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Die Erfindung betrifft eine Aufnahmevorrichtung für ein Düsenelement, insbesondere eine Aufnahmevorrichtung für ein Düsenelement eines Laserbearbeitungskopfes, und einen Laserbearbeitungskopf.
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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
DE 201 14 990 U1 beschreibt einen Laserbearbeitungskopf. Hierbei wird ein aus Keramik bestehendes ringförmiges Isolationselement mit Hilfe einer Überwurfmutter an der Unterseite eines Sensoreinsatzes eines Laserbearbeitungskopfes gehalten. An seiner vom Sensoreinsatz wegweisenden Stirnfläche trägt das Isolationselement ein ringförmiges Metallelement, das fest und unverdrehbar mit der Unterseite des Isolationselements verbunden ist. Dabei erstreckt sich das Metallelement noch zum Teil ins Innere des im Isolationselement vorhandenen koaxialen Hohlkanals hinein und kommt dort koaxial zur Längsachse des Hohlkanals zu liegen. An seiner dem Sensoreinsatz abgewandten Stirnseite trägt das Isolationselement über das Metallelement eine Düsenelektrode. Die Düsenelektrode weist einen axialen Flansch mit einem Außengewinde auf, wobei das Außengewinde in ein Innengewinde hineingeschraubt ist, welches sich an der inneren Umfangsfläche desjenigen Teils des Metallelements befindet, der koaxial zur Längsachse liegt.
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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 fixiert, 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 Laserbearbeitungskopf 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 Gehäuse 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.
