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Die
Erfindung betrifft eine Aufnahmevorrichtung für ein Düsenelement eines Laserbearbeitungskopfes.
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Mit
Hilfe eines Laserbearbeitungskopfes lässt sich ein Werkstück unter
Verwendung eines Laserstrahls derart bearbeiten, dass zum Beispiel Schweiß- oder Schneidarbeiten
durchgeführt
werden können.
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. Dazu wird an das
Düsenelement
eine wechselförmige
Messspannung angelegt. 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. Der Einsatz ist als Buchse mit einem Flansch ausgebildet,
wobei der Flansch die Stirnfläche
der Aufnahmevorrichtung abdeckt. 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 davon angebrachten Metalleinsatz,
wobei der Einsatz durch Schrauben, die sich durch in axialer Richtung
laufende Löcher
in dem Isolationsteil erstrecken, an dem Isolationsteil lösbar befestigt
ist. Somit wird ein durch thermische oder mechanische Beanspruchung
verursachtes Herausfallen des Ein satzes 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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Um
eine thermische Belastung so gering wie möglich zu halten, ist es üblich, über Zufuhr
eines Kühlgases
das Düsenelement
und damit verbunden den Metalleinsatz zu kühlen. Ein herkömmlicher
Laserbearbeitungskopf, der mittels Druckluft gekühlt wird, ist in 1 gezeigt.
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Hierbei
wird ein Arbeitslaserstrahl durch den Laserbearbeitungskopf 100 hindurch
auf ein Werkstück 102 gelenkt,
wie durch die optische Achse L angedeutet wird.
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Am
Gehäuse 104 des
Laserbearbeitungskopfes 100, das zum Schutz des Gehäuses 104 noch zusätzlich mit
einer Armierung 1041 versehen ist, ist mittels einer Überwurfmutter 106 ein
ringförmiges Isolationsteil 108 lösbar befestigt.
Ein Einsatz 110 ist mit einem Buchsenabschnitt 1101,
an welchen sich ein radialer Flansch 1102 anschließt, in eine
Ausnehmung 1080 des ringförmigen Isolationsteils 108 zentrisch
eingesetzt und mit dieser z. B. durch eine Klebeschicht verbunden.
Der radiale Flansch 1102 erstreckt sich bis an die Außenkante
des Isolationsteils 108, um die werkstückzugewandte Seite des Isolationsteils 108 abzudecken.
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Ein
Düsenelement 112 weist
eine Düsenöffnung 1121 und
einen radialen Flansch 1122 mit Rand 1123 auf
und ist mit einem Außengewinde 1124 in
ein Innengewinde 1103 des Einsatzes 110 eingeschraubt.
Zum leichten Ein- oder
Ausschrauben des Düsenelements 112 in
den oder aus dem metallischen Einsatz 110 kann der Rand 1123 gerändelt sein.
Als Zentrierung zwischen Düsenelement 112 und
Einsatz 110 dienen kegelige Zentrierflächen 1104.
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Zur
Kühlung
des Düsenelements 112 und dem
damit verbundenen Einsatz 110 wird Druckluft durch eine
Kühlgaszufuhrleitung 114 des
Gehäuses 104 zu
einer Bohrung 1061 der Haltemutter 106 geleitet,
durch die eine Gasströmung
erzeugt wird, die den Rand 1123 des Flansches 1122 des
Düsenelements 112 trifft
und damit entsprechend abkühlt.
Um dies zu erreichen, ragt der Rand 1123 des Flansches 1122 des
Düsenelements 112 über den äußeren Umfangsrand
des Isolationsteils 108 hinaus. Um die Kühlgaszufuhr 114 des
Gehäuses 104 gegenüber dem
zentralen Durchgang entlang der optischen Achse L, durch den üblicherweise
eine zentrale Prozeßgasströmung geleitet
wird, abzudichten, ist zwischen der werkstückzugewandten Seite des Gehäuses 104 und
der werkstückabgewandten
Seite des Isolationsteils 108 ein Dichtring 116 vorgesehen.
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Neben
der gezeigten Ausführung
zur Kühlung
des Düsenelements 112 ist
ferner auch eine Ausführung
allgemein bekannt, bei der eine Kunststoffkappe (nicht gezeigt)
in die Nähe
des Düsenelements
ragt, wourch ein Luftstrom in die Nähe des Düsenelements geleitet wird,
um das Düsenelement
zu kühlen.
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Beide
Arten der Kühlung
weisen jedoch den Nachteil auf, dass der Luftstrom nur indirekt
und nicht sehr effektiv Wärme
aus dem thermisch beanspruchten Isolationsteil abführen kann,
was aufgrund der oben beschriebenen unterschiedlichen Wärmeausdehungskoffizienten
zwischen Einsatz 110 und Isolationsteil 108 zu
einer Zugbeanspruchung des Isolationsteils 108 führt, die
ein mögliches
Brechen des Isolationsteils 108 zur Folge haben kann.
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Die
EP 0 294 324 A1 beschreibt
ein Laserbearbeitungswerkzeug. Hierbei weist ein Laserschneidwerkzeug
eine Düse
mit einer Düsenspitze
auf, wobei die Düsenspitze
aus Kupfer angefertigt ist und in einem Keramikteil an der Düse gehalten
wird. Die Düsenspitze
kann hierbei mit einem Gewinde in das Keramikteil einer Düse eingeschraubt
werden. Das Keramikteil weist einen Durch lass auf, durch welchen ein
Kühl- oder
Arbeitsgas durch das Keramikteil hindurch der Düsenspitze zugeführt werden
kann, wobei das Kühlgas
durch Bohrungen in der Düsenspitze austritt,
um die Düsenspitze
zu kühlen.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine weitere Aufnahmevorrichtung
mit einem Isolationsteil und einem darin eingesetzten Einsatz zu schaffen,
die insbesondere eine effektive Kühlung sowohl des Isolationsteiles
als auch des Einsatzes ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird durch die Aufnahmevorrichtung nach Anspruch 1 und einen
Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestal tungen
und Weiterbildungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen dargelegt.
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Erfindungsgemäß ist eine
Aufnahmevorrichtung mit einem ringförmigen Isolationsteil vorgesehen,
das eine zentrale Ausnehmung aufweist, wobei zumindest ein von einer
werkstückabgewandten Stirnfläche des
Isolationsteils durch das Isolationsteil verlaufender Kühlkanal
in einer werkstückzugewandten
Stirnfläche
des Isolationsteils mündet,
wobei die Aufnahmevorrichtung ferner einen Einsatz zur lösbaren Aufnahme
eines Düsenelements
zur Laserbearbeitung eines Werkstücks aufweist, der einen Buchsenabschnitt
und einen sich radial nach außen
erstreckenden Flansch umfaßt,
wobei der Einsatz mit seinem Buchsenabschnitt so in der zentralen
Ausnehmung angeordnet ist, dass sein Flansch im Bereich einer werkstückzugewandten
Stirnfläche
des Isolationsteils angeordnet ist, und wobei die werkstückabgewandte
Seite des Flansches des Einsatzes einem Außenbereich der werkstückzugewandten Stirnfläche des
Isolationsteils beabstandet gegenüberliegt, in dem der zumindest
eine Kühlkanal
in der Stirnfläche
des Isolationsteils mündet.
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Es
ist also eine Aufnahmevorrichtung vorgesehen, die ein ringförmiges Isolationsteil
sowie einen in der konzentrischen Ausnehmung des Isolationsteils
angeordneten metallischen Einsatz umfasst, wobei das Isolationsteil
mit Bohrungen oder Durchgängen
versehen ist, die von einer werkstückabgewandten Seite zu einer
werkstückzugewandten
Seite verlaufen, und die mit einem Kühlgas versorgt werden, das
einerseits das Isolationsteil selbst und andererseits bei seinem
Austreten aus dem Isolationsteil auch den Einsatz und ein in dem
Einsatz eingeschraubtes Düsenelement
kühlt.
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Für eine kostengünstige Bearbeitung
des Isolationsteils ist es von Vorteil, wenn der zumindest eine
Kühlkanal
des Isolationsteils einen kreisförmigen
Querschnitt aufweist, was eine leichte Erzeugung der Kühlkanäle ermöglicht.
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Um
eine hohe Kühlleistung
zu erzielen, ist es zweckmässig,
eine Vielzahl von Kühlkanälen vorzusehen,
deren Auslässe
an den Stirnflächen
des Isolationsteils in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt sind.
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Aufgrund
der guten elektrischen Isolationseigenschaften ist es zweckmässig, wenn
das Isolationsteil aus Keramik hergestellt ist, hierbei ist es insbesondere
für die
Herstellung eines Gewindes, für die
Bearbeitung der Form des Isolationsteils oder für die Erzeugung der Kühlkanäle vorteilhaft,
wenn das Isolationsteil aus einer spanend bearbeitbaren Glaskeramik
hergestellt ist. In diesem Fall ist der zumindest eine Kühlkanal
des Isolationsteils vorteilhafterweise eine Bohrung durch die Glaskeramik.
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Der
Einsatz ist aufgrund der benötigten
elektrischen Leitfähigkeit
und der bevorzugten guten Wärmeleitfähigkeit
zweckmässigerweise
aus Metall oder einer Metalllegierung hergestellt, besonders von Vorteil
sind hierbei Kupfer, Bronze oder Messing.
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Ein
stabiler Halt des Einsatzes in dem Isolationsteil wird erzielt,
wenn der Einsatz mit seinem Buchsenabschnitt in die zentrale Ausnehmung
des Isolationsteils eingeschraubt und/oder eingeklebt ist.
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Für den praktischen
Einsatz an Laserbearbeitungsanlagen ist es vorteilhaft, wenn das
Isolationsteil an seinem vom Einsatz abgewandten axialen Ende einen
sich radial nach außen
erstreckenden Flansch aufweist, über
den die Aufnahmevorrichtung an einem Gehäuse eines Laserbearbeitungskopfes mittels
einer Überwurfmutter
derart lösbar
befestigbar ist, dass zumindest eine Kühlgaszuführleitung des Gehäuses dem
zumindest einen Kühlkanal
des Isolationsteils gegenüberliegt.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Aufnahmevorrichtung bei
einem Laserbearbeitungskopf mit einem Gehäuse eingesetzt, durch das ein
Arbeitslaserstrahl geführt
ist, der durch eine Düse
bearbeitungsseitig austritt, wobei die Düse mittels der erfindungsgemäßen Aufnahmevorrichtung
am Gehäuse
lösbar
befestigt werden kann.
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Hierbei
kann die Düse
einem Düsenelement entsprechen,
das einen Flansch aufweist, der an den Flansch des Einsatzes angrenzt.
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Erfindungsgemäß ist es
auch möglich,
statt einem einfachen Düsenelement
ein Doppeldüsenelement
zu verwenden, durch das neben einem zentralen Prozeßgasstrom
zusätzlich
ein Kühlgasstrom
geleitet wird, der über
die Kühlkanäle im Isolationsteil gespeist
wird und der durch eine Öffnung
austreten kann, die benachbart zu einer zentralen Düsenöffnung vorgesehen
ist. Der Druck des Kühlgasstroms kann
unabhängig
vom zentralen Gasstrom eingestellt werden, um im Arbeitsbereich
einen höheren Druck
aufzubauen.
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Hierbei
ist es zweckmässig,
wenn das Doppeldüsenelement
mit Zuführkanälen ausgestattet
ist, um das Kühlgas
von den Kühlkanälen des
Isolationsteils zu einer Ringöffnung
an der werkstückzugewandten
Seite des Doppeldüsenelements
zu leiten, die die zentrale Düsenöffnung des
Doppeldüsenelements
umgibt.
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Weiter
ist es von besonderem Vorteil, wenn zwischen dem werkstückzugewandten
Randbereich des Isolationsteils und dem werkstückabgewandten Randbereich des
Doppeldüsenelements
ein Dichtring zur Abdichtung des von den Kühlkanälen des Isolationsteils zu
den Zuführkanälen des
Doppeldüsenelements
geleiteten Kühlgasstroms
von der Umgebung vorgesehen ist.
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In
einer anderen erfindungsgemäßen Ausgestaltung
der Erfindung kann die Düse
auch ein Doppeldüsenelement
mit einem Innendüsenelement
und einem separaten Außendüsenelement
sein.
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Hierbei
ist es zweckmässig,
wenn das Innendüsenelement
mittels eines Buchsenabschnitts in die zentrale Ausnehmung des Isolationsteils
eingesetzt ist.
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Hierbei
ist das eingesteckte Innendüsenelement
vorteilhafterweise mittels des Außendüsenelements befestigt, das
ein Innengewinde aufweist und mit diesem auf ein Außengewinde
des Isolationsteils aufgeschraubt ist.
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Für eine weitere
Abdichtung der Gasstrahlen ist es zweckmässig, wenn zwischen der werkstückzugewandten
Seite des Gehäuses
und der werkstückabgewandten
Seite des Isolationsteils ein innerer Dichtungsring und ein äußerer Dichtungsring
vorgesehen sind, von denen der eine in Radialrichtung innen und
der andere außen
von der zumindest einen Kühlgaszufuhrleitung
im Gehäuse
und dem zumindest einen Kühlkanal
des Isolationsteils angeordnet ist, um den Gasstrom gegenüber dem
Durchgang des Arbeitslaserstrahls bzw. der Umgebung abzudichten.
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Die
Erfindung wird im Folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
geschnittene, schematische Darstellung eines herkömmlichen
Laserbearbeitungskopfes;
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2 eine
geschnittene, schematische Darstellung eines Laserbearbeitungskopfes
gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung;
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3 eine
geschnittene, schematische Darstellung eines Laserbearbeitungskopfes
gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung;
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4 eine
dreidimensionale, schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels
einer Aufnahmevorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung; und
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5 eine
geschnittene, schematische Darstellung eines Ausschnitts eines anderen
Ausführungsbeispiels
einer Aufnahmevorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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In
den verschiedenen Figuren der Zeichnung sind einander entsprechende
Bauelemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 2 ist
ein erstes Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Laserbearbeitungskopfes 200 gezeigt.
Hierbei ist an einem Gehäuse 204,
das wie der herkömmliche
Laserbearbeitungskopf 100 aus 1 eine Armierung 2041 aufweist,
ein ringförmiges
Isolationsteil 208 lösbar
befestigt. In eine Ausnehmung 2080 des ringförmigen Isolationsteils 208 ist
ein Einsatz 210 mit einem Buchsenabschnitt 2101, an
welchen sich ein radialer Flansch 2102 anschließt, zentrisch
eingesetzt und mit diesem verbunden. Hierbei kann der Buchsenabschnitt 2101 in
der Ausnehmung 2080 des ringförmigen Isolationsteils 208 eingeschraubt
und/oder verklebt sein.
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In
ein Innengewinde 2103 des Einsatzes 210 ist ein
Düsenelement 212 mit
einer Düsenöffnung 2121 und
einem radialen Flansch 2122 mit einem Rand 2123 eingeschraubt. Ähnlich dem
herkömmlichen
Düsenelement 112 aus 1 kann
der Rand 2123 zum leichten Ein- oder Ausschrauben des Düsenelements 212 gerändelt sein.
Als Zentrierung zwischen Düsenelement 212 und
Einsatz 210 dienen kegelige Zentrierflächen 2104.
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Um
das ringförmige
Isolationsteil 208, den Einsatz 210 sowie das
Düsenelement 212 zu
kühlen, ist
das ringförmige
Isolationsteil 208 erfindungsgemäß mit in Umfangsrichtung angeordneten,
axial von der werkstückabgewandten
Seite zur werkstückzugewandten
Seite des Isolationsteils 208 verlaufenden Kühlkanälen versehen,
durch die ein durch eine Kühlgaszufuhrleitung 214 zur
werkstückabgewandten
Seite des Isolationsteils 208 geleitetes Kühlgas durch
das Isolationsteil 208 hindurch auf die werkstückabgewandte
Seite des Flansches 2122 des Düsenelements 212 geleitet
wird, um das Düsenelement 212 zu
kühlen.
Um einen Durchlass des Kühlgases
an der werkstückzugewandten
Seite des Isolationsteils 208 zu ermöglichen, erstreckt sich der
radi ale Flansch 2102 des Einsatzes 210 nicht über die gesamte
werkstückzugewandte
Stirnfläche
des Isolationsteils 208 bis zu dessen Außenkante,
sondern lediglich bis zu den Auslassöffnungen der Kühlkanäle 2081 des
Isolationsteils 208.
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Hierbei
ist besonders vorteilhaft, dass das Kühlgas durch einen in Radialrichtung
geöffneten
Kanal entweicht, der an der werkstückzugewandten Seite durch den
Flansch 2122 des Düsenelements 212,
an der werkstückabgewandten
Seite durch das Isolationsteils 208 und an seiner radialen
Innenseite durch den Rand des Flansches 2102 begrenzt wird. Somit
passiert das Kühlgas
alle drei zu kühlenden Elemente,
d. h. das Isolationsteil 208, den Einsatz 210 sowie
das Düsenelement 212.
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Darüber hinaus
kann durch eine Expansion des Kühlgases
in dem in Radialrichtung nach außen geöffneten Kanal eine weitere
effektive Kühlung
der drei Bauelemente erreicht werden. Dieser Kühleffekt kann durch eine entsprechende
Dimensionierung der Kühlkanäle 2081 in
dem Isolationsteil 208 erreicht werden.
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Ein
weiterer Vorteil dieser Konstruktion ist, dass der kühlende Gasstrom
von dem Buchsenabschnitt 2101 des Einsatzes 210 geringer
als bei den herkömmlichen
Vorrichtungen beabstandet ist, wodurch der Weg des Wärmetransports
verkürzt
und damit verbessert wird.
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Ferner
wird der Buchsenabschnitt 2101 bei diesem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung direkt durch den integral mit dem Buchsenabschnitt 2101 ausgebildeten
Flansch 2102 und nicht indirekt über den Flansch 2122 des
Düsenelements 212 gekühlt. Somit
kann eine Erwärmung
des Buchsenabschnitts 2101 effektiv vermindert werden.
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Die
Zuleitung des Kühlgases
zu den Kühlkanälen des
Isolationsteils 208 über
die Kühlgaszufuhrleitung 214 des
Gehäuses 204 soll
im Folgenden beschrieben werden. Die Kühlkanäle 2081 stehen mit einem
Hohlraum 215 in Verbindung, der beispielsweise eine ringförmige Nut
sein kann, die durch einen oder mehrere Kühlgaszufuhrleitungen 214 mit
Kühlgas
versorgt wird. Um diesen Hohlraum gegenüber der Umgebung abzudichten,
ist ein Dichtungsring 216 zwischen dem äußeren Randbereich der werkstückabgewandten
Fläche
des Isolationsteils 208 und einer werkstückzugewandten
Fläche
des Gehäuses 204 vorgesehen.
Für eine
weitere Abdichtung gegenüber
dem zentralen Strahlengang, durch den eine zentrale Gasströmung geführt wird,
ist ferner ein innerer Dichtungsring 218 zwischen dem werkstückabgewandten
inneren Umfangsrandbereich des ringförmigen Isolationsteils 108 und
der werkstückzugewandten
Fläche
des Gehäuses 204 vorgesehen.
Es ist jedoch auch möglich,
für jeden Kühlkanal 2081 des
Isolationsteils 208 eine eigene Kühlgaszufuhrleitung 214 zu
schaffen, die jeweils eigens abgedichtet wird. Hierfür ist es
jedoch nötig, dass
das Isolationsteil 208 nur in einer vorbestimmten Drehstellung
in das Gehäuse 204 eingesetzt
wird, damit die jeweiligen Öffnungen
miteinander korrespondieren können.
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In 3 ist
ein zweites Ausführungsbeispiel eines
Laserbearbeitungskopfes 200 gemäß der vorliegenden Erfindung
gezeigt. Da bei diesem Ausführungsbeispiel
lediglich ein unterschiedliches Düsenelement 312 verwendet
wird, soll im folgenden auf die Beschreibung der übrigen Bauelemente,
die in dem ersten Ausführungsbeispiel
bereits beschrieben wurden, verzichtet werden.
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Das
Doppeldüsenelement 312,
das für
die Bearbeitung von dicken Werkstücken besonders bevorzugt eingesetzt
wird, ist in den metallischen Einsatz 210 eingeschraubt.
Das sich konisch nach unten verjüngende
Doppeldüsenelement 312 weist
an seiner werkstückzugewandten
Seite eine zentrale Düsenöffnung 3121 für den austretenden
Laserstrahl sowie für
einen zentralen Gasstrom auf. Darüber hinaus ist an der werkstückzugewandten
Seite des Doppeldüsenelements 312 eine
zusätzliche
Ringöffnung 3122 vorgesehen,
durch die ein zusätzlicher
Gasstrahl austreten kann.
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Die
zusätzliche
Ringöffnung 3122 ist
ringförmig
um die zentrale Düsenöffnung 3121 herum
angeordnet und ist mit einem Zuführkanal 3123 verbunden,
der ausgehend von der Ringöffnung 3122 schräg entlang
der Außenwand
des Doppeldüsenelements 312 zu
einem Randbereich der werkstückabgewandten
Seite des Doppeldüsenelements 312 verläuft. Zwischen
der werkstückabgewandten Öffnung des
Zuführkanals 3123,
die beispielsweise ringförmig ausgebildet
sein kann, und der werkstückzugewandten
Seite des Isolationsteils 208 ist wiederum der bereits
in 2 beschriebene, in Radialrichtung geöffnete Kanal
ausgebildet, der jedoch nun durch die werkstückabgewandte Seite des Doppeldüsenelements 312 begrenzt
ist und an seiner Au ßenseite durch
einen Dichtungsring 314 abgedichtet wird. Somit wird ein
ringförmig
ausgebildeter Hohlraum geschaffen, der sowohl mit den Öffnungen
der Kühlkanäle 2081 des
Isolationsteils 208 als auch mit dem Zuführkanal 3123 des
Doppeldüsenelements 312 kommuniziert.
Zusätzlich
kann, um den Dichtungsring 314 zu schützen und einen stabilen Halt
zwischen dem Doppeldüsenelement 312 und
dem Isolationsteil 208 zu ermöglichen, eine von der werkstückabgewandten
Seite des Doppeldüsenelements 312 hervorragende,
ringförmige
Seitenwand 316 gebildet sein, um einen werkstückzugewandten
Randbereich des Isolationsteils 208 zu umschließen.
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In 4 ist
ein Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Aufnahmevorrichtung 400 in
einem nicht montierten Zustand dargestellt. Die Aufnahmevorrichtung 400 umfasst
das bereits oben erwähnte
ringförmige
Isolationsteil 208 und den Einsatz 210.
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Durch
das ringförmige
Isolationsteil 208 verlaufen in axialer Richtung eine Vielzahl
von oben bereits erwähnten
Kühlkanälen 2081,
die bevorzugter Weise als kreisrunde Bohrungen durch das Isolationsteil 208 ausgeführt sind.
Das ringförmige
Isolationsteil 208 ist aus einem elektrisch isolierenden
Material, insbesondere Keramik, hergestellt. Um die Kühlkanäle 2081 in
dem Isolationsteil 208 auszubilden, ist es besonders vorteilhaft,
eine Glaskeramik zu verwenden, die spanend bearbeitet werden kann, wie
beispielsweise die Glaskeramik Macor der Firma Corning Incorporated.
Derartige Glaskeramiken können
im Dauerbetrieb bei Arbeitstemperaturen von etwa 800° Celsius
eingesetzt werden, es sind jedoch auch kurzzeitige Spitzentemperaturen
von etwa 1000° Celsius
möglich.
Zudem ist dieses Material ein ausgezeichneter Elektroisolator, weist
jedoch eine schlechte Wärmeleitfähigkeit
auf, weshalb eine möglichst
große
Anzahl von Kühlkanälen 2081,
soweit die Stabilität
des Isolationsteils 208 nicht dadurch beeinträchtigt wird,
bevorzugt ist.
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Das
ringförmige
Isolationsteil 208 weist an seinem vom Einsatz 210 abgewandten
axialen Ende einen sich radial nach außen erstreckenden Flansch 2084 auf, über den
das ringförmige
Isolationsteil 208 an dem in 2 und 3 gezeigten
Gehäuse 204 des
Laserbearbeitungskopfes 200 mittels der Überwurfmutter 206 lösbar befestigt
werden kann. Darüber
hinaus kann an der werkstückzugewandten
Seite des Isolationsteils 208 eine sich radial nach innen
erstreckende Ausnehmung 2085 gebildet sein, die von der
ringförmigen
Seitenwand 316 des Doppeldüsenelements 312 umschlossen
wird.
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Der
Durchmesser des ringförmigen
Isolationsteils 208 beträgt typischerweise 25 mm und
dessen Höhe
ist typischerweise 12 mm, kann aber auch je nach Einsatzbereich
des Laserbearbeitungskopfes 200 andere geeignete Abmessungen
aufweisen.
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Des
weiteren ist in dem Isolationsteil 208 ein Kontaktstift 2086 vorgesehen,
der von einem äußeren Bereich
der werkstückabgewandten
Seite des Isolationsteils 208 durch das Isolationsteil 208 schräg nach innen
verläuft
und auf den Flansch 2102 des Einsatzes 210 trifft,
um den Einsatz 210 elektrisch zu kontaktieren. Hierbei
befindet sich an der werkstückzugewandten
Seite des Gehäuses 204 zur
Aufnahme des Isolationsteils 208 eine entsprechende elektrische
Kontaktierung (nicht gezeigt).
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Der
Einsatz 210 ist in der zentralen Ausnehmung 2080 des
ringförmigen
Isolationsteils 208 angeordnet. Der Einsatz 210 kann
mit seinem Buchsenabschnitt 2101 in die zentrale Ausnehmung 2080 geklebt
oder beispielsweise in ein in der zentralen Ausnehmung 2080 befindliches
Gewinde (nicht gezeigt) eingeschraubt sein und gegebenenfalls noch
zusätzlich
verklebt sein. Der Einsatz 210 ist aus einem elektrisch
leitenden Material hergestellt, insbesondere einem Metall oder einer
Metalllegierung. Hierbei ist wichtig, dass das verwendete Material
einen hohen Schmelzpunkt aufweist, um eine Zerstörung des Materials bei den
auftretenden hohen Temperaturen zu vermeiden. Um die Kühlung durch
das Kühlgas
zu optimieren, ist es erforderlich, dass das verwendete Material
eine gute Wärmeleitfähigkeit
aufweist. Besondere geeignete Materialien sind z. B. Kupfer, Bronze
oder Messing.
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Der
an der werkstückzugewandten
Seite des Isolationsteils 208 befindliche Flansch 2102 des
Einsatzes 210 erstreckt sich in Radialrichtung mit seinem
Rand 2103 nicht bis zu einer werkstückzugewandten Außenkante 2082 des
Isolationsteils 208, sodass ein werkstückzugewandter Randbereich 2083 des
Isolationsteils 208 freiliegt. Somit ist ein freiliegender
Bereich für
die Kühlkanäle 2081 des Isolationsteils 208 vorgesehen.
Vorzugsweise grenzen die Auslässe
der Kühlkanäle 2081 des
Isolationsteils 208 direkt an den Rand 2103 des
Flansches 2102 des Einsatzes 210 an, um den Einsatz 210,
insbesondere den Buchsenabschnitt 2101 des Einsatzes 210 gut
kühlen
zu können.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist die Aufnahmevorrichtung 400 so ausgebildet,
wie dies in einem Ausschnitt in 5 gezeigt
ist.
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Hierbei
weist die werkstückabgewandte
Fläche
des Flansches 2102' des
Einsatzes 210' eine Stufe
in Radialrichtung auf, so dass ein Außenbereich der werkstückabgewandten
Seite des Flansches 2102' einem
Bereich der werkstückzugewandten
Stirnfläche
des Isolationsteils 208, in dem der zumindest eine Kühlkanal
in der werkstückzugewandten
Stirnfläche
des Isolationsteils 208 mündet, beabstandet gegenüberliegt.
Hierbei liegt ein radialer Innenbereich der werkstückabgewandten
Seite des Flansches 2102' an
einem radialen Innenbereich der werkstückzugewandten Stirnfläche des
Isolationsteils 208 an.
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Es
ist natürlich
auch möglich,
dass die werkstückzugewandte
Seite des Isolationsteils 208 eine in Radialrichtung ausgebildete
Stufe aufweist (nicht gezeigt), die die werkstückzugewandte Stirnfläche des Isolationsteils 208 in
einen Innenbereich und einen Außenbereich
unterteilt, wobei der zumindest eine Kühlkanal 2081 in den
Außenbereich
mündet
und die werkstückabgewandte
Seite des Flansches 2102 des Einsatzes 210 an
dem Innenbereich anliegt und dem Außenbereich sowie dem Auslassbereich
des zumindest einen Kühlkanals
beabstandet gegenüberliegt.
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Bei
beiden Ausgestaltungen entweicht das Kühlgas durch einen in Radialrichtung
geöffneten
Kanal, der an der werkstückzugewandten
Seite durch den Flansch 2102 oder 2102' des Einsatzes 210 oder 210', an der werkstückabgewandten
Seite durch die werkstückzugewandte
Stirnfläche
des Isolationsteils 208 und an seiner radialen Innenseite
durch die in radialer Richtung ausgebildete Stufe entweder in dem Isolationsteil 208 oder
in dem Flansch 2102' begrenzt wird.
Somit kann das Kühlgas
besonders effektiv das Isolationsteil 208 und den Einsatz 210 oder 210' kühlen.
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Ferner
ist es auch möglich,
bei der in 4 gezeigten Ausführungsform
in der werkstückzugewandten
Stirnfläche
des Isolationsteils 208 in Radialrichtung verlaufende Kanäle auszubilden
(nicht gezeigt), die sich von den Mündungsbe reichen der Kühlkanäle 2081 in
der Stirnfläche
des Isolationsteils 208 bis zu dessen Umfangsrand erstrecken,
wobei der Flansch 2102 des Einsatzes 210 über den
Mündungsbereichen
angeordnet ist und sich gegebenenfalls bis zum Umfangsrand des Isolationsteils 208 erstreckt.
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In 6 ist
ein drittes Ausführungsbeispiel eines
Laserbearbeitungskopfes gemäß der vorliegenden
Erfindung gezeigt, das sich im Hinblick auf das erste und zweite
Ausführungsbeispiel
des in 2 und 3 gezeigten Laserbearbeitungskopfes 200 lediglich
in der Verwendung einer modifizierten Aufnahmevorrichtung 400' und einem unterschiedlichen
Doppeldüsenelement 500 unterscheidet.
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Die
Aufnahmevorrichtung 400' umfasst,
wie bei den oben genannten Ausführungsbeispielen,
ein ringförmiges
Isolationsteil 208' und
einen Einsatz 210''. Hierbei unterscheidet
sich das ringförmige
Isolationsteil 208' lediglich
durch ein Außengewinde 2087 in
der Außenwand
des keramischen Isolationsteils 208'. Der Einsatz 210 weist
wiederum einen Flansch 2102'' und einen Buchsenabschnitt 2101'' auf, im Unterschied zu den vorhergehenden
Ausführungsbeispielen
befindet sich jedoch an dem Buchsenabschnitt 2101'' kein Innengewinde zum Einschrauben
eines Düsenelements.
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Das
Doppeldüsenelement 500 umfasst
ein Innendüsenelement 510 und
ein Außendüsenelement 520.
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Das
Innendüsenelement 510 weist
einen sich konisch in Richtung des Werkstücks verengenden Düsenabschnitt 512 mit
einer werkstückzugewandten
Innendüsenöffnung 513,
einen Buchsenabschnitt 514 sowie einen zwischen dem Düsenabschnitt 512 und
dem Buchsenabschnitt 514 angeordneten Flanschabschnitt 516 auf.
Der Buchsenabschnitt 514 ist in den gewindefreien Buchsenabschnitt 2101'' des Einsatzes 210'' eingesetzt oder eingesteckt, wobei
der Flanschabschnitt 516 der Innendüse 510 mit seiner
werkstückabgewandten
Seite an der werkstückzugewandten
Seite des Flansches 2102'' des Einsatzes 210'' anliegt.
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Das
Außendüsenelement 520 weist
einen sich konisch in Richtung des Werkstücks verengenden Düsenabschnitt 522 mit
einer werkstückzugewandten,
die Innendüsenöffnung 513 umgebenden Außendüsenöffnung 523 und
eine sich von dem werkstückabgewandten
Ende des Düsenabschnitts 522 erstreckende
ringförmige
Seitenwand 524 auf, die mit einem Innengewinde 525 versehen
ist, um das Außendüsenelement 520 auf
das Außengewinde 2087 des
Isolationsteils 208 aufzuschrauben. Hierbei dienen an der
inneren Seitenwand des Düsenabschnitts 522 des
Außendüsenelements 520 angebrachte
Rippenelemente 526 der Stützung des Innendüsenelements 510,
wobei die werkstückzugewandte
Seite des Flanschabschnitts 516 des Innendüsenelements 510 auf
einer werkstückabgewandten
Seite der Rippenelemente 526 aufliegt. Die Rippenelemente 526 sind
bevorzugterweise als Vorsprünge
an der Innenwand des Düsenabschnitts 522 mit
einer ebenen werkstückabgewandten
Auflagefläche
gebildet, sie können
jedoch jede beliebige Form annehmen, solange der Kühlgasstrom
aus den Kühlkanälen 2081 des
Isolationsteils 208 diese auf dem Weg zu der Außendüsenöffnung 523 passieren
kann.
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Somit
kann also das Innendüsenelement 510 in
einfacher Weise mit seinem Buchsenabschnitt 514 in den
Einsatz 210'' gesteckt werden
und durch das Außendüsenelement 520,
das wie eine Überwurfmutter
für das
Innendüsenelement 510 wirkt,
arretiert werden. Es ist jedoch auch möglich (nicht gezeigt), ein
mit einem Außengewinde
versehenes Innendüsenelement 510 in
einen mit einem Innengewinde versehenen Einsatz 210 einzuschrauben,
wobei in diesem Fall die Rippenelemente 526 nicht unbedingt
notwendig sind. Darüber
hinaus ist es auch denkbar, eine Aufnahmevorrichtung (nicht gezeigt) ohne
Einsatz 210'' auszubilden,
wobei in diesem Fall das Innendüsenelement 510 direkt
in die zentrale Ausnehmung 2080 des Isolationsteils 208 gesteckt wird.
Zur Abdichtung des Kühlgasstromes
durch die Kühlkanäle 2081 gegenüber der
Umgebung ist ferner ein Dichtring 530 vorgesehen, der an
einem inneren Schulterabschnitt der ringförmigen Seitenwand 524 des
Außendüsenelements 520 vorgesehen
ist.
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Durch
den Einsatz der erfindungsgemäßen Aufnahmevorrichtung,
die mit Kühlkanälen 2081 versehen
ist, kann in effektiver Weise sowohl das Isolationsteil 208,
der Einsatz 210 als auch das Düsenelement 212, 312 oder 500 gekühlt werden.
Somit wird eine thermische Belastung des Isolationsteils verringert.
Ferner wird durch die Verringerung der Erwärmung des Einsatzes 210,
insbesondere des Buchsenabschnitts 2101 des Einsatzes 210,
eine Ausdehnung des Buchsenabschnitts 2101 vermindert,
wodurch das Isolationsteil 208 einer geringeren Zugbeanspruchung
ausgesetzt wird. Darüber
hinaus kann durch die erfindungsgemäße Aufnahmevorrichtung ein
kompakter Aufbau eines Laserbearbeitungskopfes 200 mit
einem Doppeldüsenelement 312 oder 500 verwirklicht
werden, da der zusätzliche
Gasstrom durch das Isolationsteil 208 geleitet wird.