorrichtung eignet sich insbesondere zur Schneidgasführung von Laserschneidvorrichtungen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Strömungsführung eines Prozessmediums für eine Laserbearbeitungs-, insbesondere eine Laserschneidvorrichtung.
Bei Laserbearbeitungsverfahren wie dem Laserstrahlschneiden wird Schneidgas als Prozessmedium für einen erfolgreichen Schnitt benötigt. Dazu wird das Schneidgas über eine Druckleitung einem Arbeitskanal im Laserbearbeitungskopf der Laserbearbeitungsvorrichtung zugeführt, aus dem es anschließend an die Bearbeitungsposition der zu bearbeitenden Werkstücke geleitet wird. Nachteilig für eine hohe Schnittqualität bzw. ein gutes Schnittbild sind dabei insbesondere Verwirbelungen beim Anströmen der Bearbeitungs- bzw. Schnittposition.
Des Weiteren ist die Optik der Laserbearbeitungsvorrichtung regelmäßig mittels eines für den Laserstrahl durchlässigen optischen Elements, zum Beispiel eines Schutzglases, gegen Beeinträchtigungen aus dem Bearbeitungsprozess, wie Spritzer, Verschmutzungen, Metalldämpfe o. ä., abgeschirmt. Das optische Element bildet hierbei meist den prozessseitigen Abschluss bzw. Verschluss des Arbeitskanals im Laserbearbeitungskopf. Die Erwärmung des optischen Elements, die infolge seiner Nähe zur Bearbeitungsposition und des Laserstrahldurchtritts eintritt, limitiert maßgeblich dessen Lebensdauer.
Bekannt aus dem Stand der Technik sind Vorrichtungen zur Strömungsführung mit einer Vielzahl am Umfang des Arbeitskanals angeordneter Einzeldüsen bzw. am Umfang angeordneter in Kanalrichtung ausgerichteter Nuten und Stege. Diese besitzen den Nachteil, dass entweder die Entstehung von Strömungsturbulenzen oder die Erwärmung des optischen Elements nicht effektiv unterdrückt werden. Vorrichtungen zur Strömungsführung in Laserschneidköpfen mit integralem Schutzfenster sind beispielsweise in DE 44 26 458 A1 oder DE 10 2005 025 119 A1 beschrieben.
US 2010/0252541 A1 offenbart eine Laserablationsdüse mit einer Hauptdruckkammer, die auf einen Bereich eines abzutragenden Substrats gerichtet ist, um einen Gasstrom durch die Hauptdruckkammer auf das Substrat zu leiten. Eine Vakuumkammer umgibt die Hauptdruckkammer, um das Prozessgas und die Ablationsabfälle abzusaugen. Um ungleichmäßigen Druck und ungleichmäßigen Durchfluss zu beseitigen, können Durchflussbegrenzer am Prozessgaseinlass und an der Vakuumkammer vorgesehen sein. Der Vakuumströmungsbegrenzer soll eine Verengung in einem Kanal erzeugen, um eine gleichmäßige Vakuum-induzierte Strömung im Wesentlichen um den gesamten Umfang der Düsenöffnung herum zu generieren. In ähnlicher Weise soll der Prozessgasflussbegrenzer einen im Wesentlichen gleichmäßigen Gasfluss in die Hauptdruckkammer erzeugen.
JP 2017-170477 A beschreibt einen Bearbeitungskopf einer Laserbearbeitungsvorrichtung, der ein Bearbeitungsgas mittels Bearbeitungsdüse auf ein Werkstück bläst, während das Werkstück durch die Bearbeitungsdüse mit Laserstrahl bestrahlt wird. Der Bearbeitungskopf besitzt einen Ringkanal mit einer Form, die axial symmetrisch zu einer Mittelachse der Bearbeitungsdüse ausgebildet ist.
JP 2000-225488 A offenbart ein Verfahren zum thermischen Schneiden unter Verwendung eines aus einer Düse injizierten Hilfsgasstroms sowie einen Bearbeitungskopf zum thermischen Schneiden.
CN 105436720 A beschreibt eine Laserschneidvorrichtung und einen Laserkopf derselben. Der Laserkopf umfasst einen Lufteinlassring, ein erstes Gleichrichterrohr, ein zweites Gleichrichterrohr und eine Luftdüse. An der Innenseite des Lufteinlassrings ist eine Ringnut und in der Außenseite des Lufteinlassrings sind mit der Nut in Verbindung stehende Lufteinlasslöcher ausgebildet. Durch zweifache Gleichrichtung kann die Gleichmäßigkeit der Luftströmungsverteilung der Schnittluft verbessert und die Turbulenzintensität verringert werden.
US 2015/0068629 A1 offenbart die Herstellung einer Wirbelvorrichtung mittels eines dreidimensionalen Druckprozesses.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur Strömungsführung eines Prozessmediums in einer Laserbearbeitungsvorrichtung bereitzustellen, die die Erzeugung eines weitestgehend laminaren Strömungsprofils des Prozessmediums bei gleichzeitig effektiver Kühlung des optischen Elements gewährleistet.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Strömungsführung eines Prozessmediums für eine Laserbearbeitungsvorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst; zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 8 beschrieben.
Die Vorrichtung zur Strömungsführung eines Prozessmediums für eine Laserbearbeitungsvorrichtung umfasst einen Arbeitskanal, der das Prozessmedium koaxial zum Laserstrahl zu einer Bearbeitungsposition leitet. Der Arbeitskanal ist einseitig mittels eines für den Laserstrahl durchlässigen optischen Elements, zum Beispiel eines Schutzglases, gasdicht verschlossen. Vorzugsweise besitzt der Arbeitskanal einen kreisförmigen Querschnitt.
Nach Maßgabe der Erfindung ist in der Umfangswandung des Arbeitskanals unterbrechungsfrei über ihren gesamten Umfang eine Ringdüse zur Einleitung des Prozessmediums in den Arbeitskanal eingebracht. Die Ringdüse ist im Nahbereich des optischen Elements angeordnet, d. h., die Ringdüse befindet sich in Bezug auf die axiale Position im Arbeitskanal in der Nähe des optischen Elements bzw. schließt an dieses an.
Bei bestimmungsgemäßer Verwendung wird das Prozessmedium durch die Ringdüse ringförmig in den Arbeitskanal eingeleitet. In dem mit dem optischen Element verschlossenen Endbereich des Arbeitskanals trifft ein Teil des aus der Ringdüse austretenden Prozessmediums auf das optische Element und wird an diesem zum axial entgegengesetzt liegenden, offenen Ausgang des Arbeitskanals gelenkt. Der andere Teil des Prozessmediums strömt, je nach Austrittswinkel der Ringdüse, bereits nach dem Austritt aus der Ringdüse in Richtung des Ausgangs des Arbeitskanals. Dieser offene Ausgang des Arbeitskanals ist beispielsweise die Schneidgasdüse einer Laserschneidvorrichtung.
Im Zuströmbereich zur Ringdüse ist erfindungsgemäß eine Druckkammer ausgebildet. Diese dient zur Homogenisierung der umfänglichen Druckverteilung des an der Ringdüse anliegenden Prozessmediendruckes. Am Übergang von Druckkammer zur Ringdüse bzw. in der Ringdüse selbst findet infolge der einer Düse geometrisch inhärenten Querschnittsverengung eine Aufstauung des zuströmenden Prozessmediums mit der Folge statt, dass dieses sich gleichmäßig innerhalb der Ringdüse verteilt und an allen Umfangspositionen des Ringdüsenaustritts ein weitestgehend gleicher Druck des Prozessmediums herrscht. Die Druckkammer der Vorrichtung zur Strömungsführung ist toroidartig, koaxial zum Arbeitskanal ausgebildet. Die Druckkammer kann ein oder mehrere Zuleitungen zur Zuführung des Prozessmediums besitzen.
Die Druckkammer weist mindestens einen Turbulator zur Beeinflussung der Strömungsführung des Prozessmediums auf. Der oder die Turbulatoren verbessern die gleichmäßige Verteilung des aus einer der Zuleitungen zur Druckkammer zugeführten Prozessmediums vor dessen Einleitung in den Zuströmbereich zur Ringdüse.
Einer der Turbulatoren ist als radiale Einbuchtung in die Druckkammer ausgebildet und an einer der Zuleitungen entgegengesetzten Umfangsposition der Druckkammer angeordnet. Durch den als Einbuchtung in die Druckkammer gestalten Turbulator wird die Strömung in der Druckkammer gerichtet geführt bzw. umgelenkt, sodass sich an der der Zuleitung entgegengesetzten Umfangsposition der Druckkammer keine Turbulenzen ausbilden.
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Strömungsführung ist, dass durch die Kombination aus Druckkammer und Ringdüse sichergestellt ist, dass das Prozessmedium das optische Element gleichmäßig, ringförmig über den gesamten Umfang anströmt und somit effektiv kühlt. Durch die gleichmäßige Kühlung wird - neben der Lebensdauerverlängerung des optischen Elements durch Verringerung thermischer Alterungserscheinungen - gewährleistet, dass sich das optische Element kaum bzw. nur geringfügig durch die thermischen Einwirkungen des Laserstrahls verzieht. Der Laserstrahldurchtritt durch das optische Element wird somit auch bei Dauerbetrieb kaum beeinträchtigt. Dazu trägt auch bei, dass die Oberfläche des optischen Elements durch das auftreffende Prozessmedium von leichten Verschmutzungen gereinigt wird.
Ein weiterer Vorteil neben der effektiven Kühlwirkung und Reinigung des optischen Elements und dessen damit verbundener Lebensdauererhöhung ist die Ausbildung eines weitestgehend laminaren Strömungsprofils des strömenden Prozessmediums im Arbeitskanal. Durch die Vermeidung strömungsbehindernder Elemente werden Turbulenzen und die diese begleitenden Strömungsverluste reduziert. Die laminare Strömung im Arbeitskanal ermöglicht somit die wirbelfreie Anströmung der Bearbeitungsposition der mit der Laserbearbeitungsvorrichtung zu bearbeitenden Werkstücke, wodurch letztlich eine hohe Bearbeitungsqualität bzw. ein gutes Schnittbild im Schnittspalt erreichbar sind.
Vorteilhafterweise ist die Ringdüse so gestaltet bzw. ausgerichtet, dass das ausströmende Prozessmedium im Wesentlichen radial in den Arbeitskanal einströmt. Die Ringdüse besitzt dazu zum Beispiel in jeder der Axialschnittebenen des Arbeitskanals eine symmetrische zweidimensionale Geometrie, bezogen auf die mittig im Austrittsspalt der Ringdüse angeordnete Radialebene des Arbeitskanals.
Das Spaltmaß der Ringdüse, d. h. der Spalt am Düsenaustritt bzw. der Austrittsspalt, beträgt vorzugsweise 0,20 ± 0,05 mm.
Durch die geometrische Variation des Spaltes der Ringdüse können unterschiedlich ausgeprägte Strömungseffekte erzielt werden. Beispielsweise kann das Spaltmaß derart eingestellt sein, dass gezielt eingebrachte, moderate Verwirbelungen im Arbeitskanal entstehen, wodurch die Kühlung des optischen Elements verbessert wird, ohne dass hierdurch die Anströmung der Bearbeitungsposition und damit das Bearbeitungsergebnis wesentlich beeinträchtigt werden.
Ferner kann der Zuströmbereich von der Druckkammer zur Ringdüse in Form eines ringartigen, koaxial zum Arbeitskanal angeordneten Düsenkanals ausgebildet sein. Der Kanaleintritt des Düsenkanals befindet sich am Übergang zur Druckkammer. Kanalaustrittsseitig geht der Düsenkanal kontinuierlich in die Ringdüse über, d. h., der Kanalaustritt ist durch die Ringdüse selbst gebildet. Das Spaltmaß der Ringdüse entspricht dem Spaltmaß am Kanalaustritt des Düsenkanals.
Vorzugsweise weist der Düsenkanal einen Kanalspalt auf, dessen Spaltmaß am Kanalaustritt 10 % bis 30 % des Spaltmaßes am Kanaleintritt beträgt.
Weiterhin kann der Düsenkanal im kanalaustrittsseitigen Endbereich einen bogenförmigen, um 90° abbiegenden Ablenkungsbereich zur Strömungsablenkung des Prozessmediums in die Ringdüse aufweisen. Dadurch ist gewährleistet, dass die Strömung weitestgehend radial in den Austrittskanal einströmt. Vorzugsweise verringert sich das Spaltmaß des Kanalspalts des Düsenkanals stetig im bogenförmigen Ablenkungsbereich des Düsenkanals.
In einer Ausgestaltung umfasst die Vorrichtung zur Strömungsführung mindestens zwei in die Laserbearbeitungsvorrichtung einsetzbare Verteilereinsätze, die die Zuströmbereiche des Prozessmediums zum Arbeitskanal mit der Druckkammer und der Ringdüse ausbilden. Der modulare Aufbau mit den Verteilereinsätzen gewährleistet eine einfache Fertigung der Bauteile. Die Druckkammer, die Ringdüse und ggf. der Düsenkanal sind nach Montage bzw. Zusammenbau der Verteilereinsätze ausgebildet.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. Dazu zeigen:

1: die Vorrichtung zur Strömungsführung in Schnittebene A-A,
2: die Vorrichtung zur Strömungsführung in Schnittebene B-B, und
3: die Vorrichtung zur Strömungsführung in Schnittebene C-C.

In den 1 und 2 ist die Vorrichtung zur Strömungsführung als Teileinheit des Laserbearbeitungskopfes einer Laserbearbeitungsvorrichtung in zwei verschiedenen Schnittebenen (vgl. 3) dargestellt. Im Gehäuse 7 ist das optische Element 1 (Schutzglas) am prozessseitigen Ende des Arbeitskanals 9 angebracht und verschließt den Arbeitskanal 9. In das Gehäuse 7 sind die als Bauteileinsätze ausgebildeten Verteilereinsätze 3 eingebracht. Die Verteilereinsätze 3 bilden im montierten Zustand die Druckkammer 4, den Düsenkanal 8, die Ringdüse 6 und den Arbeitskanal 9.
Bei bestimmungemäßem Betrieb wird über die Zuleitung 2 das Prozessmedium eingeleitet, gelangt über die Druckkammer 4 und den Düsenkanal 8 zur Ringdüse 6, strömt anschließend in den Arbeitskanal 9 und schließlich zur Bearbeitungsposition der mit der Laserbearbeitungsvorrichtung zu bearbeitenden Werkstücke.
Die Querschnittdarstellung der Vorrichtung zur Strömungsführung gemäß der 3 zeigt neben dem Arbeitskanal 9 und der Druckkammer 4, die Zuleitung 2 und den der Zuleitung 2 innerhalb der Druckkammer 4 gegenüberliegenden Turbulator 5. Nach Eintritt des Prozessmediums aus der Zuleitung 2 strömt dieses in der Druckkammer 4 um die Umfangswandung des zentralen Arbeitskanals 9 herum, wird an dem als radiale Einbuchtung ausgebildeten Turbulator 5 umgelenkt und verteilt sich gleichmäßig, verwirbelungsfrei in der Druckkammer 4.
Bezugszeichenliste

1: Optisches Element, Schutzglas
2: Zuleitung für das Prozessmedium
3: Verteilereinsätze
4: Druckkammer
5: Turbulator
6: Ringdüse
7: Gehäuse, Gehäuseelemente
8: Düsenkanal
9: Arbeitskanal

Claims

Vorrichtung zur Strömungsführung eines Prozessmediums für eine Laserbearbeitungsvorrichtung, umfassend einen Arbeitskanal (9), der das Prozessmedium koaxial zum Laserstrahl zu einer Bearbeitungsposition leitet, wobei der Arbeitskanal (9) einseitig mittels eines für den Laserstrahl durchlässigen optischen Elements (1) gasdicht verschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass - in der Umfangswandung des Arbeitskanals (9) unterbrechungsfrei über ihren gesamten Umfang eine Ringdüse (6) zur Einleitung des Prozessmediums in den Arbeitskanal (9) im Nahbereich des optischen Elements (1) eingebracht ist, - im Zuströmbereich zur Ringdüse (6) eine Druckkammer (4) zur Homogenisierung der umfänglichen Druckverteilung des an der Ringdüse (6) anliegenden Prozessmediendruckes ausgebildet ist, und - die Druckkammer (4) toroidartig, koaxial zum Arbeitskanal (9) ausgebildet ist, wobei die Druckkammer (4) eine Zuleitung (2) zur Speisung der Druckkammer (4) mit Prozessmedium und mindestens einen Turbulator (5) zur Beeinflussung der Strömungsführung des Prozessmediums aufweist, wobei der Turbulator (5) als radiale Einbuchtung in die Druckkammer (4) ausgebildet und innerhalb der Druckkammer (4) an der der Zuleitung (2) entgegengesetzten Umfangsposition der Druckkammer (4) angeordnet ist.
Vorrichtung zur Strömungsführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringdüse (6) derart gestaltet und ausgerichtet ist, dass das ausströmende Prozessmedium im Wesentlich radial in den Arbeitskanal (9) einströmt.
Vorrichtung zur Strömungsführung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Spaltmaß der Ringdüse (6) 0,20 mm ± 0,05 mm beträgt.
Vorrichtung zur Strömungsführung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuströmbereich von der Druckkammer (4) zur Ringdüse (6) in Form eines ringartigen, koaxial zum Arbeitskanal (9) angeordneten Düsenkanals (8) ausgebildet ist.
Vorrichtung zur Strömungsführung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenkanal (8) einen Kanalspalt aufweist, dessen Spaltmaß am Kanalaustritt 10 % bis 30 % des Spaltmaßes am Kanaleintritt beträgt.
Vorrichtung zur Strömungsführung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenkanals (8) im kanalaustrittsseitigen Endbereich einen bogenförmigen, um 90° abbiegenden Ablenkungbereich zur Strömungsablenkung des Prozessmediums in die Ringdüse (6) aufweist.
Vorrichtung zur Strömungsführung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Spaltmaß des Kanalspalts des Düsenkanals (8) stetig im bogenförmigen Ablenkungsbereich des Düsenkanals (8) verringert.
Vorrichtung zur Strömungsführung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens zwei in die Laserbearbeitungsvorrichtung einsetzbare Verteilereinsätze (3) umfasst, die die Zuströmbereiche des Prozessmediums zum Arbeitskanal (9) mit der Druckkammer (4) und der Ringdüse (6) ausbilden.