AT404914B - Vorrichtung zur abtragenden lasermaterialbearbeitung mit schmelzaustrieb durch eine im bearbeitungskopf angebrachte strahlpumpe - Google Patents

Description

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  1) Stand der Technik, Probleme, Aufgabe der Erfindung 
Bei der abtragenden   Lasermatenalbearbeitung   wird durch einen auf die Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstücks fokussierten Laserstrahl Material aufgeschmolzen, das durch eine geeignete Gasströmung durch Überdruck oder Unterdruck ausgetrieben wird. Durchdringt der Laserstrahl das gesamte Werkstück, so wird vom Laserschneiden gesprochen. Beim Laserformabtrag werden Teile der Oberfläche aufgeschmolzen und das   verflüssigte Material   wiederum von einem Gasstrahl ausgetrieben. 



   Der Gasstrahl kann durch Überdruck gebildet und durch verschieden angeordnete Düsen zum Aufschmelzpunkt geführt werden. Er kann koaxial mit dem Laserstrahl in dessen Richtung oder auch seitlich in verschiedenen Winkeln auf das Werkstück auftreffen. 



   Beim Schmeizaustrieb durch wird die Schmelze durch eine geeignete Unterdruckpumpe und eine Absaugöffnung möglichst nahe dem Schmelzbad abgesaugt. In dieser Patentanmeldung ist noch eine externe Unterdruckpumpe vorgesehen, von der ein Kanal unter Unterdruck zum Aufschmelzpunkt führt. Dies führt einige Probleme mit sich : Der Einsatz einer teuren Vakuumpumpe ist notwendig. Auf dem Weg von der Pumpe zum Absaugungsort tritt eine Druckerhöhung ein. Die Schmelze muss durch einen entsprechend langen Kanal, der leicht blockiert werden kann, vom Absaugungsort zur Vakuumpumpe geführt werden. In diesem herrscht auf Grund des geringen Differenzdrucks nur eine geringe Strömungsgeschwindigkeit. Die Schmelzpartikel müssen vor Eintritt in die Vakuumpumpe ausgefiltert werden. 



   Die gegenständliche Erfindung integriert die Unterdruckpumpe in den Bearbeitungskopf. Diese basiert auf dem Prinzip einer mit Gas betriebenen Strahlpumpe, Indem ein Gas durch rasche Expansion auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt wird, wodurch ein Unterdruck entsteht. Die Absaugöffnung wird koaxial mit dem Laserstrahl geführt. 



  Die Beschleunigung eines Gasquerstroms im Laserbearbeitungskopf wird auch in der WO   93/*16838 A,   beschrieben, hier dient jedoch die   Überschallströmung   zur raschen Vorbeiführung eines Schutzgases beim Laserschweissen, um die ungleichmässige Erwärmung des Gases zu vermeiden. Die Öffnung zum Werkstück hin wird so gross gewählt, dass es zu keiner Ansaugwirkung kommt, da durch einen starken Unterdruck die Schweissnaht zerstört werden würde. 



  Die in der WO 95/03911 Ai beschriebene Vorrichtung zur Erzeugung eines Querstroms dient zum Schutz der Fokussieroptik beim Laserschweissen, die Strömung ist hier und erzeugt keinen Unterdruck. In der US 4, 027, 137 A wird der Ansaugschlauch einer externen Vakuumpumpe In den Bearbeitungskopf geführt, um entstehende Dämpfe beim Sublimatonsbohren abzusaugen. 



  2) Gegenstand der Erfindung 
Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung, die es erlaubt, im Laserbearbeitungskopf durch Druckluft Unterdruck zu erzeugen, welcher in einer Öffnung entsteht, durch die der Laserstrahl auf das Werkstück auftrifft und welche somit koaxial zum Strahl geführt wird, wodurch die Absaugöffnung mit dem geringst möglichem Abstand zum Aufschmelzpunkt angeordnet werden kann. 



   Eine erfindungsgemässe Anordnung zur Laserbearbeitung mit einer Unterdruckeinrichtung zum Absaugen des geschmolzenen Materials zeigt Abb. 1 : Diese Abbildung zeigt die für die gegenständliche Erfindung wesentlichen Details, wie den Bearbeitungskopf   (20),   die Strahlpumpe (16) sowie das Werkstück (6) im Einzelnen, während der zur Laserbearbeitungsanlage gehörende Laser, sowie der Koordinatentisch zur Bewegung des Werkstücks nicht dargestellt sind. Wesentliches Merkmal der gegenständlichen Erfindung ist die Verwendung eines Bearbeitungskopfes, in den eine Strahlpumpe integriert ist, wobei Absaugöffnung (1) und Laserstrahl (2) koaxial angeordnet sind.

   Der durch eine Linse (3) oder allenfalls durch einen Hohlspiegel fokussierte Laserstrahl (2) tritt durch die Eintrittsöffnung   (4),   die Querbohrung (5) und die schon erwähnte Absaugöffnung (1) aus dem Bearbeitungskopf aus und trifft auf das Werkstück (6) auf, wo er an der Erosionsfront (13) absorbiert wird und das Material aufschmilzt. In Öffnung (7) wird ein Gas unter Überdruck eingeleitet und bildet einen   Pumpstrahl (15),   der in der Verengung (8) beschleunigt wird und schliesslich durch eine Erweiterung (9) expandiert. Dadurch entsteht an der Erweiterung (9) und somit an der Absaugöffnung (1) ein Unterdruck gegenüber dem Aussendruck, durch den die Schmelze (14) durch besagte Absaugöffnung (1) eingesaugt wird. Die Schmelze (14) wird dann vom starken Pumpstrahl (15) erfasst und über die Mischkammer (10) ausgetrieben.

   Die Mischkammer kann zur Verbesserung der Strömungseigenschaften konisch aufgeweitet ausgeführt werden. Die Eintrittsöffnung (4) des   Laserstrah ! s   in die Querbohrung (5) mündet oberhalb in eine divergierende Kammer (11), die durch die Fokussierlinse (3) gegenüber dem Aussendruck abgeschlossen ist, sodass durch die obere Öffnung kein Druckabfall entsteht. 



  An die Austrittsöffnung (12) können Vorrichtungen zum Auffangen der Schmelze (14) angeschlossen 

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 werden. 



  Um ein Verlegen der Strahlpumpe durch geschmolzenes Material zu vermeiden, kann sie auf eine Temperatur aufgeheizt werden, die oberhalb des Schmelzpunktes des zu bearbeitenden Materials liegt. Das kann auch durch streifenden Durchgang des Laserstrahls durch die Querbohrung   (5),   durch eine Gasflamme oder eine elektrische Heizung erfolgen. Um dieser Temperatur standhalten zu können sind die erhitzten Teile des Bearbeitungskopfes aus entsprechenden Materialien zu fertigen. 



  3. ) Vorteile : 
Gegenüber dem Stand der Technik bringt gegenständliche Erfindung einige Vorteile mit sich : Die Schmelze wird nur die kurze Distanz vom Aufschmelzpunkt bis zum Eintritt in den Pumpstrahl von der schwachen Gasströmung, verursacht durch den Differenzdruck an der Absaugöffnung und dem Aussendruck, beschleunigt. Der Ausstoss der Schmelze aus der Düse erfolgt mit starkem Überdruck, es ist daher nicht mehr nötig die   Schmelzpartikel auszufiltern.   Durch den Querstrom wird die Linse vor Verschmutzung bewahrt. Der Unterdruck wird durch Einsatz von Druckluft erreicht. Die Absaugöffnung kann nicht durch erstarrte Schmelze blockiert werden, da durch den Laserstrahl jegliches in seinem Strahlengang befindliches Material aufgeschmolzen wird. 



  

Claims (6)

1. Patentansprüche 1. Einnchtung zum Absaugen durch Unterdruck von an einer Oberfläche eines Werkstücks durch Laserstrahlung verflüssigtem Material dadurch gekennzeichnet, dass eine Strahlpumpe derart in den Bearbeitungskopf (20) integriert ist, dass ein Gasstrahl (15) durch eine Öffnung (7) in eine Vorkammer (17) geleitet, in einer Verengung (8) komprimiert und danach In einer Expansionskammer (9) expandiert wird, wobei in dieser Expansionskammer eine Bohrung (5) angebracht ist, durch die der Laserstrahl (2) auf das Werkstück (6) geführt wird, wobei die werkstück- seitige Öffnung (1) dieser Querbohrung (= Absaugöffnung) unmittelbar am Werkstück angeordnet ist.
2. 2. Einnchtung nach Anspruch 1 bei der sowohl die Düse (16) als auch deren Halterung (18) und die benachbarten Teile aus hochschmelzendem Material gefertigt sind.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2 bei der jene Öffnung (4), durch die der Laserstrahl in die Strahlpumpe eintritt, in eine Kammer (11) führt.
4. 4. Einnchtung nach Anspruch 1 bis 3 bei der die Kammer (11), in die die Eintrittsöffnung des Laserstrahls in die Strahlpumpe mündet, luftdicht abgeschlossen ist.
5. 5. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 4 bei der die Absaugöffnung (1) koaxial zum Laserstrahl (2) angeordnet ist.
6. 6. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 5 bei der die Achse (19) des Pumpstrahis orthogonal zum Laserstrahl (2) angeordnet wird.