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Die
Erfindung betrifft eine Aufnahmevorrichtung, insbesondere eine Aufnahmevorrichtung
für ein Düsenelement
eines Laserbearbeitungskopfes.
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Mit
Hilfe eines Laserbearbeitungskopfes lässt sich ein Werkstück unter
Verwendung eines Laserstrahls bearbeiten, derart, dass zum Beispiel Schweiß- oder Schneidarbeiten
durchgeführt
werden. Hierzu wird der Laserbearbeitungskopf relativ zum Werkstück in geeigneter
Weise positioniert. Die Positionierung erfolgt über eine Abstandsregelung, wobei
der Abstand zwischen dem Düsenelement
und dem Werkstück
z.B. auf kapazitivem Wege gemessen werden kann, wozu an dem Düsenelement
eine wechselförmige
Messspannung angelegt wird. Um das elektrisch leitende Düsenelement
in geeigneter Weise elektrisch kontaktieren zu können, ist es notwendig, das
an einem Gehäuse
eines Laserbearbeitungskopfes angebrachte Düsenelement von dem Gehäuse zu isolieren.
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Isolationsteile
zur Halterung von Düsenelementen
an Laserbearbeitungsköpfen
werden häufig eingesetzt
und sind in ihrer Funktion allgemein bekannt.
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So
beschreibt die
DE 90
04 335 U1 eine Aufnahmevorrichtung mit einem keramischen
Isolierkörper,
der eine Ausnehmung mit einem Metalleinsatz mit einem Innengewinde
zum Einschrauben eines metallischen Düsenelements für einen
Laserbearbeitungskopf aufweist. Dabei ist der Einsatz in die gewindefreie
Ausnehmung im Isolierkörper
eingeklebt. Durch die Verwendung der Aufnahmevorrichtung mit Einsatz
kann das Düsenelement
durch Ein- und Ausschrauben am Laserbearbeitungskopf ausgewechselt
werden.
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Die
US 6,025,571 beschreibt
eine Aufnahmevorrichtung mit einem keramischen ringförmigen Isolationsteil
und einem in einer zentralen Ausnehmung angebrachten Metalleinsatz,
wobei der Einsatz durch Schrauben, die sich durch in axialer Richtung laufende
Löcher
in dem Isolationsteil erstrecken, lösbar befestigt ist. Somit wird
ein durch thermische oder mechanische Beanspruchung verursachtes
Herausfallen des Einsatzes verhindert sowie ein einfaches Auswechseln
des Einsatzes ermöglicht.
In den Metalleinsatz kann wiederum ein Düsenelement eingeschraubt werden.
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Gemeinsames
Merkmal dieser Isolationsteile ist ein Metalleinsatz, der in einen
keramischen Isolator eintaucht und formschlüssig zentriert wird. Problematisch
ist diese Art des Formschlusses bei Situationen, bei denen der Metalleinsatz
stark erwärmt wird.
Dies ist vor allem bei der Bearbeitung von reflektierenden Materialien
mit hoher Laserleistung der Fall. Bei starker Erwärmung des
Metalleinsatzes dehnt sich der Metalleinsatz aus, was zu einer Zugbeanspruchung
für das
keramische Isolationsteil führt,
welches in Folge der Überlastung
brechen kann.
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Da
keramische Werkstoffe allgemein eine vergleichsweise schlechte Zugfestigkeit
aufweisen und die dielektrischen Eigenschaften und der Preis des
Keramikmaterials die verwendbaren Materialien weiter einschränken, ist
mit herkömmlichen
Mitteln nur eine mäßige thermische
Belastbarkeit der Konstruktion möglich.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine weitere Aufnahmevorrichtung
zu schaffen, deren Belastbarkeit bei gleichzeitiger Beibehaltung der
dielektrischen Eigenschaften erhöht
ist.
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Diese
Aufgabe wird durch die Aufnahmevorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung werden in den
Unteransprüchen
dargelegt.
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Erfindungsgemäß ist bei
einer Aufnahmevorrichtung mit einem ringförmigen Isolatorteil und einem
in einer zentralen Ausnehmung des Isolatorteils angeordneten Einsatz
zur lösbaren
Aufnahme eines Düsenelements,
bei der der Einsatz aus einem Material besteht, das einen anderen
Wärmeausdehnungskoeffizienten
aufweist als das Material des Isolatorteils, vorgesehen, dass ein
Aussenumfangsbereich des Isolatorteils mit einem in Umfangsrichtung
zugfesten, temperaturbeständigen
Materialring versehen ist.
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Es
ist also eine Aufnahmevorrichtung zur Aufnahme eines Düsenelement
vorgesehen, die ein ringförmiges
Isolationsteil sowie einen in der konzentrischen Ausnehmung des
Isolationsteils angeordneten metallischen Einsatz umfasst, wobei
sich an dem Aussenumfang des Isolationsteils ein Materialring, insbesondere
eine Wicklung aus zugfestem Fasermaterial, befindet, um die radial
nach aussen wirkenden Kräfte,
die von dem metallischen Einsatz ausgehen, aufzunehmen und damit
ein Brechen des Isolatorteils, das insbesondere aus Keramik besteht,
zu verhindern.
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Damit
die radial nach aussen auf das ringförmige Isolatorteil wirkenden
Kräfte
bei Erwärmen
des Einsatzes aufgefangen werden können, ist es von Vorteil, wenn
der Materialring in einem axialen Bereich liegt, der durch eine
innerhalb der zentralen Ausnehmung des Isolatorteils angeordneten
Buchse des Einsatzes festgelegt wird, vorzugsweise den axialen Bereich
abdeckt und sich insbesondere über diesen
hinaus erstreckt.
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Um
einerseits den Materialring vor mechanischen Einwirkungen in axialer
Richtung zu schützen und
andererseits ein Abgleiten des Materialrings von dem Isolatorteil
zu verhindern, ist es von Vorteil, wenn der in Umfangsrichtung zugfeste
Materialring zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig in
einer umfangsmässigen
Ausnehmung im Aussenumfang des Isolatorteils angeordnet ist.
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Um
eine einfache Herstellung des Isolatorteils zu gewährleisten
und gegebenenfalls eine Montierung des Materialrings zu erleichtern,
ist es vorteilhaft, wenn die umfangsmässige Ausnehmung als stufenartige
Ausnehmung mit einer Stufe und einem in Axialrichtung dem Düsenelement
zugewandten axial offenen Ende ausgebildet ist.
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Bei
einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird der Materialring
vor bearbeitungsseitigen mechanischen oder thermischen Einflüssen, wie z.B.
vor flüssigen
Werkstoffspritzern und/oder Wärmestrahlung,
geschützt,
wenn die stufenartige umfangsmässige
Ausnehmung an ihrem axial offenen Ende durch einen ausserhalb der
zentralen Ausnehmung des Isolatorteils angeordneten radialen Flansch
des Einsatzes begrenzt und abgedeckt ist. Zudem wird ein Abgleiten
des Materialrings verhindert.
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Hierbei
ist es zweckmässig,
wenn der in Umfangsrichtung zugfeste Materialring aus einer Wicklung
aus zugfestem Fasermaterial besteht, das vorzugsweise Glasfasern
und/oder Kohlefasern umfasst.
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Wird
das zugfeste Fasermaterial der Wicklung durch einen Hochtemperaturkleber
verbunden und/oder an der Aussenumfangsfläche des Isolatorteils fi xiert,
so besitzt dies nicht nur den Vorteil, dass die Stabilität des Materialrings
erhöht
wird, sondern auch dass ein Verrutschen der Fasern in axialer Richtung
und damit ein Verlust an Stabilität des Materialrings verhindert
wird. Der Hochtemperaturkleber bietet auch einen gewissen Schutz
des Fasermaterials vor mechanischen Einflüssen. Dabei ist es ferner von Vorteil,
für die
Fixierung insbesondere einen Epoxidharz- oder Keramikkleber als
Hochtemperaturkleber zu verwenden.
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Es
ist zweckmässig,
wenn das Isolatorteil aus Keramik und der Einsatz aus Metall hergestellt ist.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Aufnahmevorrichtung
bei einem Laserbearbeitungskopf mit einem Gehäuse eingesetzt, durch das ein
Arbeitslaserstrahlgang geführt
ist, der durch eine Düse
bearbeitungsseitig austritt, um die Düse am Gehäuse lösbar zu befestigen.
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Hierbei
ist es vorteilhaft, wenn die Aufnahmevorrichtung an ihrem vom Einsatz
abgewandten axialen Ende einen sich radial nach außen erstreckenden
Flansch aufweist, über
den die Aufnahmevorrichtung an dem Gehäuse des Laserbearbeitungskopfes
mittels einer Überwurfmutter
lösbar
befestigt ist.
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Die
Erfindung wird im Folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
teilweise geschnittene, schematische Darstellung eines Düsenbereichs
eines erfindungsgemässen
Laserbearbeitungskopfes, und
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2 einen
schematischen Schnitt durch eine Aufnahmevorrichtung für ein Düsenelement
eines Laserbearbeitungskopfes entsprechend der Erfindung.
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In
den verschiedenen Figuren der Zeichnung sind einander entsprechende
Bauelemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist
ein Teil eines Laserbearbeitungskopfes 10 gezeigt, wie
er mit Laserbearbeitungsmaschinen verwendet wird. Hierbei wird ein
von der Laserbearbeitungsmaschine kommender Arbeitslaserstrahl durch
den Laserbearbei tungskopf 10 hindurch auf ein Werkstück 12 gelenkt,
wie durch die optische Achse L angedeutet wird.
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Am
Gehäuse 14 des
Laserbearbeitungskopfes 10 ist mittels einer Überwurfmutter 16 ein
ringförmiges
Isolatorteil 18 lösbar
befestigt. Ein Einsatz 20 ist mit einer Buchse 22,
an welche sich ein radialer Flansch 24 anschließt, in eine
Ausnehmung 26 des ringförmigen
Isolatorteils 18 zentrisch eingesetzt und mit dieser z.B.
durch eine Klebeschicht 28 verbunden. Im axialen Bereich
der Buchse 22 des Einsatzes 20 ist außen am Isolatorteil 18 ein
zugfester Materialring 30 zur Verstärkung des Isolatorteils 18 vorgesehen,
der unten anhand von 2 näher erläutert wird. In dem ringförmigen Isolatorteil 18 befindet
sich eine Bohrung 32, in die ein Stift 34 eingesetzt
ist. Dieser Stift 34 greift in eine Bohrung 36 des
Einsatzes 20 ein und ist in dieser z.B. durch Löten, Schrauben, Einpressen
oder dergleichen befestigt, um den Einsatz 20 und damit
auch ein im Einsatz 20 gehaltenes Düsenelement 38 elektrisch
kontaktieren zu können.
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Das
Düsenelement 38 weist
eine Düsenbohrung 40 und
einen radialen Flansch 42 mit Rand 44 auf. Mit
einem Außengewinde 46 wird
das Düsenelement 38 in
ein Innengewinde 48 des Einsatzes 20 eingeschraubt.
Zum leichten Ein- und Ausschrauben des Düsenelements 38 in
den metallischen Einsatz 20 kann der Rand 44 gerädelt sein
kann. Als Zentrierung zwischen Düsenelement 38 und
Einsatz 20 dienen kegelige Zentrierflächen 50.
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In 2 ist
eine erfindungsgemäße Aufnahmevorrichtung 52 im
Wesentlichen allein dargestellt, wobei das lösbar befestigte Düsenelement 38 schematisch
angedeutet ist. Der von einer Laserbearbeitungsmaschine kommende
Arbeitslaserstrahl durchläuft
die Aufnahmevorrichtung 52 entsprechend der gezeichneten
optischen Achse L.
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Die
Aufnahmevorrichtung 52 umfasst das bereits oben erwähnte ringförmige Isolatorteil 18 und den
Einsatz 20.
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Das
aus einem elektrisch isolierendem Material, insbesondere Keramik,
hergestellte ringförmige Isolatorteil 18 weist
an seinem vom Einsatz 20 abgewandten axialen Ende einen
sich radial nach außen erstreckenden
Flansch 54 auf, über
den das ringförmige
Isolatorteil 18 an dem in 1 gezeigten
Ge häuse 14 des
Laserbearbeitungskopfes 10 mittels der Überwurfmutter 16 lösbar befestigt
werden kann. Der Durchmesser des ringförmigen Isolatorteils 18 beträgt typischerweise
25 mm und dessen Höhe
ist typischerweise 12 mm, kann aber auch je nach Einsatzbereich
des Laserbearbeitungskopfes 10 andere geeignete Abmessungen
aufweisen.
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Der
aus einem elektrisch leitendem Material hergestellte, insbesondere
metallische Einsatz 20 ist in der zentralen Ausnehmung 26 des
ringförmigen Isolatorteils 18 angeordnet,
insbesondere formschlüssig
eingepasst. Der Einsatz 20 kann mit seiner Buchse 22 in
die zentrale Ausnehmung 26 geklebt oder, wie in 2 gezeigt,
beispielsweise in ein in der zentralen Ausnehmung 26 befindliches
Gewinde 55 eingeschraubt sein. Desweiteren kann der Einsatz 20 auch
mittels einer oder mehrerer Nieten in der zentralen Ausnehmung 26 des
ringförmigen
Isolatorteils 18 befestigt sein.
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Als
axialer Bereich 56 ist im Folgenden der Bereich des Isolatorteils 18 definiert,
in dem die in der zentralen Ausnehmung 26 des Isolatorteils 18 angeordnete
Buchse 22 des Einsatzes 20 liegt. In diesem axialen
Bereich 56 wird bei Erwärmung
des metallischen Einsatzes 20 eine radial nach außen wirkende Kraft
auf das ringförmige
Isolatorteil 18 ausgeübt,
die in diesem eine umfangsmäßige Zugbelastung
bewirkt.
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Die
nach außen
wirkende Kraft wird durch den am Außenumfang des ringförmigen Isolatorteil 18 angeordneten
Materialring 30 aufgenommen. Der Materialring liegt in
dem axialen Bereich 56, deckt ihn vorzugsweise ab und erstreckt
sich insbesondere über
diesen hinaus, um vom Einsatz 22 in das Isolatorteil 18 eingeleitete
Kräfte
möglichst
vollständig abzustützen.
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Der
Materialring 30 besteht aus einem in Umfangsrichtung zugfesten
und temperaturbeständigen
Material, vorzugsweise aus einer Wicklung aus zugfesten Fasermaterial
und umfasst insbesondere Glas und/oder Kohlefasern. Neben Glas-
oder Kohlefasern kommen jedoch alle Fasern in Betracht, die Zugbelastungen
aufnehmen können
und temperaturbeständig
sind. Desweiteren kann die Wicklung aus zugfestem Fasermaterial
mit einem Hochtemperaturkleber, wie zum Beispiel Epoxidharz- oder
Keramikkleber, verbunden und/oder an dem Isolatorteil 18 fixiert
werden. Als Verbund- oder Klebstoffe können sämtliche Stoffe eingesetzt werden,
die bei einer Einsatztemperatur von zirka 150°C und kurzzeitig bis zirka 400°C ihre Wirksamkeit
beibehalten. Der Materialring kann entweder auf den Aussenumfang
des Isolatorteils gesteckt oder bei einer Wicklung aus Fasermaterial
direkt auf das Isolatorteil gewickelt und anschliessend verklebt
werden.
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Der
Materialring 30 kann am Außenumfang selbst oder in einer
umfangsmäßigen Ausnehmung 58 im
Außenumfang
des ringförmigen
Isolatorteils 18 angeordnet sein. Die umfangsmäßige Ausnehmung 58 kann
aus einer umfangsmäßigen Nut
im Außenumfang
des Isolatorteils 18 bestehen, oder, wie in 2 dargestellt,
als stufenartige Ausnehmung mit einer Schulter oder Stufe 60 und
einem axial offenen Ende ausgebildet sein, das in Axialrichtung
dem Düsenelement 38 zugewandt
ist. Hierbei befindet sich der Materialring 30 vorzugsweise
in axialer Richtung zwischen der Stufe 60 und dem außerhalb
der zentralen Ausnehmung des Isolatorteils 18 angeordneten
Flansch 24 des Einsatzes 20 und grenzt insbesondere
an diese formschlüssig
an. Hierdurch wird der Materialring 30 vor mechanischen
Einwirkungen in axialer Richtung durch die Stufe 60 einerseits
und den radialen Flansch des Einsatzes 20 andererseits geschützt.
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Die
Verwendung des erfindungsgemässen Materialrings 30 ermöglicht es
also, radiale Kräfte aufzufangen,
die bei Erwärmung
und einem damit verbundenen Ausdehnen des metallischen Einsatzes 20 auf
das ringförmige
Isolatorteil 18, das den Einsatz 20 umschliesst,
wirken. Dies besitzt den Vorteil, daß ein Brechen des vorzugsweise
keramischen Materials des Isolatorteils 18 durch innere
Zugbeanspruchung verhindert wird. Somit wird eine hohe Beanspruchbarkeit
sowie eine lange Lebensdauer der Aufnahmevorrichtung 52 gewährleistet.
Darüber
hinaus werden sonstige Schäden
am Werkstück 12 oder am
Laserbearbeitungskopf 12 vermieden, die durch ein Brechen
des Isolatorteils 18 beim Betrieb des Laserbearbeitungskopfes 10 verursacht
werden können.