DE102011007730A1

DE102011007730A1 - Laservorrichtung mit einem gasgespülten Laserresonator

Info

Publication number: DE102011007730A1
Application number: DE102011007730A
Authority: DE
Inventors: Dr.-Ing. Schad Sven; Lutz Schuler; Jürgen Mössner
Original assignee: Trumpf Laser GmbH
Current assignee: Trumpf Laser Se De
Priority date: 2011-04-20
Filing date: 2011-04-20
Publication date: 2012-10-25
Anticipated expiration: 2031-04-21
Also published as: CN103608984A; US8831057B2; DE102011007730B4; WO2012143423A1; US20140064309A1; CN103608984B

Abstract

Bei einer Laservorrichtung (1) mit mindestens einem gasgespülten Laserresonator (2) ist erfindungsgeuf (10) angeordnet, der stromaufwärts des Laserresonators (2) sowohl einen Niederdruckerzeuger (11) zur Erzeugung eines Spülgasüberdrucks im Spülgaskreislauf (10) als auch zwischen dem Niederdruckerzeuger (11) und dem Laserresonator (2) eine Reinigungseinrichtung (12, 13) zum Reinigen des Spülgases (A) sowie stromabwärts des Laserresonators (2) zwischen dem Laserresonator (2) und dem Niederdruckerzeuger (11) eine zu einer Spülgasaußenzufuhr (15) offene Ansaugöffnung (16) aufweist, wobei der vom Niederdruckerzeuger (11) erzeugte Spülgasdruck (p1) größer ist als der in der Spülgasaußenzufuhr (15) herrschende Spülgasdruck (p0).

Description

Die Erfindung betrifft eine Laservorrichtung mit mindestens einem gasgespülten Laserresonator.
In der Materialbearbeitung werden Laser mit hoher Leistung und guter Strahlqualität benötigt, welche über einen langen Zeitraum eine hohe Stabilität aufweisen. Eine mögliche Quelle, die zu Instabilitäten im Laserbetrieb führen kann, sind Verunreinigungen (Partikel, Feuchte, organische Verbindungen) in der Laservorrichtung. Verunreinigungen können sich im Laserresonator und in der Pumpeinheit auf Komponenten, wie z. B. Spiegeln, absetzen und zu Verschleiß führen oder Störungen bilden, so dass die Strahlqualität oder die Leistung während des Betriebs abnimmt. Dies kann durch eine Gasspülung des Laserresonators und der Pumpeinheit verhindert bzw. minimiert werden.
Konventionelle Gasspülungen bestehen in einer ersten Variante aus einem Kompressor und einem Membrantrockner zur Luftaufbereitung und sind üblicherweise für einen deutlich höheren Volumenstrom ausgelegt. Hierbei wird aus der Umgebung Spülgas über eine Luftaufbereitungseinheit angesaugt, aufbereitet und durch den Laserresonator und die Pumpeinheit geleitet und am Ende wieder an die Umgebung abgegeben. Das Spülgas wird permanent aus der Umgebung nachgeführt und muss daher ebenfalls fortlaufend gereinigt werden. Nachteilig ist, dass die Komponenten teuer und verschleißanfällig sind.
In einer zweiten Variante wird Spülgas aus Flaschen mit definierter Qualität, z. B. Stickstoff, verwendet. Dieses wird permanent aus der Flasche nachgeführt, aufbereitet, durch den Laserresonator und die Pumpeinheit geleitet und am Ende wieder an die Umgebung abgegeben.
Aus der US 2003/0007537 A1 ist ein Laserresonator mit Gasspülung bekannt. Dieses System besteht aus einem geschlossenen Gehäuse (Laserresonator), aus dem Gas in einem ersten Schritt angesaugt wird. Dieses Gas enthält Verunreinigungen wie, z. B. Wasserdampf, organische Verbindungen und kleine Partikelchen. Um diese Verunreinigungen zu entfernen, wird das Gas in einem zweiten Schritt durch ein Aufbereitungssystem geführt, in dem die Reinigung in verschiedenen Stufen mit folgender Reihenfolge erfolgt: als erstes durchläuft das Gas ein erstes Medium, z. B. Silicagel, um den Waserdampf zu filtern, danach passiert das Gas einen organischen Filter. Abschließend folgt ein Partikelfilter, der zur Abscheidung von Partikeln dient. Das gereinigte Gas wird dann in einem dritten Schritt wieder dem geschlossenen Gehäuse (Laserresonator) zugeführt. Das ganze System wird bei Umgebungsdruck betrieben. Desweiteren sieht das System eine Regeneration des Wasserdampffilters mit trockenem Gas vor, welches über eine separate Leitung dem Filter zu- und vom Filter abgeführt werden kann.
Ein Nachteil dieses bekannten Gasspülungssystem besteht darin, dass es bei Umgebungsdruck betrieben wird. Ein geschlossenes Gehäuse hermetisch abzudichten, ist eine große Herausforderung und nicht immer umsetzbar. So können bei einer Undichtigkeit aus der Umgebung Verunreinigungen in das Gasspülungssystem gelangen, die sich auf Laserkomponenten absetzen können, ohne vorher aus dem Spülgas gefiltert zu werden, wodurch die Stabilität des Laserbetriebs beeinträchtigt werden kann.
Demgegenüber ist es die Aufgabe der Erfindung, eine Laservorrichtung mit einem gasgespülten Laserresonator dahingehend weiterzubilden, dass möglichst keine Verunreinigungen aus der Umgebung in die Gasspülung gelangen können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Laservorrichtung mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst.
Erfindungsgemäß erfolgt die Gasspülung mit einem Spülgaskreislauf, der eine Außenspülgasansaugung zum Ausgleich von Leckverlusten im Spülgaskreislauf aufweist. Dieser Spülgaskreislauf wird bei einem leichten Überdruck und mit einer definierten Leckrate betrieben. Für alle Komponenten im Spülgaskreislauf ist eine maximale Leckrate definiert. Eine definierte, aber geringe Leckrate deckt Fertigungstoleranzen ab und führt zu einer entsprechend langen Standzeit des Trockenmittelvorrats und des Filters für Partikel und organische Stoffe im Spülgaskreislauf. Gleichzeitig wird immer ein Überdruck im Laserresonator und in der Pumpeinheit gewährleistet. Durch den Einsatz einer Drossel im Rücklauf stromaufwärts der Ansaugöffnung kann die Kreislaufluftmenge feinjustiert werden. Das fehlende Spülgas wird dem Spülgaskreislauf automatisch über die nach außen drucklos offene Spülgasansaugung wieder zugeführt. Durch den Überdruck stromaufwärts der Drossel und dem Ausgangsfilter des letzten Verbrauchers ist gewährleistet, dass keine Verunreinigungen aus der Umgebung in das System gelangen können. So kann ein stabiler Laserbetrieb und eine lange Lebensdauer des Spülsystems gewährleistet werden.
Die Erfindung betrifft in einem weiteren Aspekt auch ein Verfahren zum Spülen eines Laserresonators einer wie oben ausgebildeten Laservorrichtung, wobei der Spülgaskreislauf mit einem Überdruck gegenüber dem in der Spülgasaußenzufuhr herrschenden Spülgasdruck und mit einer definierten Leckrate betrieben wird.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigte und beschriebene Ausführungsform ist nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern hat vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Die einzige 1 zeigt schematisch eine Laservorrichtung mit dem erfindungsgemäßen Spülgaskreislauf.
Die gezeigte Laservorrichtung 1 umfasst einen gasgespülten Laserresonator 2 zum Erzeugen eines Laserstrahls 3, eine gasgespülte Pumpeinheit 4 zum optischen Pumpen des Laserresonators 2 sowie einen geschlossenen Spülgaskreislauf 10, in dem der Laserresonator 2 und die Pumpeinheit 4 angeordnet sind. Das von der Pumpeinheit 4 erzeugte Pumplicht ist mit 5 bezeichnet.
Stromaufwärts des Laserresonators 2 weist der Spülgaskreislauf 10 sowohl einen Niederdruckerzeuger 11 zur Erzeugung eines Spülgasüberdrucks im Spülgaskreislauf 10 als auch zwischen dem Niederdruckerzeuger 11 und dem Laserresonator 2 eine Reinigungseinrichtung 12, 13 zum Reinigen des im Spülgaskreislauf 10 zirkulierenden Spülgases A auf. Als Spülgas kann beispielsweise Luft verwendet werden, aber auch Gase mit einer anderen Zusammensetzung sind denkbar. Der z. B. als Lüfter/Gebläse ausgebildete Niederdruckerzeuger 11 dient zur Erzeugung eines Überdrucks im Bereich von ca. 100 Pa bis 5500 Pa im Spülgaskreislauf 10. Die Reinigungseinrichtung kann ein Trockenmittel 12, z. B. Zeolith oder Silikatgel, zum Abscheiden von im Spülgas A enthaltenem Wasserdampf aufweisen. Um Partikel verschiedener Größe optimal zu filtern, kann die Reinigungseinrichtung außerdem einen mehrstufigen Partikelfilter 13a, einen Aktivkohlefilter 13b zur Reinigung von organischen Bestandteilen und einen abschließenden Feinstfilter 13c aufweisen. Alternativ oder zusätzlich können auch andere Filter, wie z. B. eine Kombination aus UV-LED und Molekularsieb, oder eine Kältefalle zur Reinigung der organischen Bestandteile verwendet werden. Zusätzliche Partikelfilter (Feinfilter) 14 können optional unmittelbar stromaufwärts und -abwärts des Laserresonators 2 und der Pumpeinheit 3 zum Einsatz kommen. So wird insbesondere eine Partikelverunreinigung auf dem Weg vom Feinstfilter 13c zum Resonator 2 unterdrückt.
Stromabwärts des Laserresonators 2 weist der Spülgaskreislauf 10 zwischen der Pumpeinheit 4 und dem Niederdruckerzeuger 11 eine zu einer Spülgasaußenzufuhr 15 offene Ansaugöffnung 16 auf, die der Außenluftansaugung zum Ausgleich von Leckverlusten im Spülgaskreislauf 10 dient. Der vom Niederdruckerzeuger 11 erzeugte Spülgasdruck p₁ ist größer als der in der Spülgasaußenzufuhr 15 herrschende Spülgasdruck p₀, also im Fall von zugeführter Außenluft größer als der Atmosphärendruck.
Um eine erhöhte Verunreinigung im Laserresonator 2 durch von außen in den Spülgaskreislauf 10 dringende ungereinigte Luft auszuschließen, wird das System bei leichtem Überdruck und mit einer definierten Leckrate betrieben. Eine Leckrate von maximal 10% je Durchlauf durch das Lasersystem hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen. Durch die Leckverluste in der Laservorrichtung 1 und die Druckerhöhung durch den Niederdruckerzeuger 11 wird Luft automatisch über die Ansaugöffnung 16 dem Spülgaskreislauf 10 zugeführt. So stellt sich die Ansaugmenge entsprechend der Leckrate im Spülgaskreislauf 10 selber ein ohne aufwändige Steuereinheiten an Ventilen.
Es sind auch Gasspülkreisläufe mit mehreren in Reihe oder parallel zueinander angeordneten gasgespülten Laserresonatoren und mit mehreren in Reihe oder parallel zueinander angeordneten gasgespülten Pumpeinheiten denkbar. Während des Normalbetriebs der Gasspülung wird mit einem Durchsatz im Bereich von 5–100 Liter pro Stunde gearbeitet. Umfasst die Laservorrichtung q1 mehrere Laserresonatoren 2 oder Pumpeinheiten 4, kann sich der Gasverbrauch entsprechend erhöhen. Optional kann eine Drossel 17 zum Systemausgleich stromaufwärts der Ansaugöffnung 16 angebracht sein, um fertigungsbedingte Durchsatzschwankungen des Spülgases sowie bezüglich ihres Spülgasdurchsatzes unterschiedliche Laserresonatoren mit dem gleichen Spülgaskreislauf 10 bedienen zu können.
Beim Anschalten der Laservorrichtung 1 sollte der Laserresonator 2 eine zeitlang gespült werden, um sicher zu stellen, dass die Verunreinigungen, die sich während der Standzeit angesammelt haben, insbesondere Feuchtigkeit, aus dem Spülgaskreislauf 10 verdrängt sind. Um die Startphase des Laserbetriebs zu verkürzen, kann mit einem Boostbetrieb gearbeitet werden. Dieser ermöglicht ein schnelleres, effizienteres Spülen der Laservorrichtung 1, um so schneller die gewünschten Bedingungen in der Laservorrichtung 1 beim Einschaltvorgang zu erreichen. Hierbei wird für den Zeitraum der Startphase, also vor dem Laserbetrieb, der Spülgaskreislauf 10 mit einem erhöhten Gasfluss betrieben. Dieser lässt sich über den Niederdruckerzeuger 11 steuern. Vorteilhaft wird hierbei ein Gasfluss, der ein Vielfaches des Normalbetriebs entspricht, verwendet. Ein Bereich von 5 bis 20-fach hat sich als vorteilhaft erwiesen. Um negative Einflüsse durch Gasströmungen im Spülgaskreislauf 10 zu unterbinden sowie um mit einem minimalen Spülgasverbrauch (Ausstoß an den Lecks) auszukommen und so die Lebensdauer des Systems zu erhöhen, wird während des Laserbetriebs mit einem geringeren Gasfluss im Spülgaskreislauf 10 gearbeitet.
Es hat sich auch gezeigt, dass die Gasspülung nicht über die gesamte Laserbetriebsdauer benötigt wird. Dies ermöglicht ein gezieltes Aus- und Anschalten des Spülgaskreislaufs 10 unabhängig vom Laserbetrieb. Das intermittierende Aus- und Anschalten wird am Niederdruckerzeuger 11 geregelt. Er kann zeitgesteuert nach einem definierten Zeitraum ab und wieder angeschaltet werden oder aber über ein oder mehrere Sensoren (z. B. Feuchtesensoren) geregelt werden.
Alternativ könnte auch zwischen der Ansaugöffnung 16 und dem Trockenmittel 12 ein Vorfilter eingebaut sein und bei der Filterstufe 13 der Filter 13c wegfallen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2003/0007537 A1 [0005]

Claims

Laservorrichtung (1) mit mindestens einem gasgespülten Laserresonator (2), der in einem Spülgaskreislauf (10) angeordnet ist, welcher stromaufwärts des Laserresonators (2) sowohl einen Niederdruckerzeuger (11) zur Erzeugung eines Spülgasüberdrucks im Spülgaskreislauf (10) als auch zwischen dem Niederdruckerzeuger (11) und dem Laserresonator (2) eine Reinigungseinrichtung (12, 13) zum Reinigen des Spülgases (A) sowie stromabwärts des Laserresonators (2) zwischen dem Laserresonator (2) und dem Niederdruckerzeuger (11) eine zu einer Spülgasaußenzufuhr (15) offene Ansaugöffnung (16) aufweist, wobei der vom Niederdruckerzeuger (11) erzeugte Spülgasdruck (p₁) größer ist als der in der Spülgasaußenzufuhr (15) herrschende Spülgasdruck (p₀).
Laservorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigungseinrichtung ein Trockenmittel (12) zum Abscheiden von im Spülgas (A) enthaltenem Wasserdampf und/oder mindestens einen Partikelfilter (13) zum Filtern des Spülgases (A) aufweist.
Laservorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass unmittelbar stromaufwärts und/oder unmittelbar stromabwärts des Laserresonators (2) ein Partikelfilter (13) zum Filtern des Spülgases (A) vorgesehen ist.
Laservorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass stromaufwärts der Ansaugöffnung (16) eine Drossel (17) zwischen dem Laserresonator (2) und der Ansaugöffnung (16) angeordnet ist.
Laservorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine gasgespülte Pumpeinheit (4) zum Pumpen des Laserresonators (2) in dem Spülgaskreislauf (10) angeordnet ist.
Laservorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpeinheit (4) stromabwärts des Laserresonators (2) zwischen dem Laserresonator (2) und der Ansaugöffnung (16) angeordnet ist.
Laservorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leckrate des Spülgaskreislaufs (10) maximal 10% pro Durchlauf durch den Spülgaskreislauf (10) beträgt.
Laservorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Normalbetrieb des Spülgaskreislaufs (10) für jeden gasgespülten Laserresonator (2) der Durchsatz ca. 5–100 Liter pro Stunde beträgt.
Laservorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere in Reihe oder parallel zueinander angeordnete gasgespülte Laserresonatoren (2) in dem Spülgaskreislauf (10) angeordnet sind.
Laservorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere in Reihe oder parallel zueinander angeordnete gasgespülte Pumpeinheiten (4) in dem Spülgaskreislauf (10) angeordnet sind.
Verfahren zum Spülen eines Laserresonators (2) einer Laservorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Spülgas (A), wobei der Spülgaskreislauf (10) mit einem Überdruck (p₁) gegenüber dem in der Spülgasaußenzufuhr (15) herrschenden Spülgasdruck (p₀) und mit einer definierten Leckrate betrieben wird.