DE102021123155A1

DE102021123155A1 - Halteanordnung für ein optisches Element einer Laserbearbeitungsanlage

Info

Publication number: DE102021123155A1
Application number: DE102021123155.8A
Authority: DE
Inventors: Tobias Kluehspies; Karsten Scholz; Alexander Huber; Stefan Markus Leinberger
Original assignee: Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Current assignee: Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Priority date: 2021-09-07
Filing date: 2021-09-07
Publication date: 2023-03-09
Also published as: WO2023036645A1; EP4399049A1

Abstract

Bereitgestellt wird eine Halteanordnung (100) für ein optisches Element (50) eines Laserbearbeitungskopfes (22) bei der ein, im Wesentlichen ringförmiges, Befestigungselement (60) derart über einem, im Wesentlichen zylinderförmigen, optischen Element (50) positionierbar ist, dass es mit einem Halteabschnitt (62) auf dem optischen Element (50) abliegt, wobei sich Verschlusselemente (64) des Befestigungselements (60) in axialer Richtung radial außerhalb des optischen Elements (50) erstrecken und in dafür vorgesehene Ausnehmungen (72) eines Hülsenelements (70) eingreifen, um das optische Element (50) auf dem Hülsenelement (70) mittels eines Schnappverschlusses zu fixieren. Ferner werden ein Befestigungselement (60) zur Verwendung in der Halteanordnung (100), sowie ein Laserbearbeitungskopf (22) umfassend die Halteanordnung (100) bereitgestellt.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft das Gebiet der Laserbearbeitungsanlagen. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Halteanordnung für ein optisches Element eines Laserschneidkopfs.
Stand der Technik
Optische Elemente in Laserbearbeitungsköpfen haben eine hohe Anforderung an Positionsgenauigkeit, Sauberkeit, mechanische und thermische Stabilität. Verschmutzungen des optischen Elements können zu erhöhter Absorption der Laserstrahlung führen und damit zu einer Temperaturerhöhung der Optik sowie zu thermisch induzierten Spannungen. Wärmeausdehnungen des optischen Elements bzw. von dessen Fassung führen zu mechanischen Spannungen. Beides kann eine Beschädigung des optischen Elements bewirken und einen Tausch notwendig machen. Auch bei ruckartigen Bewegungen des Laserbearbeitungskopfs können optische Elemente beschädigt werden und müssen ausgetauscht werden. Bei dem Tausch eines optischen Elements ist es wichtig, dass das optische Element positionsgenau in den Strahlengang eingebracht wird, ohne dass angrenzende Bauteile, etwa durch Anecken, beschädigt werden und ohne, dass Schmutzpartikel in den Strahlengang gelangen.
In der DE102017209696A1 wird eine Fassung für ein Schutzglas beschrieben, die durch ein Kunststoffteil gebildet ist. Auch in der DE102013206394A1 und der DE202016005318U1 werden Halteanordnungen für optische Elemente mittels Kunststofffassungen beschrieben. Die aus diesen Druckschriften bekannten Fassungen sind jedoch nicht für eine sichere Fixierung und ein einfaches, sauberes und prozesssicheres Austauschen eines optischen Elements in einem Hochleistungslaser mit bis zu 24 KW oder mehr Laserleistung ausgelegt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Halteanordnung für ein optisches Element eines Laserbearbeitungskopfs sowie einen Laserbearbeitungskopf mit einer solchen Halteanordnung bereitzustellen. Durch die vorgeschlagene Lösung soll insbesondere eine sichere Fixierung sowie ein einfacher, sauberer und prozesssicherer Tausch eines optischen Elements ermöglicht werden.
Die Erfindung
Zur Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt eine Halteanordnung für ein optisches Element eines Laserbearbeitungskopfes bereitgestellt. Die Halteanordnung umfasst ein im Wesentlichen hohlzylinderförmiges, Hülsenelement und ein, im Wesentlichen zylinderförmiges, optisches Element, das an einem ersten axialen Ende des Hülsenelements auf dem Hülsenelement positionierbar ist. Die Formulierung „im Wesentlichen hohlzylinderförmig“ und „im Wesentlichen zylinderförmig“ ist im Zusammenhang der vorliegenden Offenbarung so zu verstehen, dass die betreffenden Elemente in Form eines Hohlzylinders bzw. eines Zylinders ausgebildet sein können, aber auch leicht abweichende Formen mit umfasst sind. So kann das Hülsenelement beispielsweise eine kreisrunde Außenkontur aufweisen, oder die Außenkontur kann polygonal ausgebildet sein oder eine Mischform aus runden und eckigen Konturelementen umfassen. Gleiches gilt für das optische Element, welches bevorzugt kreiszylinderförmig ausgebildet sein kann, aber auch eine polygonale Außenkontur aufweisen und/oder eine konvexe oder konkave Oberfläche an seiner Oberseite und/oder an seiner Unterseite aufweisen kann (Form einer Linse).
Ferner umfasst die Halteanordnung ein, im Wesentlichen ringförmiges, Befestigungselement aus Kunststoff, das an einem von dem Hülsenelement entfernten ersten Ende einen Halteabschnitt für das optische Element und an einem dem Hülsenelement nahen Ende wenigstens zwei Verschlusselemente aufweist. Die Formulierung „im Wesentlichen ringförmig“ umfasst insbesondere eine Kreisringform des Befestigungselements. Abhängig von der genauen Form des Hülsenelements und/oder des optischen Elements kann die Form des Befestigungselements jedoch entsprechend variieren und beispielsweise eckige Konturelemente aufweisen. Der Halteabschnitt des optischen Elements kann vorzugsweise als ein nach radial innen ragender, umlaufender Steg am oberen Ende des Befestigungselements ausgebildet sein. Die Verschlusselemente erstrecken sich jeweils von einem unteren Ende des Halteabschnitts aus in axialer Richtung nach unten hin. Die Verschlusselemente können vorzugsweise in gleichmäßigen Abständen in Umfangsrichtung des Befestigungselements angeordnet sein.
Das Befestigungselement ist derart über dem optischen Element positionierbar, dass es mit dem Halteabschnitt auf dem optischen Element abliegt, wobei sich die Verschlusselemente in axialer Richtung radial außerhalb des optischen Elements erstrecken und in dafür vorgesehene Ausnehmungen des Hülsenelements eingreifen, um einen Schnappverschluss mit dem Hülsenelement zu bilden. Der Schnappverschluss ist vorzugsweise als reversible Schnappverbindung ausgebildet. Gemäß einer Variante kann der Schnappverschluss durch eine Drehbewegung des Befestigungselements in Umfangsrichtung relativ zum Hülsenelement und eine anschließende axiale Bewegung weg vom Hülsenelement lösbar sein.
Erfindungsgemäß kann das optische Element einen Durchmesser aufweisen, der größer ist als ein Innendurchmesser des Hülsenelements aber geringer als ein Außendurchmesser des Hülsenelements. Das Befestigungselement kann im Bereich des Halteabschnitts einen minimalen Innendurchmesser aufweisen, der geringer ist als der Durchmesser des optischen Elements. Unterhalb des Halteabschnitts, also im Bereich der Verschlusselemente, kann das Befestigungselement einen Innendurchmesser aufweisen, der größer ist als der Durchmesser des optischen Elements und einen Außendurchmesser, der gleich oder kleiner als der Außendurchmesser des Hülsenelements ist.
Erfindungsgemäß wird das optische Element durch das Befestigungselement auf dem Hülsenelement fixiert. Diese Fixierung ermöglicht einen einfachen und prozesssicheren Wechsel des optischen Elements, bei dem die gesamte Halteanordnung aus einem Laserbearbeitungskopf zu entnehmen ist.
Angaben wie „oben“, „unten“, „übereinander“, „untereinander“, „auf“, „unter“, „vertikal“, „horizontal“ beziehen sich im Rahmen dieser Offenbarung auf die Lage der entsprechenden Komponenten in einem in einen Laserbearbeitungskopf eingebauten Zustand der Halteanordnung, wobei der Laserstrahl von oben nach unten durch den Laserschneidkopf geleitet wird.
Gemäß einer bevorzugten Variante kann das optische Element an einer von dem Hülsenelement abgewandten Seite eine erste Außenkante mit einer Fase aufweisen. Ferner kann das Befestigungselement an einer Innenseite des Halteabschnitts eine geneigte Haltefläche aufweisen, die zu der Fase des optischen Elements formkomplementär ist. Die gefaste Kante an der Oberseite des optischen Elements und die geneigte Haltefläche des Befestigungselements ermöglichen auf einfache Weise eine zentrale Positionierung des optischen Elements auf dem Hülsenelement. Die Fase kann vorzugsweise einen Fasenwinkel zwischen 20° und 70°, insbesondere von etwa 45°, aufweisen. Der Neigungswinkel der Haltefläche kann vorzugsweise dem Fasenwinkel entsprechen. Das optische Element kann insbesondere ein Schutzglas sein und in dieser Funktion als sogenannte Planplatte ausgebildet sein. Eine Planplatte weist ebene und zueinander parallel angeordnete Grundflächen auf. Das optische Element kann aus Quarzglas bestehen und eine Dicke zwischen 5 mm und 10 mm, vorzugsweise von etwa 7 mm, aufweisen. Die Fase an der ersten Außenkante des optischen Elements kann sich über eine Höhe zwischen 1 mm und 3 mm, vorzugsweise von etwa 1,8 mm, erstrecken. Das optische Element kann ferner eine Beschichtung aufweisen, sodass für Laserstrahlung mit einer Wellenlänge zwischen 1030 nm und 1080 nm bei senkrechter Einstrahlung ein Reflexionsgrad von weniger als 0,3 %, bevorzugt weniger als 0,1 %, noch bevorzugter von weniger als 0,05 % besteht.
Die wenigstens zwei Ausnehmungen des Hülsenelements können vorzugsweise am Außenumfang des Hülsenelements angeordnet sein und am ersten axialen Ende des Hülsenelements jeweils eine Hinterschneidung bilden, in die jeweils eines der Verschlusselemente des Halteelements eingreifen kann. Die Ausnehmungen können einer ersten Gruppe von Ausnehmungen zuzuordnen sein, die von einer weiter unten beschriebenen zweiten Gruppe von Ausnehmungen des Hülsenelements zu unterscheiden ist.
Das Befestigungselement kann zusätzlich wenigstens zwei Gegenhalteelemente aufweisen, die sich in axialer Richtung radial außerhalb des optischen Elements erstrecken und dazu ausgebildet sind, unter eine zweite Außenkante des optischen Elements zu greifen, die sich an einer dem Hülsenelement nahen Seite des optischen Elements erstreckt, sodass das optische Element in dem Befestigungselement fixiert ist. Gemäß dieser Variante kann das Hülsenelement an seinem ersten axialen Ende ferner eine zweite Gruppe von Ausnehmungen umfassen. Die Ausnehmungen der zweiten Gruppe von Ausnehmungen können derart ausgebildet und am Außenumfang des Hülsenelements angeordnet sein, dass die wenigstens zwei unter das optische Element greifenden Gegenhalteelemente nicht mit dem Hülsenelement kollidieren. Die Gegenhalteelemente können vorzugsweise in gleichmäßigen Abständen am Umfang des Befestigungselements angeordnet sein.
Durch die Gegenhalteelemente kann das optische Element in das Befestigungselement eingesetzt und darin fixiert werden, bevor es gemeinsam mit dem Befestigungselement als Baugruppe mittels der Verschlusselemente des Befestigungselements auf dem Hülsenelement positioniert und befestigt wird. Der Austausch eines optischen Elements kann auf diese Weise weiter vereinfacht werden.
Das Hülsenelement kann an seinem ersten, oberen axialen Ende eine Auflagefläche mit einer umlaufenden Nut aufweisen. Gemäß dieser Variante kann die Halteanordnung vorzugsweise ferner einen Dichtungsring umfassen, der in die umlaufende Nut aufnehmbar ist. Der Dichtungsring dient im Zusammenspiel mit dem darauf lagernden optischen Element zur Abdichtung des Strahlengangs am ersten axialen Ende des Hülsenelements, insbesondere gegenüber Schneidgas.
Zur Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe wird gemäß einem zweiten Aspekt ein Befestigungselement bereitgestellt, das zur Verwendung in einer Halteanordnung gemäß einer der oben beschriebenen Varianten ausgebildet ist. Das Befestigungselement weist einen ringförmigen Grundkörper aus einem hochtemperaturbeständigen thermoplastischen Kunststoff, insbesondere aus Polyetheretherketon (PEEK), auf, der sich um eine Längsachse erstreckt. An einem oberen axialen Ende weist der Grundkörper des Befestigungselements einen Halteabschnitt auf, der einen, nach radial innen ausgerichteten, Vorsprung bildet. Der Grundkörper weist ferner wenigstens zwei Verschlusselemente auf, die sich in axialer Richtung zu einem unteren, zweiten axialen Ende des Grundkörpers hin erstrecken, wobei jedes der Verschlusselemente ein längliches Verschlussteil mit einem Haken und ein längliches Öffnungsteil aufweist, die in Umfangsrichtung des Grundkörpers durch einen Zwischenraum voneinander beabstandet sind.
PEEK eignet sich aufgrund seiner guten Temperaturbeständigkeit und seiner guten mechanischen Eigenschaften, insbesondere seiner guten Kriechfestigkeit und seiner Beständigkeit gegen Verschleiß, besonders gut als Werkstoff für das Befestigungselement. Werkstoffe, die ebenfalls für das Befestigungselement geeignet sein können, sind beispielsweise andere Polyetherketone (PEK) oder Polyphenylsulfid (PPS).
Durch die Verwendung eines Befestigungselements aus Kunststoff kann der Verschleiß bzw. die Beschädigung umliegender Komponenten im Laserbearbeitungskopf beim Tausch eines optischen Elements minimiert werden. Das Befestigungselement kann insoweit als Protektor zwischen dem optischen Element und dem Hülsenelement und umliegenden, vorwiegend metallischen Komponenten des Laserbearbeitungkopfes fungieren.
Die Verschlusselemente des Befestigungselements können vorzugsweise in gleichmäßigen Abständen am Umfang des Grundkörpers angeordnet sein. Vorzugsweise weist der Grundkörper des Befestigungselements wenigstens drei, vorzugsweise vier Verschlusselemente auf, die in gleichmäßigen Abständen in Umfangsrichtung des Grundkörpers angeordnet sind. Der Grundkörper ist vorzugsweise einstückig ausgebildet. Gemäß einer Variante setzen die Verschlusselemente unmittelbar an einem unteren Ende des Halteabschnitts des Befestigungselements an. Gemäß einer alternativen Variante kann sich zwischen dem Halteabschnitt und den Verschlusselementen auch ein, beispielsweise ringförmiger, Zwischenabschnitt erstrecken, der den Halteabschnitt und die Verschlusselemente miteinander verbindet.
Der Halteabschnitt des Grundkörpers kann vorzugsweise eine innenliegende Haltefläche aufweisen, die nach oben hin radial nach innen geneigt ist, wobei der Neigungswinkel der Haltefläche zwischen 20° und 70°, vorzugsweise etwa 45°, beträgt. Die geneigte Haltefläche ermöglicht eine vereinfachte Zentrierung eines optischen Elements auf dem Hülsenelement.
Der Halteabschnitt kann ferner auch eine Außenfläche aufweisen, die nach oben hin radial nach innen geneigt ist, wobei der Neigungswinkel der Außenfläche zwischen 20° und 70°, vorzugsweise etwa 45°, beträgt. Die Neigung der Außenfläche kann an die Neigung einer angrenzenden Komponente des Laserbearbeitungskopfes angepasst sein und exakte zentrale Positionierung der Halteanordnung in dem Laserbearbeitungskopf unterstützen.
Der Grundkörper des Befestigungselements kann ferner wenigstens zwei Gegenhalteelemente umfassen, die vorzugsweise in gleichmäßigen Abständen in Umfangsrichtung des Grundkörpers angeordnet sind und die sich in axialer Richtung zu dem unteren, zweiten axialen Ende des Grundkörpers hin erstrecken. Jedes der Gegenhalteelemente kann zwischen zwei Verschlusselementen angeordnet sein. Ferner kann jedes der Gegenhalteelemente eine Länge aufweisen, die geringer ist als eine Länge der Verschlusselemente. Mit anderen Worten kann das untere Ende des Befestigungselements durch die unteren Enden der Verschlusselemente bestimmt sein. Jedes der Gegenhalteelemente kann an seinem unteren Ende eine Ausstülpung aufweisen, die sich nach radial innen erstreckt. Das Befestigungselement kann vorzugsweise genauso viele Gegenhalteelemente aufweisen wie Verschlusselemente, wobei vorzugsweise jedes der Gegenhalteelemente zwischen zwei Verschlusselementen angeordnet ist.
Zur Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe wird gemäß einem dritten Aspekt ein Laserbearbeitungskopf, insbesondere ein Laserschneidkopf, bereitgestellt, der wenigstens eine Halteanordnung gemäß einer der oben beschriebenen Varianten umfasst.
Ausführungsbeispiele
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung.
Es zeigen:

1 eine Laserschneidanlage in einer perspektivischen Gesamtansicht;
2 eine schematische Darstellung einer Laserschneidvorrichtung in Form eines Laserschneidkopfs einer Anlage gemäß 1;
3a-c verschiedene Ansichten einer Halteanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung;
4 eine Planplatte (optisches Element) für eine erfindungsgemäße Halteanordnung;
5a-b zwei alternative Varianten eines Befestigungselements gemäß der vorliegenden Erfindung;
6a-c verschiedene Ansichten einer Baugruppe umfassend eine Planplatte (optisches Element) und ein Befestigungselement; und
7 schematisch einen Ausschnitt eines Laserschneidkopfes mit einer Halteanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung.

1 zeigt eine Laserschneidanlage 20, in der eine oder mehrere erfindungsgemäße Halteanordnungen für verschiedene optische Elemente eingesetzt werden können.
Die Laserschneidanlage 20 weist einen Laserstrahlerzeuger 21 auf (z.B. für einen CO₂ Laser oder einen Festkörperlaser). Sie weist einen verfahrbaren Laserschneidkopf 22 und eine Werkstückauflage 23 auf, auf der das Werkstück 28 angeordnet ist. Im Laserstrahlerzeuger 21 wird der Laserstrahl 29 erzeugt und mittels eines (nicht gezeigten) Lichtleitkabels oder (nicht gezeigten) Umlenkspiegeln vom Laserstrahlerzeuger 21 zum Laserschneidkopf 22 geführt. Der Laserstrahl 29 wird mittels einer im Laserschneidkopf 22 angeordneten Fokussieroptik auf das Werkstück 28 gerichtet. Die Laserschneidanlage 20 wird darüber hinaus mit Schneidgasen 24, beispielsweise Sauerstoff und/oder Stickstoff, versorgt. Das Schneidgas 24 wird einer Schneidgasdüse 25 des Laserschneidkopfes 22 zugeführt, aus der es zusammen mit dem Laserstrahl 29 austritt. Die Laserschneidanlage 20 umfasst ferner eine Umschaltoptik 26 (beispielsweise ein refraktives optisches Element oder einen adaptiven Spiegel) zum Umschalten zwischen einem größeren und einem kleineren Fokusdurchmesser des Laserstrahls 29 oder eine im Laserschneidkopf 22 angeordnete, aus mehreren Linsen bestehende Zoom-Optik zur Variation von Fokuslage und Fokusdurchmesser des Laserstrahls 29, sowie eine Maschinensteuerung 27, die programmiert ist, sowohl den Laserschneidkopf 22 samt seiner Schneidgasdüse 25 entsprechend der Schneidkontur relativ zum Werkstück 28 zu verfahren als auch die Umschaltoptik 26 oder die Zoom-Optik anzusteuern. Die Umschaltoptik 26 muss nicht zwangsläufig im Laserschneidkopf 22 angeordnet sein, sondern kann sich auch im oder am Strahlerzeuger 21 vor einem Lichtleitkabel oder an anderer Stelle in der Strahlführung befinden.
2 zeigt einen beispielhaften Aufbau eines Laserbearbeitungskopfs in Form eines Laserschneidkopfs 22, der an einer Laserschneidanlage 20 zum Einsatz kommen kann, mit einem Gehäuse 32, in das der Laserstrahl 29 über eine Transportfaser 34 eingekoppelt wird. Der Laserstrahl 29 trifft divergent auf eine erste Linse 35 mit kurzer Brennweite und wird über einen Zwischenfokus 36 auf eine zweite Linse 37 abgebildet. Der durch die zweite Linse 37 kollimierte Laserstrahl 29 wird über eine (ortsfeste) weitere, durch eine Halterung 46 gehaltene Linse 38, die als Fokussieroptik dient, auf eine Werkstückoberfläche 39 zur Lasermaterialbearbeitung fokussiert.
Zur Einstellung von Fokuslage und Fokusdurchmesser des Laserstrahls 29 sind jeweils Linsen-Halterungen 43, 44 für die erste Linse 35 bzw. die zweite Linse 37 mittels Fokuseinstelleinrichtungen 40, 42 (gesteuert durch von einer Steuerung vorgegebene Steuersignale) entlang der optischen Achse 31 des Laserstrahls 29 verschiebbar. Es versteht sich, dass die oben beschriebene Linsen-Anordnung nach dem Prinzip eines Keppler-Teleskops alternativ durch eine Galileo-Teleskop-Anordnung ersetzt werden kann.
Die Linsen-Halterungen 43, 44 zur Führung der ersten bzw. zweiten Linse 35, 37 weisen Überströmungskanäle 33 auf, die für einen Druckausgleich zwischen den Kammern 47, 48, 49 beim Bewegen der Linsen 35, 37 sorgen.
In Strahlausbreitungsrichtung der Fokussieroptik nachgeordnet, weist der Bearbeitungskopf 22 ein durch eine Halterung 46 gehaltenes Schutzglas/Druckfenster 30 auf. Ein nicht näher gezeigter Kollisionsschutz sieht dabei vor, dass eine kollisionsbedingte Trennung in dem Bereich 41a zwischen Fokussieroptik und Schutzglas/Druckfenster 30 erfolgen kann. Ein um diesen Bereich 41a an dem Gehäuse 32 der Strahlformungseinheit angebrachter Faltenbalg 41 verhindert in einem solchen Fall das Eindringen von Schmutzpartikeln, die sich im ungünstigsten Fall direkt an der Fokussieroptik absetzen könnten.
Insbesondere die Halterung 46 des Schutzglases 30, aber grundsätzlich auch die Linsen-Halterungen 43, 44, 45, können als Halteanordnungen gemäß der vorliegenden Erfindung ausgeführt sein.
Im Zusammenhang mit den 3a bis 3c werden im Folgenden Aspekte einer erfindungsgemäßen Halteanordnung näher beschrieben.
3a zeigt eine erfindungsgemäße Halteanordnung 100 in einer isometrischen Darstellung. Die 3b und 3c zeigen jeweils die gleiche Halteanordnung 100 in einer Seitenansicht (3b) bzw. in einer Schnittdarstellung (3c).
Die Halteranordnung 100 umfasst ein hohlzylinderförmiges Hülsenelement 70, ein zylinderförmiges optisches Element 50 in Form einer Planplatte 50, sowie ein ringförmiges Befestigungselement 60. Die Planplatte 50 ist an einem ersten axialen Ende 71 (oberes Ende) des Hülsenelements 70 auf dem Hülsenelement 70 positioniert und liegt auf einem Dichtungsring 80 ab, der in einer ringförmigen Nut 76 des Hülsenelements 70 aufgenommen ist.
Das Befestigungselement 60 umfasst einen Halteabschnitt 62, der an seinem oberen Ende einen Innendurchmesser aufweist, der kleiner ist als der Durchmesser der Planplatte 50. Unterhalb des Halteabschnitts 62 weist das Befestigungselement 60 Verschlusselemente 64 auf, die sich in axialer Richtung radial außerhalb der Planplatte 50 erstrecken und die in Ausnehmungen 72 am Außenumfang des Hülsenelements 70 eingreifen, um einen Schnappverschluss mit dem Hülsenelement 70 zu bilden. Die Planplatte 50 wird durch das Befestigungselement 60 auf dem Hülsenelement 70 fixiert und kann auf einfache Weise zusammen mit dem Hülsenelement 70 in einen Laserbearbeitungskopf eingesetzt bzw. daraus entnommen werden.
Das Befestigungselement 60 besteht aus einem hochtemperaturbeständigen thermoplastischen Kunststoff, insbesondere aus Polyetheretherketon (PEEK). Zur Ausbildung des Schnappverschlusses umfasst jedes der Verschlusselemente 64 ein längliches Verschlussteil 642 mit einem keilförmigen Haken an seinem unteren Ende, sowie ein längliches Öffnungsteil 644 das in Umfangsrichtung des Befestigungselements 60 durch einen Zwischenraum von dem Verschlussteil 642 beanstandet ist. Beim Einsetzen des Befestigungselements 60 werden das Verschlussteil 642 und das Öffnungsteil 644 durch Vorsprünge jeweils am oberen Ende einer Ausnehmung 72 zusammengedrückt, bis der keilförmige Haken des Verschlussteils 642 unter den anliegenden Vorsprung der Ausnehmung 72 schnappt. Zum Lösen des Schnappverschlusses kann das Befestigungselement 60 um die Längsachse 90 in Richtung des Öffnungsteils 644 gedreht werden. Das Öffnungsteil 644 wird dabei gegen die Rückseite der Ausnehmung 72 gedrückt und biegt sich in Richtung des Verschlussteils 642, bis der keilförmige Haken des Verschlussteils 642 nicht mehr hinter den Vorsprung der Ausnehmung 72 greift und das Befestigungsteil 60 nach oben entnommen werden kann. Wenn die Halteanordnung 100 in einen Laserschneidkopf 22 eingesetzt ist, entspricht die Längsachse 90 der optischen Achse 31 im Strahlengang des Laserschneidkopfes 22 (vgl. 2).
Die Planplatte 50 weist an ihrer von dem Hülsenelement 70 abgewandten Seite eine erste Außenkante mit einer Fase 52 auf, auf der das Befestigungselement 60 mit seinem Halteabschnitt 62 positioniert ist. Der Halteabschnitt 62 des Befestigungselements 60 weist an seiner Innenseite eine geneigte Haltefläche 622 auf, deren Neigung auf den Fasenwinkel der Fase 52 abgestimmt ist. Durch die Fase 52 und die geneigte Haltefläche 622 lässt sich die Planplatte 50 einfach zentriert auf dem Hülsenelement 70 positionieren. Der Halteabschnitt 62 des Befestigungselements 60 weist an seiner Außenseite 624 ebenfalls eine Neigung auf, die zur zentrierten Positionierung der Halteranordnung 100 im Strahlengang eines Laserbearbeitungskopfes dient (vgl. auch 7).
Das Befestigungselement 60 weist ferner Gegenhalteelemente 66 auf, die sich in axialer Richtung radial außerhalb der Planplatte 50 erstrecken. Jedes der Gegenhalteelemente 66 weist an seinem unteren Ende eine Ausstülpung auf, die sich nach radial innen erstreckt. Mit der Ausstülpung greifen die Gegenhalteelemente 66 unter eine zweite Außenkante der Planplatte 50, die sich an einer dem Hülsenelement 70 nahen Seite der Planplatte 50 erstreckt. So wird die Planplatte 50 in dem Befestigungselement 60 fixiert und kann gemeinsam mit dem Befestigungselement 60 auf das Hülsenelement 70 aufgesetzt und davon entnommen werden. Damit die Gegenhalteelemente 66 beim Befestigen der Planplatte 50 auf dem Hülsenelement 70 nicht mit dem Hülsenelement 70 kollidieren, weist das Hülsenelement 70 an seinem oberen Ende ferner Ausnehmungen 74 auf.
In 4 ist die Planplatte 50 mit der umlaufenden Fase 52 an ihrer oberen Außenkante isoliert dargestellt. Die Planplatte 50 kann insbesondere als Schutzglas 30 (vgl. 2) in einem Laserbearbeitungskopf 22 eingesetzt werden.
In den 5a und 5b sind zwei alternative Varianten eines erfindungsgemäßen Befestigungselements 60 dargestellt. 5a zeigt ein erfindungsgemäßes Befestigungselement 60a gemäß einer ersten Variante und 5b zeigt ein erfindungsgemäßes Befestigungselement 60b gemäß einer zweiten Variante. Beide Befestigungselemente 60a ,60b umfassen einen ringförmigen Grundkörper aus PEEK, der sich um die Längsachse 90 erstreckt. An einem oberen axialen Ende des Grundkörpers weist jedes der Befestigungselemente 60a, 60b einen radial nach innen geneigten Halteabschnitt 62 auf. Ferner weist jedes der Befestigungselemente 60a, 60b unterhalb des Halteabschnitts 62 Verschlusselemente 64 auf. Der Unterschied zwischen den Befestigungselementen 60a und 60b besteht darin, dass das Befestigungselement 60b zusätzlich die bereits im Zusammenhang mit den 3a bis 3c beschriebenen Gegenhalteelemente 66 aufweist. Das Befestigungselement 60a weist keine Gegenhalteelemente 66 auf und stellt somit eine vereinfachte Variante eines erfindungsgemäßen Befestigungselements 60 dar.
In den 6a bis 6c ist eine Baugruppe umfassend eine Planplatte 50 (optisches Element) und ein erfindungsgemäßes Befestigungselement 60 gemäß 5b in verschiedenen Ansichten dargestellt. 6a zeigt die Baugruppe in einer isometrischen Darstellung. In 6b ist die Baugruppe in einer Ansicht von unten dargestellt und in 6c in einer Schnittansicht entlang der Schnittebene A-A in 6b. Die Befestigung der Planplatte 50 in dem Befestigungselement 60 wurde bereits weiter oben im Zusammenhang mit den 3a bis 3c beschrieben. Es sei auf die dortige Beschreibung verwiesen.
7 zeigt schematisch einen Ausschnitt eines Laserbearbeitungskopfes in Form eines Laserschneidkopfes 22 mit einer Halteanordnung 100 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Halteanordnung 100 ist in dem Laserschneidkopf 22 unterhalb der Fokussieroptik für den Laserstrahl angeordnet. Die Planplatte 50 fungiert als Schutzglas 30 (vgl. 2) und schirmt die Fokussieroptik von Verunreinigungen ab, die unterhalb des Schutzglases 30 bei der Bearbeitung eines Werkstücks in dem Laserschneidkopf 22 entstehen können.
Bezugszeichenliste

20: Laserschneidanlage
21: Laserstrahlerzeuger
22: Laserschneidkopf
23: Werkstückauflage
24: Schneidgas
25: Schneidgasdüse
26: Umschaltoptik
27: Maschinensteuerung
28: Werkstück
29: Laserstrahl
30: Schutzglas / Druckfenster
31: Optische Achse
32: Gehäuse
33: Überströmungskanäle
34: Transportfaser
35: Erste Linse
36: Zwischenfokus
37: Zweite Linse
38: Gehaltene Linse
39: Werkstückoberfläche
40, 42: Fokuseinstelleinrichtung
41: Faltenbalg
41a: Bereich für eine Verkippung des unteren Teils des Laserschneidkopfs im Kollisionsfall
43, 44, 45: Linsen-Halterungen
46: Schutzglas-Halterung
47, 48, 49: Kammern
50: Planplatte (optisches Element)
52: Fase
60: Befestigungselement
60a, 60b: Alternative Varianten des Befestigungselements 60
62: Halteabschnitt
622: Geneigte Haltefläche (Innenfläche)
624: Geneigte Außenfläche
64: Verschlusselement
642: Verschlussteil mit keilförmigem Haken
644: Öffnungsteil
66: Gegenhalteelement
70: Hülsenelement
71: Erstes (oberes) axiales Ende des Hülsenelements
72: Ausnehmung der ersten Gruppe von Ausnehmungen
74: Ausnehmung der zweiten Gruppe von Ausnehmungen
76: Ringförmige Nut
80: Dichtungsring
90: Längsachse
100: Halteanordnung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102017209696 A1 [0003]
DE 102013206394 A1 [0003]
DE 202016005318 U1 [0003]

Claims

Halteanordnung (100) für ein optisches Element (50) eines Laserbearbeitungskopfes (22), die Halteanordnung (100) umfassend: Ein, im Wesentlichen hohlzylinderförmiges, Hülsenelement (70); Ein, im Wesentlichen zylinderförmiges, optisches Element (50), das an einem ersten axialen Ende (71) des Hülsenelements (70) auf dem Hülsenelement (70) positionierbar ist; und Ein, im Wesentlichen ringförmiges, Befestigungselement (60) aus Kunststoff, das an einem von dem Hülsenelement (70) entfernten ersten Ende einen Halteabschnitt (62) für das optische Element (50) und an einem dem Hülsenelement (70) nahen Ende wenigstens zwei Verschlusselemente (64) aufweist; wobei das Befestigungselement (60) derart über dem optischen Element (50) positionierbar ist, dass es mit dem Halteabschnitt (62) auf dem optischen Element (50) abliegt, wobei sich die Verschlusselemente (64) in axialer Richtung radial außerhalb des optischen Elements (50) erstrecken und in dafür vorgesehene Ausnehmungen (72) des Hülsenelements (70) eingreifen, um einen Schnappverschluss mit dem Hülsenelement (70) zu bilden.
Halteanordnung (100) nach Anspruch 1, wobei das optische Element (50) an einer von dem Hülsenelement (70) abgewandten Seite eine erste Außenkante mit einer Fase (52) aufweist; und wobei das Befestigungselement (60) an einer Innenseite des Halteabschnitts (62) eine geneigte Haltefläche (622) aufweist, die zu der Fase (52) des optischen Elements (50) formkomplementär ist.
Halteanordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die wenigstens zwei Ausnehmungen (72) am Außenumfang des Hülsenelements (70) angeordnet sind und am ersten axialen Ende (71) des Hülsenelements (70) jeweils eine Hinterschneidung bilden, in die jeweils eines der Verschlusselemente (64) des Halteelements (60) eingreifen kann.
Halteanordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Befestigungselement (60) ferner wenigstens zwei Gegenhalteelemente (66) aufweist, wobei sich die Gegenhalteelemente (66) in axialer Richtung radial außerhalb des optischen Elements (50) erstrecken und dazu ausgebildet sind, unter eine zweite Außenkante des optischen Elements (50) zu greifen, die sich an einer dem Hülsenelement (70) nahen Seite des optischen Elements (50) erstreckt, sodass das optische Element (50) in dem Befestigungselement (60) fixiert ist.
Halteanordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Hülsenelement (70) an seinem ersten axialen Ende (71) eine Auflagefläche mit einer umlaufenden Nut (76) aufweist und wobei die Halteanordnung (100) ferner einen Dichtungsring (80) umfasst, der in die umlaufende Nut (76) aufnehmbar ist.
Befestigungselement (60) zur Verwendung in einer Halteanordnung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Befestigungselement (60) einen ringförmigen Grundkörper aus einem hochtemperaturbeständigen thermoplastischen Kunststoff, insbesondere aus Polyetheretherketon (PEEK), aufweist, der sich um eine Längsachse (90) erstreckt; wobei der Grundkörper an einem oberen axialen Ende einen Halteabschnitt (62) aufweist, der einen nach radial innen ausgerichteten Vorsprung bildet; und wobei der Grundkörper ferner wenigstens zwei Verschlusselemente (64) aufweist, die sich in axialer Richtung zu einem unteren, zweiten axialen Ende des Grundkörpers hin erstrecken, wobei jedes der Verschlusselemente (64) ein längliches Verschlussteil (642) mit einem Haken und ein längliches Öffnungsteil (644) aufweist, die in Umfangsrichtung des Grundkörpers durch einen Zwischenraum voneinander beabstandet sind.
Befestigungselement (60) nach Anspruch 6, wobei der Halteabschnitt (62) eine innenliegende Haltefläche (622) aufweist, die nach oben hin radial nach innen geneigt ist, wobei der Neigungswinkel der Haltefläche (622) zwischen 20° und 70°, vorzugsweise etwa 45°, beträgt.
Befestigungselement (60) nach Anspruch 6 oder 7, wobei der Halteabschnitt (62) eine Außenfläche (624) aufweist, die nach oben hin radial nach innen geneigt ist, wobei der der Neigungswinkel der Außenfläche (624) zwischen 20° und 70°, vorzugsweise etwa 45°, beträgt.
Befestigungselement (60) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei der Grundkörper ferner wenigstens zwei Gegenhalteelemente (66) umfasst, die die sich in axialer Richtung zu dem unteren, zweiten axialen Ende des Grundkörpers hin erstrecken; wobei jedes der Gegenhalteelemente (66) zwischen zwei Verschlusselementen (64) angeordnet ist; wobei jedes der Gegenhalteelemente (66) eine Länge aufweist, die geringer ist als eine Länge der Verschlusselemente (64); und wobei jedes der Gegenhalteelemente (66) an seinem unteren Ende eine Ausstülpung aufweist, die sich nach radial innen erstreckt.
Laserbearbeitungskopf (22), insbesondere Laserschneidkopf (22), umfassend wenigstens eine Halteanordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5.