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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbereiten von Druckluft einer CO2-Laseranlage, wobei die Druckluft einem Strahlführungsraum, in welchem der CO2-Laserstrahl der CO2-Laseranlage geführt ist, zugeführt wird, sowie eine CO2-Laseranlage mit einem druckluftgespülten Strahlführungsraum, in welchem der CO2-Laserstrahl der CO2-Laseranlage geführt ist, und mit einer Vorrichtung zum Aufbereiten der dem Strahlführungsraum zugeführten Druckluft.
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Ein derartiges Aufbereitungsverfahren und eine derartige Laseranlage sind beispielsweise durch
DE 295 09 648 U1 bekannt geworden.
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Bei CO2-Laseranlagen erfolgt die Strahlführung aufgrund der Laserwellenlänge > 2 μm im Gegensatz zu Glasfasern bei Festkörper-, Dioden- und Faserlasern überwiegend in freier Strahlpropagation über reflektierende, transmissive und teiltransmissive optische Elemente. Zum Schutz des Laserstrahls wird der Laserstrahl in CO2-Laseranlagen über externe Strahlführungsräume gegen die äußere Umgebung abgeschottet. Die externen Strahlführungsräume können als starre Strahlführungsrohre oder als flexible Faltenbälge ausgebildet sein.
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CO2-Laserstrahlung wird von verschiedenen Gasen mehr oder weniger stark absorbiert. Beispiele für gasförmige Stoffe, die aus dem Strahlführungsraum eines Laserstrahls ferngehalten werden müssen, sind Kohlendioxid (CO2), Kohlenwasserstoffe (CxHy), halogenierte Kohlenwasserstoffe oder Schwefelhexafluorid (SF6). Die schädigende Wirkung dieser Gase besteht weniger im Leistungsverlust durch die absorbierte Leistung, als vielmehr in der optischen Wirkung auf die Laserstrahlung. Die absorbierte Leistung führt zu einer Temperaturerhöhung des Gases und damit zu einer lokalen Änderung des temperaturabhängigen Brechungsindex. Die verschiedenen Brechungsindices im Gas führen zu einer Fokussierung oder Aufweitung der Laserstrahlung und beeinflussen so die Strahlpropagation in den externen Strahlführungsräumen. Häufig kommt es zu einer Vergrößerung des Laserstrahldurchmessers oder zu Deformationen des Laserstrahlprofils, die die Anwendung stören und die Qualität der Laserbearbeitung beeinträchtigen. Bekannt ist außerdem, dass Kohlenwasserstoffe zu Kontaminationen auf optischen Elementen in CO2-Strahlführungsräumen führen können, welche die Fokussiereigenschaften der optischen Elemente verändern.
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Jedes optische Element absorbiert einen geringen Teil der Laserstrahlleistung eines auftreffenden Laserstrahls und erwärmt sich durch die absorbierte Leistung. Staubpartikel oder sonstige Verschmutzungen, wie z. B. Abrieb, die in einem Strahlführungsraum vorhanden sind, lagern sich an der Oberfläche der optischen Elemente ab und führen zu einer verstärkten Absorption des auftreffenden Laserstrahls und damit zu einer zusätzlichen Erwärmung der optischen Elemente. Die absorbierte Laserstrahlleistung führt zu einer thermischen Belastung der optischen Elemente, die die Lebensdauer reduziert, und verändert außerdem die optischen Eigenschaften. CO2-Laser und -Laseranlagen höherer Leistung benötigen daher ein gasförmiges Spülmedium in internen und/oder externen Strahlführungsräumen, um die optischen Elemente vor Staubpartikeln und sonstigen Ablagerungen zu schützen. Eine sichere Methode, die unbeeinflusste Strahlpropagation sicherzustellen und Kontaminationen von optischen Elementen durch Bestandteile des gasförmigen Spülmediums zu vermeiden, ist die Verwendung von inerten Reinstgasen, wie z. B. Stickstoff. Diese Gase sind aber je nach Art der Bevorratung teuer und werden von den Anwendern immer häufiger nicht akzeptiert. Neben Inertgasen wird Druckluft als Spülgas für Strahlführungsräume von Laseranlagen eingesetzt, wobei Druckluft den Nachteil besitzt, dass unerwünschte Bestandteile wie Kohlendioxid, Kohlenwasserstoffe, Staubpartikel und Feuchtigkeit in der Druckluft vorhanden sind. Daher wird Druckluft derzeit bspw. durch CO2-Filtration aufbereitet, um die Qualität der Druckluft zu verbessern, allerdings werden durch die CO2-Filtration keine Kohlenwasserstoffe entfernt. Kohlenwasserstoffe können auf Laseroptiken filmische Kontaminationen verursachen, die eine Erhöhung der Absorption zur Folge haben. Die Konsequenz ist die Veränderung der optischen Eigenschaften der Laseroptiken, die eine Reinigung oder einen Tausch notwendig werden lassen. Bisher wird versucht, Kohlenwasserstoffe, die in druckluftgespülten Strahlführungsräumen vorhanden sind, durch Aktivkohlefilter zu entfernen. Ein Problem bei der Verwendung von Aktivkohle zur Adsorption von Kohlenwasserstoffen besteht in der unterschiedlichen, in der Regel unbekannten Zusammensetzung der Druckluft an Kohlenwasserstoffen. Aktivkohle weist gegenüber Kohlenwasserstoffen eine unterschiedliche Aufnahmefähigkeit auf, die in verschiedene Klassen eingestuft wird: sehr geringe Aufnahmefähigkeit (Klasse 1), noch nenneswerte Aufnahmefähigkeit (Klasse 2), zufriedenstellende Aufnahmefähigkeit (Klasse 3) und gute Aufnahmefähigkeit (Klasse 4). Die Aufnahmefähigkeit von Aktivkohle ist beispielsweise sehr gering für Methan und Ethan (Klasse 1) und noch nennenswert für Butan und Propan (Klasse 2), so dass Aktivkohle nicht wirksam gegen diese Kohlenwasserstoffe eingesetzt werden kann.
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Aus der eingangs genannten
DE 295 09 648 U1 ist eine Laserbearbeitungsmaschine mit einem Lasergenerator und einem Bearbeitungskopf bekannt, an welcher der Laserstrahl zwischen dem Lasergenerator und dem Bearbeitungskopf in einem gasgefüllten Strahlführungsraum verläuft, der mit Luft mit einem definierten CO
2-Gehalt gefüllt ist. Zur Einstellung des CO
2-Gehalts kommt ein Molekularsieb zum Einsatz, welches durch Ausfiltern von CO
2-Molekülen die CO
2-Konzentration der in den Strahlführungsraum geförderten Luft auf einen Wert unter 300 ppm senkt.
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Aus der
US 4,661,680 ist eine Laseranlage mit einer Luftaufbereitungsanlage bekannt, die die Luft in der Strahlführung reinigt. Dieses Patent befasst sich mit dem Problem, dass sich Staub und Niederschläge auf optischen Elementen in der Strahlführung absetzen und die Strahlqualität des Laserstrahls verringert wird. Neben kommerziell erhältlichen Filtern enthält die Luftaufbereitungsanlage absorbierende Granulate, die unerwünschte Bestandteile, wie Wasserdampf, Kohlendioxid und Schwefelhexafluorid, binden und aus der Strahlführung entfernen.
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Aus der
WO 95/33594 A ist bekannt, aufbereitete Druckluft als Spülgas für die Strahlführung einer Laseranlage zu verwenden. Die Druckluft wird einer Aufbereitungsanlage (Trennvorrichtung) zugeführt und in stickstoffreiches Gas und Sauerstoff getrennt. Das stickstoffreiche Gas wird der Strahlführung als Spülgas zugeführt. Bei Bedarf werden zusätzlich Filter eingesetzt, um Staub und/oder Ölnebel aus dem stickstoffreichen Gas zu entfernen, bevor das stickstoffreiche Gas der Strahlführung zugeführt wird.
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Aus der
EP 0 749 800 A ist schließlich noch eine Laseranlage mit einer gasgespülten Strahlführung zwischen Laserresonator und Bearbeitungskopf bekannt. Um den Laserstrahl vor Kohlendioxid zu schützen, wird ein Molekularsieb eingesetzt, das die Kohlendioxid-Konzentration auf Werte kleiner als 300 ppm einstellt. Ergänzend zum Molekularsieb werden Gaswäscher und/oder Gastrockner eingesetzt.
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Demgegenüber ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das Aufbereitungsverfahren und die Laseranlage der jeweils eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass eine Kontamination von Kohlenwasserstoffen auf optischen Elementen im Strahlführungsraum wirksam verhindert werden kann.
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Diese Aufgabe wird bei dem Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Kohlenwasserstoffgehalt der dem Strahlführungsraum zuzuführenden Druckluft katalytisch reduziert wird und dass, bevor die katalytisch reduzierte Druckluft dem Strahlführungsraum zugeführt wird, der Kohlenwasserstoffgehalt der Druckluft gemessen wird und bei Überschreiten eines vorgegebenen Grenzwertes die katalytisch reduzierte Druckluft nicht dem Strahlführungsraum zugeführt, sondern erneut katalytisch reduziert wird.
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Erfindungsgemäß wird zur Spülung von Strahlführungsräumen einer Laseranlage Druckluft eingesetzt, deren Kohlenwasserstoffgehalt zuvor katalytisch reduziert worden ist. An einem Pt/Pd-Katalysator werden bei 380°C alle Kohlenwasserstoffe in Kohlendioxid (CO2) und Wasser umgesetzt. Typischerweise sind in der Luft nur wenige ppm Kohlenwasserstoffe enthalten. Der CO2-Gehalt und die Feuchtigkeit der Ausgangsluft werden durch die katalytische Zersetzung der Kohlenwasserstoffe nur sehr gering erhöht.
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Bevorzugt wird vor oder nach dem katalytischen Reduzieren des Kohlenwasserstoffgehalts der CO2-Gehalt der Druckluft reduziert, und zwar insbesondere auf weniger als 50 ppm. Insbesondere die Luftaufbereitung für CO2-Laser und -Laseranlagen höherer Leistung erfolgt mehrstufig: In der ersten Stufe erfolgt die Luftaufbereitung mit Molsiebkolonnen, die den Drucktaupunkt und anschließend den CO2-Gehalt reduzieren. Mit der Reduzierung des CO2-Gehalts wird eine Ausgangskonzentration der Luft von weniger als 50 ppm CO2 erreicht. Die CO2-Reduktion ist notwendig, um die unbeeinflusste Strahlpropagation sicherzustellen. Den Molsiebkolonnen nachgeschaltet folgt die zweite Aufbereitungsstufe der Luft mit der katalytischen Entfernung aller Kohlenwasserstoffe auf weniger als 0,1 ppm.
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Bei Bedarf wird die Druckluftaufbereitung mit weiteren Reinigungsmitteln kombiniert, wie z. B. einem Partikelfilter oder einem Aktivkohlefilter zur Reduzierung von Feuchtigkeit.
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Die Erfindung betrifft auch eine CO2-Laseranlage mit einem druckluftgespülten Strahlführungsraum, in welchem der CO2-Laserstrahl der CO2-Laseranlage geführt ist, und mit einer Vorrichtung zum Aufbereiten der dem Strahlführungsraum zugeführten Druckluft, wobei erfindungsgemäß die Aufbereitungsvorrichtung einen Katalysator zur katalytischen Reduzierung des Kohlenwasserstoffgehalts der Druckluft aufweist und wobei ein Messgerät zum Messen des Kohlenwasserstoffgehalts der katalytisch reduzierten Druckluft und eine Steuerungseinheit, die abhängig vom gemessenen Kohlenwasserstoffgehalt die katalytisch reduzierte Druckluft entweder dem Strahlführungsraum oder erneut dem Katalysator zuführt, vorgesehen sind.
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Vorzugsweise weist die Aufbereitungsvorrichtung zusätzlich mindestens ein Molekularsieb, insbesondere Molsiebkolonnen, zur Reduzierung von Kohlendioxid, einen Aktivkohlefilter und einen Partikelfilter auf.
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Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
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Es zeigen:
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1 eine CO2-Laseranlage mit einem externen druckluftgespülten Strahlführungsraum und einer erfindungsgemäßen Druckluft-Aufbereitungsvorrichtung;
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2 eine Druckluft-Aufbereitungsvorrichtung gemäß dem Stand der Technik; und
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3 die erfindungsgemäße Druckluft-Aufbereitungsvorrichtung von 1.
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Die in 1 gezeigte CO2-Laseranlage 1 umfasst einen Laserresonator 2, einen externen Strahlführungsraum 3 und einen Bearbeitungskopf 4. Der im Laserresonator 2 erzeugte CO2-Laserstrahl 5 wird über einen Auskoppelspiegel 6 aus dem Laserresonator 2 ausgekoppelt und tritt in den externen Strahlführungsraum 3 ein. Der ausgekoppelte CO2-Laserstrahl 5 wird über reflektierende und/oder transmittierende optische Elemente, wie z. B. Spiegel und/oder Linsen, vom Laserresonator 2 zum Bearbeitungskopf 4 geführt. Über ein Strahlteleskop 7, das als Linsenteleskop oder als Spiegelteleskop ausgebildet ist, wird der Laserstrahl 5 auf einen gewünschten Strahldurchmesser aufgeweitet und zum Bearbeitungskopf 4 gelenkt. Der Bearbeitungskopf 4 ist als Linsenkopf ausgebildet und umfasst einen Umlenkspiegel 8, der den Laserstrahl 5 um 90° in einer senkrechten Ebene umlenkt, und eine Fokussierlinse 9, die den Laserstrahl auf einen für die Bearbeitung geforderten Strahldurchmesser fokussiert. Alternativ kann der Bearbeitungskopf 4 als Spiegelkopf mit einem Fokussierspiegel ausgebildet sein, der den Laserstrahl in Richtung Werkstück 10 ablenkt und auf den geforderten Strahldurchmesser fokussiert (nicht gezeigt).
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Zum Schutz der optischen Elemente, die in dem externen Strahlführungsraum 3 angeordnet sind, vor Verunreinigungen wird der externe Strahlführungsraum 3 mit Druckluft 11 gespült. Die Einleitung der Druckluft 11 erfolgt über eine Druckluft-Zuführvorrichtung 12. Diese umfasst eine als Ansaug- und Fördervorrichtung dienende Pumpe 13, mittels derer über einen Lufteinlass 14 in Form eines Ansaugstutzens sowie ein Ventil 15 atmosphärische Luft aus dem Nah- oder Umgebungsbereich der Laseranlage 1 angesaugt und zu dem externen Strahlführungsraum 3 gefördert wird. Durch eine Steuereinrichtung 16 wird der auslassseitige Druck an der Pumpe 13 eingestellt. Alternativ zu der aus der Atmosphäre angesaugten Luft kann der Strahlführungsraum 3 mit Druckluft 11 aus einem Behälter 17 beschickt werden. Die Luft in dem Behälter 17 steht unter Überdruck und kann dementsprechend ohne zusätzliche Hilfsmittel über ein dem Behälter 17 zugeordnetes Ventil 18 dem Strahlführungsraum 3 zugeführt werden. Sowohl die aus der Umgebung der Laseranlage 1 angesaugte als auch die dem Behälter 17 entstammende Druckluft 11 werden dem externen Strahlführungsraum 3 über eine Druckluft-Aufbereitungsvorrichtung 30 zugeleitet, wobei die Zu- und Abfuhr der Druckluft 11 zu und von der Aufbereitungsvorrichtung 30 über Ventile 19 eingestellt wird.
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2 zeigt zunächst eine bekannte Aufbereitungsvorrichtung 20 für Druckluft 11, die als gasförmiges Spülmedium in einem Strahlführungsraum 3 einer CO2-Laseranlage eingesetzt wird. Der ausgekoppelte Laserstrahl 5 verläuft ausgehend vom Auskoppelspiegel 6 im Innern eines hier als Strahlführungsrohr ausgebildeten Strahlführungsraums 3, ehe er an dem vom Auskoppelspiegel 6 abgewandten Ende des Strahlführungsrohres z. B. in den Bearbeitungskopf (nicht gezeigt) der Laseranlage eintritt. Der Strahlführungsraum 3 wird mit Druckluft 11 gespült, die nahe dem Auskoppelspiegel 6 in den Strahlführungsraum 3 einströmt und am Bearbeitungskopf wieder ausströmt. Die Druckluft 11 wird über eine Druckluft-Zuführvorrichtung 12 zugeführt und in der Aufbereitungsvorrichtung 20 aufbereitet. Die Druckluft 11 gelangt über ein Ventil 19 in die Aufbereitungsvorrichtung 20. Die Aufbereitung der Druckluft 11 erfolgt in mehreren Stufen, abhängig von den unerwünschten Bestandteilen (Feuchtigkeit, Partikel, Kohlendioxid) und der geforderten Reinheit der Druckluft 11, welche zur Spülung des externen Strahlführungsraums 3 aufbereitet wird. Die in 2 gezeigte Aufbereitungsvorrichtung 20 umfasst einen Vorfilter 21, einen Adsorptionstrockner 22, einen Aktivkohleadsorber 23, einen CO2-Reiniger 24 und einen Staubfilter 25, wobei die Druckluft 11 die Reinigungsmittel 21–25 nacheinander passiert. In einer ersten Aufbereitungsstufe werden Kondensat, Öl-Aerosole und Schmutzpartikel über den Vorfilter 21 aus der Druckluft 11 abgeschieden. In einer zweiten Aufbereitungsstufe entfeuchtet der Adsorptionstrockner 22 die Druckluft 11 bis zu einem Taupunkt. Öldämpfe und Kohlenwasserstoffe werden in einer dritten Aufbereitungsstufe über den Aktivkohleadsorber 23 aus der Druckluft 11 entfernt. Über den CO2-Reiniger 24 wird in einer vierten Aufbereitungsstufe Kohlendioxid (CO2) aus der Druckluft 11 entfernt. Feinstaub und Abrieb aus den Adsorbentien werden in einer fünften Aufbereitungsstufe im Staubfilter 25 abgeschieden.
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Die für die optischen Elemente im externen Strahlführungsraum 3 schädlichen Kohlenwasserstoffe werden in der bekannten Aufbereitungsvorrichtung 20 über den Aktivkohleadsorber 23 aus der Druckluft 11 entfernt. Der Aktivkohleadsorber 23 enthält Aktivkohle, welche überwiegend aus Kohlenstoff (> 90%) besteht und eine hochporöse Struktur mit einer großen inneren Oberfläche aufweist. Aktivkohle ist grundsätzlich zur Abscheidung einer Vielzahl von gasförmigen chemischen Stoffen geeignet. Aktivkohle hält Gasmoleküle zurück und lagert sie an das Kohlematerial im Filter an. Der Abscheidegrad hängt dabei unter anderem vom Aufnahmevermögen der Aktivkohle für die entsprechenden Substanzen ab. Aktivkohle mit einer guten Aufnahmefähigkeit nimmt zwischen 20 und 50% des Eigengewichtes in gasförmigen Stoffen auf. Die durchschnittliche Abscheidefähigkeit für gasförmige Stoffe in dieser Kategorie liegt bei ca. 35% des Eigengewichtes der Aktivkohle. Aktivkohle mit einer zufrieden stellenden Aufnahmefähigkeit nimmt zwischen 10 und 20% des Eigengewichtes auf. Die durchschnittliche Aufnahmefähigkeit für gasförmige Stoffe in dieser Kategorie ist ca. 15% des Eigengewichtes der Aktivkohle. Bei Aktivkohle mit noch nennenswerter Aufnahmefähigkeit werden Verbindungen nicht wesentlich absorbiert. Im Einzelfall können dennoch befriedigende Ergebnisse möglich sein. Bei Aktivkohlen mit einer sehr niedrigen Aufnahmefähigkeit liegt die Aufnahmefähigkeit so niedrig, dass Aktivkohle nicht wirksam gegen die betreffende chemische Verbindung eingesetzt werden kann. Das Aufnahmevermögen von Aktivkohle nimmt mit der Anlagerung von Gasmolekülen über die Einsatzdauer ab.
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3 zeigt die erfindungsgemäße Aufbereitungsvorrichtung 30 für Druckluft 11, welche in der Laseranlage 1 gemäß 1 eingesetzt wird. Diese Aufbereitungsvorrichtung 30 weist zunächst einen Aktivkohlefilter 31 zum Entfeuchten der Druckluft 11 und einen Partikelfilter 32, dann ein Molekularsieb (z. B. Molsiebkolonnen) 33, das den CO2-Gehalt der Druckluft 11 auf weniger als 50 ppm reduziert, und schließlich einen Pt/Pd-Katalysator 34 auf, der den Kohlenwasserstoffgehalt der Druckluft 11 auf weniger als 0,1 ppm reduziert.
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Die Luftaufbereitung erfolgt also mehrstufig, wobei eingangsseitig durch die Aktivkohle- und Partikelfilter 31, 32 die Druckluft 11 mit Qualitätsstufe ISO 8573-1141 erzeugt wird. Die Luftaufbereitung erfolgt in der ersten Stufe mit den Molsiebkolonnen 33, die als Erstes den Drucktaupunkt und anschließend den CO2-Gehalt reduzieren. Mit der Reduzierung des CO2-Gehalts wird eine Ausgangskonzentration der Druckluft 11 von weniger als 50 ppm CO2 erreicht. Die CO2-Reduktion ist notwendig, um die unbeeinflusste Strahlpropagation sicherzustellen. Den Molsiebkolonnen 33 nachgeschaltet folgt eine weitere Aufbereitungsstufe der Druckluft 11 mit der katalytischen Entfernung aller Kohlenwasserstoffe auf weniger als 0,1 ppm. Am Pt/Pd-Katalysator 34 werden bei 380°C alle Kohlenwasserstoffe in CO2 und Wasser umgesetzt. Typischerweise sind in Druckluft nur wenige ppm Kohlenwasserstoffe enthalten. Der CO2-Gehalt und die Feuchtigkeit der Druckluft 11 werden durch die katalytische Zersetzung der Kohlenwasserstoffe nur sehr gering erhöht. Diese mehrstufige Luftaufbereitung gewährleistet sowohl die unbeeinflusste Strahlpropagation als auch den Optikschutz.
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Die in 3 gezeigte erfindungsgemäße Aufbereitungsvorrichtung 30 ist in eine Regelung der Kohlenwasserstoff-Konzentration der Druckluft 11 integriert. Die Druckluft 11 gelangt über das Ventil 19 in die Aufbereitungsvorrichtung 30 und wird in mehreren Stufen über die verschiedenen Filter 31, 32, 33 und den Katalysator 34 aufbereitet. Über ein Messgerät 35 wird die Konzentration an Kohlenwasserstoffen in der Druckluft 11 gemessen und an die Steuerungseinheit 36 übergeben. Liegt die gemessene Konzentration unter einem vorgegebenen Wert, werden die nachgeschalteten Ventile 37, 19 von der Steuerungseinheit 36 so angesteuert, dass die aufbereitete Druckluft 11 dem Strahlführungsraum 3 der Laseranlage 1 zugeführt wird. Übersteigt die gemessene Konzentration hingegen den vorgegebenen Wert, werden die nachgeschalteten Ventile 37, 19 von der Steuerungseinheit 36 so angesteuert, dass die aufbereitete Druckluft 11 erneut der Aufbereitungsvorrichtung 30 zugeführt wird, wie durch den gestrichelten Strömungspfeil 11 angedeutet ist. Neben dem Messgerät 35 zur Messung der Kohlenwasserstoff-Konzentration können weitere Messgeräte vorgesehen sein, die bspw. die CO2-Konzentration oder die Feuchtigkeit der Druckluft 11 messen. Es ist denkbar, dass eine Laseranlage chemische Indikatoren aufweist, die abhängig von der Konzentration an unerwünschten Bestandteilen (Kohlendioxid, Feuchtigkeit, Kohlenwasserstoffe) einen unterschiedlichen Farbumschlag erzeugen.