-
Die
Erfindung betrifft eine Schneiddüse
für den
Bearbeitungskopf einer Laserschneidanlage, insbesondere zum Schneiden
von dreidimensionalen (3D-) Werkstücken in der Metallbearbeitung.
-
Das
Schneiden von Werkstücken
mit Laserstrahlung mit einer Laserschneidanlage hat sich in der
industriellen Fertigung durchgesetzt. Aufgrund der breiten Palette
der zur Verfügung
stehenden Laserschneidgeräte
ist die Bearbeitung fast aller Werkstoffe unterschiedlichster Dimension
möglich.
-
Eine
Laserschneidanlage besteht aus einem Lasergerät, einem Bearbeitungskopf und
einer Strahlführungseinrichtung
zwischen dem Lasergerät und
dem Bearbeitungskopf. Die Steuerung des Bearbeitungskopfes übernimmt
eine Computereinheit.
-
Je
nach Art des Materials wird beim Schneiden des Werkstückes ein
Teil des aus dem Bearbeitungskopf tretenden Laserstrahls absorbiert,
wodurch das Material schmilzt und zu verdampfen beginnt. Mit einem
Prozessgas kann nun das geschmolzene Material aus der Schnittfuge
ausgetrieben werden. Man unterscheidet dabei zwischen Schmelzschneiden,
Brennschneiden und Sublimationsschneiden.
-
Es
sind zahlreiche verschiedene Bearbeitungsköpfe bekannt, die sich in ihrer
Ausgestaltung stark unterscheiden und speziell dem jeweiligen Schneidvorhaben
und den zu bearbeitenden Materialien, wie Metall, Papier, Holz,
Textilien, Keramik oder Kunststoff, angepasst sind.
-
Für die Bearbeitung
von Metallstücken kommt üblicherweise
ein Bearbeitungskopf mit einer Schneiddüse mit einem inneren Kanal
zum Einsatz, durch den der Laserstrahl und das Prozessgas gemeinsam
und koaxial auf das Werkstück
gelenkt werden. Da es aufgrund der elektromagnetischen Eigenschaften
von Metallen möglich
ist, den Abstand zwischen der Düsenspitze
und dem Werkstück
auf kapazitivem Wege zu bestimmen, ist an der Spitze des Düsenkörpers eine
gegen diesen isolierte Düsenelektrode
angebracht. Diese dient als Abstandssensor zur Bestimmung des Abstandes
zwischen der Düsenaustrittsöffnung und
dem Werkstück.
Während der
Bearbeitungskopf über
das Werkstück
fährt,
liefert die Düsenelektrode über ein
isoliertes Kabel Spannungssignale an eine Auswerteeinheit, aus denen
sich der Abstand zwischen der Düsenspitze
und dem Werkstück
ermitteln lässt.
-
In
der
DE 40 35 404 A1 ist
eine Schneiddüse beschrieben,
die einen elektrisch leitenden, im wesentlichen konisch ausgebildeten
Düsenkörper, einen
im Spitzenbereich des Düsenkörpers liegenden Isolationskörper und
eine vom Isolationskörper
getragene Düsenelektrode
umfasst, wobei diese durch den Isolationskörper gegenüber dem Düsenkörper elektrisch isoliert ist.
Zusätzlich
ist ein Überwurfelement
vorgesehen, das auf ein Außengewinde
des Düsenkörpers schraubbar
ist und stirnseitig eine axiale Durchgangsöffnung aufweist, die die radialen
Außenseiten
der Düsenelektrode
umgibt und diese zusammen mit dem Isolationskörper am Düsenkörper hält. Das Überwurfelement steht mit dem
Düsenkörper in
elektrischem Kontakt und ist gegenüber der Düsenelektrode elektrisch isoliert.
Der Isolationskörper
besteht aus einem keramischen Material und das Überwurfelement aus Aluminium.
Letzteres ist teilweise mit einer dünnen Eloxalschicht versehen,
die elektrisch nicht leitend ist, so dass keine elektrische Verbindung
zwischen der Überwurfmutter
und der Düsenelektrode
besteht, aber die an der Düsenelektrode
entstehende Wärme
abgeführt
werden kann.
-
Diese
Schneiddüse
ist jedoch zur Bearbeitung von 3D-Werkstücken ungeeignet. Zum einen braucht
das Überwurfelement,
das in seinem Innern der konisch zulaufenden Düsenelektrode angepasst ist,
relativ viel Raum im Spitzenbereich des Düsenkörpers, so dass die Beweglichkeit
des Bearbeitungskopfes eingeschränkt
ist, und zum anderen kann, sobald sich die Schneiddüse in unmittelbarer Nähe einer
Kante oder Sicke oder in einer scharten Ecke des Werkstückes befindet,
die kapazitive Abstandsregelung diese topographischen Besonderheiten
nicht richtig erfassen und eine Bewegung des Bearbeitungskopfes
in eine fehlerhafte Position veranlassen, so dass ein schlechtes
Schneidergebnis resultiert oder der Schneidvorgang unterbrochen
werden muss. Überdies
besteht die Gefahr, dass sich das Überwurfelement und mit diesem
die Düsenelektrode
während
des Bearbeitungsvorganges aufgrund von Vibrationen lockert, was
ebenfalls zu einem schlechten Schneidergebnis führt. Zudem ist die Düsenelektrode
nur aufwändig
auswechselbar.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schneiddüse für den Bearbeitungskopf
einer Laserschneidanlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so
zu gestalten, dass diese zum Schneiden von dreidimensionalen Werkstücken geeignet ist.
-
Diese
Aufgabe wird bei einer Schneiddüse nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale
gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
-
Die
Erfindung besteht darin, dass bei einer Schneiddüse für den Bearbeitungskopf einer
Laserschneidanlage, die einen Düsenkörper mit
einer an dessen Spitze lösbar
angeordneten und gegenüber diesem
elektrisch isolierten Düsenelektrode
und einen durch den Düsenkörper und
die Düsenelektrode verlaufenden
und sich in Richtung einer Austrittsöffnung an einer Stirnfläche der
Düsenelektrode
konisch verjüngenden
inneren Kanal zum Lenken eines Laserstrahls und eines Gasstromes
auf ein Werkstück
aufweist, wobei die Düsenelektrode
einen Verbindungsbereich zur Verbindung mit dem Düsenkörper und
einen zum Werkstück
hin gerichteten Hauptbereich aufweist, die an einer Zwischenfläche ineinander übergehen,
die Stirnfläche
und die Zwischenfläche
die Grundflächen
eines fiktiven Kegelstumpfes bilden, und die zwischen der Stirnfläche und
der Zwischenfläche
tatsächlich
ausgebildete Mantelfläche im
Inneren des Kegelstumpfes ausgebildet ist und die Außenfläche der
Düsenelektrode
bildet.
-
Die
derart gestaltete Schneiddüse
zeichnet sich insbesondere durch die schlanke Gestaltung der Düsenelektrode
aus. Aufgrund dieser Gestaltung kann die Schneiddüse auch
in Ecken und andere Vertiefungen von dreidimensionalen Werkstücken gelangen
und gute Schneidergebnisse liefern. Die besondere äußere Form
ermöglicht
auch eine verbesserte kapazitive Abstandsmessung in der Nähe von Kanten
und Sicken des Werkstückes.
-
Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erstreckt sich im
axialen Schnitt die Seitenwand der Düsenelektrode bogenförmig und
ist in Richtung auf die Achse konkav gewölbt. So kann die Mantelfläche, insbesondere
im Bereich der Austrittsöffnung
an der Stirnfläche
der Düsenelektrode,
dicht am inneren Kanal entlang ausgebildet sein, so dass die Düsenelektrode
in ihrem Spitzenbereich stark verjüngt und die Beweglichkeit des
Bearbeitungskopfes entlang von dreidimensionalen Werkstücken deutlich
verbessert sind.
-
Der
Durchmesser der Stirnfläche
kann dabei das Zwei- bis Vierfache, vorzugsweise etwa das Dreifache
des Durchmessers der Austrittsöffnung
betragen. Zur Verbesserung der Beweglichkeit der Schneiddüse selbst
in engen Spalten wäre
es zwar wünschenswert,
den Durchmesser der Stirnfläche
so klein wie möglich
zu machen, aber es zeigt sich, dass die Düsenelektrode bei zu geringer
Wanddicke die in der Bearbeitungszone des Werkstücks freigesetzte Wärme nur
unzureichend ableitet und deshalb zu schnell abgetragen wird. Die
genannten Durchmesserverhältnisse
haben sich als ein günstiger
Kompromiss zwischen den einander zuwiderlaufenden Anforderungen
nach einer schlanken Form der Düsenelektrode
und gleichzeitig hoher Standzeit erwiesen. Der Öffnungswinkel des fiktiven
Kegelstumpfes liegt im Bereich zwischen 20° und 45°, vorzugsweise jedoch 25° bis 35°.
-
Bei
einer bevorzugten Ausgestaltung sind der Verbindungsbereich und
der Hauptbereich der Düsenelektrode
einstückig
miteinander verbunden. Dieses Merkmal trägt dazu bei, dass die Düsenelektrode
exakt und definiert am Düsenkörper positioniert werden
kann. Bei Vibrationen des Bearbeitungskopfes während der Bearbeitung eines
Werkstückes
wird dadurch eine unerwünschte
Lockerung des Hauptbereiches gegenüber dem Verbindungsbereich
vermieden, wie sie bei einer lösbaren
Verbindung auftreten kann. Eine Lockerung kann zu Reflexionen des
Laserstrahles an der Innenwand und zu einer Veränderung des Brennpunktes des
Laserstrahles auf der Oberfläche
des zu bearbeitenden Werkstückes
und damit zu einem schlechten Schneidergebnis führen.
-
Die
Düsenelektrode
besteht zumindest in ihrem Hauptbereich aus einem gut wärmeleitenden Metall,
vorzugsweise aus einer Kupferlegierung. In dem Verbindungsbereich
der Düsenelektrode
ist zur elektrischen Isolation derselben gegenüber dem Düsenkörper ein Isolationskörper vorgesehen.
Dieser besteht aus einem keramischen Material und weist vorzugsweise
ein Gewinde zur Verbindung mit dem Düsenkörper auf. Der innere Kanal
erstreckt sich dabei durch den Isolationskörper hindurch und ist austrittsöffnungsseitig
zylindrisch ausgebildet.
-
Die
Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert. In
den zugehörigen
Zeichnungen zeigen:
-
1:
eine Düsenelektrode
für den
Bearbeitungskopf einer Schneiddüse,
angeordnet im Abstand zu einem ebenen Werkstück, und
-
2:
die Düsenelektrode
in der Nähe
eines dreidimensionalen Werkstückes
mit einem Vorsprung.
-
Die
in 1 gezeigte Düsenelektrode 1 kreisrunden
Querschnitts zur Anordnung an der Spitze eines nicht dargestellten
Düsenkörpers weist
einen Verbindungsbereich A zur Verbindung mit dem Düsenkörper und
einen in Richtung auf ein Werkstück 2 ausgebildeten
Hauptbereich B auf und ist einstückig
aus einer Kupferlegierung gefertigt, wobei zwischen den Bereichen
A und B eine Zwischenfläche
C gegeben ist. Durch die Bereiche A und B erstreckt sich ein innerer
Kanal 3 zum Lenken eines Laserstrahls und eines Gasstromes
in Richtung auf das Werkstück 2,
der seine Austrittsöffnung 4 an
der dem Werkstück 2 zugewandten
Stirnfläche 5 des
Hauptbereiches B der Düsenelektrode 1 hat.
Entsprechend der äußeren Form
des Laserstrahls , der einen Brennpunkt außerhalb der Düsenelektrode 1 in
geringer Entfernung von dieser hat, weist der Kanal 3 eine sich
in Richtung des Werkstücks 2 konisch
verjüngende
Gestalt auf und geht werkstückseitig,
etwa im Bereich der Taille des Laserstrahls, in einen zylindrischen
Bereich über.
-
Die
Stirnfläche 5 an
der werkstückseitigen Spitze
der Düsenelektrode 1 und
die Zwischenfläche C
zwischen dem Hauptbereich B und dem Verbindungsbereich A bilden
die Grundflächen
eines fiktiven Kegelstumpfes D mit einem Öffnungswinkel β von 30°. Die Schnittlinie
des Kegelstumpfmantels mit der Ebene der 1 ist als
Strich-Punkt-Punkt-Linie dargestellt. Die sich zwischen der Stirnfläche 5 und der
Zwischenfläche
C erstreckende Mantelfläche 6 des
Hauptbereichs B liegt im Inneren dieses Kegelstumpfes D und bildet
die Außenfläche der
Düsenelektrode 1 und
damit auch der Schneiddüse
im werkstücknahen
Bereich. Wie zu erkennen ist, ist die Mantelfläche 6 konkav auf die
Rotationsachse der Düsenelektrode
zu gewölbt.
Der Durchmesser der Stirnfläche 5 beträgt im Wesentlichen
das Dreifache des Durchmessers der werkstückseitigen Austrittsöffnung 4 des
Kanals 3.
-
Der
obere Teil des Verbindungsbereiches A weist einen Keramikring 7 als
Isolationsteil mit einem Außengewinde 8 auf,
der einstückig
mit dem Verbindungsbereich A verbunden ist. Mit diesem Keramikring 7 wird
die Düsenelektrode 1 in
eine komplementäre
Bohrung des nicht dargestellten Düsenkörpers eingeschraubt. Die im übrigen aus
einer Kupferlegierung bestehende Düsenelektrode 1 leitet
die aufgenommene Wärme
effizient an den Düsenkörper ab.
-
Bei
der in 2 gezeigten Bearbeitungsanordnung liegt einer
Ecke des Grates 9 eines Werkstückes 10 die konkav
nach innen gewölbte
Mantelfläche 6 gegenüber. Die
Wölbung
hat zur Folge, dass sich die Feldlinien FL an der Düsenelektrode 1 nicht auf
einen kleinen Bereich der Mantelfläche 6 konzentrieren,
sondern sich im Wesentlichen gleichmäßig auf diese verteilen. Eine
lokale Verstärkung
des elektrischen Feldes an der Oberfläche der Düsenelektrode 1 und
eine damit verbundene Vergrößerung der Kapazität des Systems
aus Düsenelektrode
und Werkstück
werden weitgehend vermieden. Dadurch ist die Empfindlichkeit der
Abstandsmessung zu seitlich von der Düsenelektrode 1 liegenden
Werkstücken
verringert, und die kapazitive Abstandsmessung liefert auch an Werkstücken mit
dreidimensionaler Oberflächenstruktur
brauchbare Messwerte.
-
- 1
- Düsenelektrode
- 2
- Werkstück
- 3
- Kanal
- 4
- Austrittsöffnung
- 5
- Stirnfläche
- 6
- Mantelfläche
- 7
- Keramikring
- 8
- Außengewinde
- 9
- Grat
- 10
- Werkstück
- β
- Öffnungswinkel
- A
- Verbindungsbereich
- B
- Hauptbereich
- C
- Zwischenfläche
- D
- Kegelstumpf
- FL
- Feldlinie