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Die Erfindung betrifft eine Laserbearbeitungsvorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls.
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Bei der Bearbeitung von Materialien mit einem Laserbearbeitungskopf wird Laserstrahlung mittels eines optischen Linsensystems fokussiert. Das Linsensystem selbst erwärmt sich allerdings während der Materialbearbeitung mittels Laserlicht, wodurch sich auch die optischen Eigenschaften des verwendeten Linsensystems verändern. So wird bei einem Laserbearbeitungskopf eine Fokuslagenverschiebung des Laserlichts thermisch induziert. Durch eine Vergrößerung der Linsentemperatur des optischen Systems verändert sich durch die thermische Ausdehnung sowohl die Linsenform des Linsensystems als auch insbesondere der Brechungsindex des verwendeten Glasmaterials für die optischen Linsen. Beide Effekte addieren sich und verschieben die Fokuslage in dieselbe Richtung.
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Durch Verschmutzung der Optiken in einem Laserbearbeitungskopf wird eine Fokuslagenverschiebung entgegen der Laserstrahlrichtung verursacht. Diese Fokuslagenverschiebung kann zur Unterbrechung des Laserprozesses und damit zu Anlagenstillstandzeiten führen. Darüber hinaus kann eine Oberflächenverschmutzung der Optiken sogar zu einer Zerstörung von eingesetzten Linsen führen, die zwar unter vertretbaren Kosten ausgewechselt werden können, jedoch kann der Zerstörungsprozess von optischen Komponenten kostenintensive empfindliche Komponenten des Laserbearbeitungskopfes wie beispielsweise ein Kamerasystem oder Sensorsystem in Mitleidenschaft ziehen. Darüber hinaus führt eine Neujustage sowie der Auswechselprozess zu Ausfallzeiten verbunden mit hohen Kosten aufgrund des Stillstehens des Bearbeitungsprozesses.
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Da bei einem fasergekoppelten Strahlführungssystem die Lichtleitfaser aus unterschiedlichen Gründen gelegentlich gewechselt werden muss, besteht die Anforderung, dass ein Laserbearbeitungskopf auch unter Industrieumgebung geöffnet werden muss. Durch die Öffnung des Laserbearbeitungskopfes gerade an der Bearbeitungsanlage kann jedoch Schmutz in den Laserbearbeitungskopf gelangen und damit eine nachfolgende Unterbrechung des Laserbearbeitungsprozesses herbeiführen.
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Der Betrag der Fokuslagenverschiebung hängt sowohl vom Verschmutzungsgrad, dem Glasmaterial, als auch von der Funktion des optischen Elements im Strahlengang ab. Während der Einfluss einer verschmutzten Fokussieroptik auf die Fokuslagenverschiebung nur von der thermisch verursachten Brennweitenänderung abhängt, verhält sich die Verschmutzung einer Kollimationsoptik hinsichtlich ihrer Brennweite quadratisch zum optischen Abbildungsverhältnis. Da das Abbildungsverhältnis meistens größer als 1 ist, ist insbesondere die Kollimationslinse, die nach dem Faserende das erste optische Element im Laserbearbeitungskopf ist, vor Verschmutzungen zu schützen.
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Ein Lösungsansatz, um die Optiken in einem Laserbearbeitungskopf vor Verschmutzung zu schützen, ist die Verwendung eines Schutzglases. Der Einbau von Schutzgläsern erfolgt meistens in Form von Kassetten, damit das Schutzglas durch einfache Handgriffe gewechselt werden kann. Schutzglaskassetten, die sich als letztes optisches Element in einem Laserbearbeitungskopf befinden, müssen mit Dichtelementen den Laserbearbeitungskopf dichten. Wird die Schutzglaskassette in den Laserbearbeitungskopf geschoben oder herausgezogen, entsteht jedoch Abrieb an Dichtelementen durch abrasiven Verschleiß. Diese Partikel wirken sich jedoch solange nicht negativ auf die Fokuslage aus, solange sie nicht auf darunterliegende weitere optische Elemente gelangen. Genau diese Situation würde jedoch entstehen, wenn eine derartige Schutzglaskassette zwischen Faserende und Kollimationslinse eingebaut werden würde.
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Um die oben genannten Probleme zu lösen, kann beispielsweise ein optisches System mit kleinem Abbildungsverhältnis eingesetzt werden, um einen Einfluss der Verschmutzung auf das optische System zu verringern. Dies führt jedoch zu einer geringen Rayleigh-Länge des eingesetzten Arbeitslaserstrahls, welcher deshalb nur bei der Bearbeitung von dünnen Blechen einsetzbar ist. Darüber hinaus hat das kleine Abbildungsverhältnis eines optischen Systems den Nachteil, dass der Fokusdurchmesser vergleichbar zu dem Faserkerndurchmesser und im Falle eines Abbildungsverhältnisses von 1 der Fokusdurchmesser gleich dem Faserkerndurchmesser ist.
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Weitere Lösungsansätze liegen in einer T-Kompensation und dem Nachführen einer Linse, was jedoch einen komplexen Aufbau erfordert und kostenintensiv ist, weiter kann eine Spiegeloptik eingesetzt werden, die jedoch kompliziert auszurichten ist. Ferner können Kühlsysteme für das optische System eingesetzt werden, jedoch besitzt ein Linsensystem aufgrund des verwendeten Glasmaterials einen schlechten Wärmeleitwert, der eine gleichmäßige Kühlung einer Linse verhindert. Der Einsatz eines Schutzglases trägt ebenfalls zur Fokusverschiebung bei und erzeugt ein Verschmutzungsrisiko bei geöffneter Schutzglaskassette. Das Entfernen von entstandener Verschmutzung mittels Spülluft kann die oben beschriebenen Probleme ebenfalls nicht vollständig lösen, da nur ein sehr großer Volumenstrom große Schmutzpartikel entfernen kann.
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Zur Vermeidung einer Verschmutzung des Linsensystems wird in der Regel ein Schutzglas sowohl vor der Kollimationslinse als auch nach der Fokussierlinse in einem Bearbeitungskopf eingebaut. Jedoch können bei einem Wechseln des Linsensystems oder bei einem Wechseln des Fasersteckers nach wie vor Partikel in das optische System eindringen und diese verschmutzen.
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Aus der
DE 19962625 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Lasermaterialbearbeitung unter Schutzgas mit unterschiedlichem Volumenstrom als Optikschutz bekannt. Hierbei wird ein fokussierter Laserstrahl auf ein zu bearbeitendes Werkstück geführt und die Optik wird im Lasermaterialbearbeitungskopf mit Hilfe eines Gasstroms geschützt. Das Schutzgas wird in einem in Strömungsrichtung ersten Bereich des Düsenkanals einer zum Laserstrahl koaxial angeordneten Düse als Koaxialjet zum Schutz der Optik geführt und das Schutzgas wird mit verringertem Volumenstrom über einen in Strömungsrichtung zweiten Bereich des Düsenkanals der Düse gegen die Oberfläche des Werkstücks geleitet. Das Schutzgas wird im in Strömungsrichtung ersten Bereich des Düsenkanals der Düse mit vergleichweise hoher Strömungsgeschwindigkeit zum Schutz der Optik geführt und das Schutzgas wird mit verminderter Strömungsgeschwindigkeit gegen die Oberfläche des Werkstücks geleitet.
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Aus der
JP 11320173 ist es bekannt, optische Komponenten mittels Spülgas von Schmutzpartikeln zu befreien oder eine Verschmutzung mittels Partikeln zu verhindern. Hierbei befinden sich in einer Halterung einer Linse in einem Randbereich der Linse Spülgasöffnungen, durch welche Spülgas von einem Randbereich der Linse zu einem mittleren Bereich an der Oberfläche entlang geführt wird, um Schmutzpartikel zu entfernen oder eine Verschmutzung der Oberfläche zu verhindern. Weiter sind Spiegelsysteme bekannt, welche durch einen Cross-Jet an deren Oberfläche vor Verschmutzung bewahrt werden. Ferner ist es bekannt, eine Linse in einem Behälter vorzusehen, welcher eine strahleingangsseitige und eine strahlausgangsseitige Öffnung besitzt, wobei Spülgas so in den Behälter eingeleitet wird, dass ein Gasstrom an der Strahleintrittsseite als auch an der Strahlaustrittsseite der Öffnungen des Behälters austritt, um ein Eintreten von Schmutzpartikeln in diesen Behälter zu verhindern.
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Aus der
JP 10328877 A ist es bekannt, eine Optik mit Gas vom Faserende in Richtung der Kollimationslinse zu spülen.
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Ein anderer Ansatz zur Vermeidung einer Fokuslagenänderung ist aus der
DE 202007018689 U1 oder der
DE 102007039878 A1 bekannt, bei welchen eine Fokuslagenänderung gemessen und durch Verstellung von optischen Komponenten diese Fokuslagenveränderung kompensiert wird.
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Die
DE 10 2007 028 504 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls. Hier wird mittels einer Spüleinrichtung Spülgas in einen oberen Bereich eines Laserbearbeitungskopfes, in welchem eine Lichtleitfaseraufnahme angeordnet ist, eingeleitet und durch das Gehäuse an den optischen Spiegeln vorbeigeleitet, sodass der Spülgasstrom schließlich bei einer unteren Düse des Laserbearbeitungskopfes austritt. Die Spüleinrichtung erzeugt durch saubere Luft oder ein anderes Gas einen Überdruck im Inneren des Optikgehäuses und verringert damit die Gefahr des Eindringens von Schmauch und anderen Verunreinigungen seitens des bearbeiteten Werkstücks. Eine Crossjet-Einrichtung schützt durch einen quer zur Laserstrahlrichtung angeordneten Gasstrahl das Innere des Optikgehäuses vor Schweißspritzern. Alternativ kann als Schutzmaßnahme auch ein axialer Gasstrahl durch eine vorzugsweise koaxiale Düse erfolgen.
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Die
DE 100 30 291 A1 beschreibt ein Verfahren zum Verbinden von Komponenten eines Lichtwellenleiters. Hier wird vor dem Entkoppeln eines Fasersteckers über einen seitlichen Anschluss einer Hülse ein unter Druck stehendes gasförmiges Medium wie Druckluft in einen Hohlraum der Hülse geleitet, um danach über einen ringförmigen Spalt in einer Durchtrittsöffnung wieder entweichen zu können. Die Druckluft wird zuvor entsprechend aufbereitet, sodass sie frei von Konsenswasser und Öl ist. Danach kann der Faserstecker abgezogen werden. Über die jetzt gänzlich geöffnete Durchtrittsöffnung ist nach wie vor ein ständiger, nach außen gerichteter Luftstrom gewährleistet, der verhindern soll, dass z. B. Staubpartikel in den Strahlengang der Optik gelangen können. Dieser Luftstrom wird zumindest so lange aufrechterhalten bis ein Faserstecker eines Austausch-Lichtwellenleiters wieder an die Optik 1 angeschlossen ist.
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Die
DE 197 34 715 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Spülen eines Strahlenganges eines UV-Laserstrahles. Hier wird über eine Gasversorgung Gas einem Einlass zugeführt, und zwar unter einem geringen Überdruck gegenüber einer äußeren Atmosphäre. Ein Einweg-Ventil in einem Auslass öffnet bei einem bestimmten geringen Überdruck und hält somit einen Gasdruck im Inneren einer Umhüllung konstant. Am Einlass in die Umhüllung ist ein steuerbares Ventil angeordnet und entsprechend ist am Auslass ein weiteres steuerbares Ventil angeordnet. Die beiden Ventile werden von einem Rechner gesteuert, und zwar entsprechend dem Messergebnis eines Drucksensors derart, dass der Gasdruck im Inneren der Umhüllung auf einem vorgegebenen Wert konstant gehalten wird. Diese Konstanthaltung des Drucks in der Umhüllung bewirkt, dass ein im Strahlengang angeordnetes optisches System stabil gehalten wird.
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Die
DE 103 55 676 A1 beschreibt eine Laserschneidvorrichtung. Hier kann, um ein Eindringen von Staub und sonstigen Verunreinigungen in ein Gehäuse zu vermeiden, das Gehäuse so ausgelegt sein, dass es unter Überdruck gesetzt werden kann. Hierzu kann ein Anschluss ein Druckluftanschluss, gegebenenfalls mit Druckregulierung und Überdruckventil sein. Dadurch soll sichergestellt werden, dass ein Medienfluss nach außen stattfindet, der potenziell eindringende Partikel abweist. Auf diese Weise soll sichergestellt werden, dass das Innere des Gehäuses eines Laserschneidsystems frei von Verunreinigungen bleibt, sodass die ungehäuste Bauweise der internen Komponenten nicht zur Verschmutzung der freiliegenden Komponenten führt.
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Die
EP 1 716 963 A1 beschreibt eine optische Anordnung für die Remote-Laser-Materialbearbeitung zur Erzeugung eines dreidimensionalen Arbeitsraumes. Zum Schutz der optischen Systeme in einem Laser-Bearbeitungskopf ist es üblich, die Frontlinse, die der Bearbeitung zugewandt ist, durch ein auswechselbares Schutzglas vor den Emissionen des Laserbearbeitungsprozesses zu schützen. Weiter wird auch ein Schutzglas zwischen Kollimator und Leichtleitfaser vorgesehen. Normalerweise ist dieser Zwischenraum baulich abgeschlossen, so dass dort eigentlich keine Bearbeitungsemissionen oder Schmutz und Staub aus der Umgebung eindringen kann. Jedoch ist die Lichtleitfaser steckbar ausgeführt, deshalb ist beim Ein- oder Aussteckern des Lichtleitkabelsteckers der Kollimator kurzzeitig nicht geschützt, so dass auch dort z. B. Staub oder Abrieb der Stecker-Mechanik eindringen kann. Deshalb wird hier ein Schutzglas vorgesehen, dessen Austausch im Bedarfsfall deutlich kostengünstiger ist als der Austausch einer verschmutzten Linse.
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Die
DE 20 2005 008 564 U1 beschreibt eine Vorrichtung zur Standzeiterhöhung von Laser-Bearbeitungsoptiken. Eine Einhausung umschließt wenigstens den Raum zwischen einer Laseroptik und einer Querstromdüse. Auf der unteren Seite weist die Einhausung eine Blende mit Loch für den Laserstrahl auf. Unterhalb und oberhalb der Querstromdüse befinden sich Durchbrüche, die in einen Einsaug-Hohlkanal münden, der über eine Zuleitung mit Druckluft zur Spülung versorgt wird. Die Querstromdüse ist so angeordnet, dass sie sich während der Bearbeitung eines Werkstückes auf halber Höhe zwischen der Fokussierlinse der Laseroptik und der Bearbeitungsstelle befindet. Die Versorgung der Querstromdüse mit Gas oder Druckluft erfolgt über eine Druckluftzufuhr.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Laserbearbeitungsvorrichtung zu schaffen, durch welche eine Verschmutzung des optischen Systems aufgrund eines Eindringens von Schutzpartikeln im Wesentlichen verhindert wird.
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Diese Aufgabe wird durch die Laserbearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargelegt.
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Erfindungsgemäß ist eine Laserbearbeitungsvorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls vorgesehen, mit einem Gehäuse mit einer Spülgaszuführung, um Spülgas einem gasdichten Innenraum des Gehäuses zuzuführen, einer Faserhalterung, die dazu geeignet ist, ein Faserende einer den Laserstrahl führenden Lichtleitfaser in den gasdichten Innenraum des Gehäuses mittels einer Faser-Gehäuseverschlusskomponente lösbar und gasdicht einzusetzen, einer Strahlformungsoptik, im Folgenden auch Kollimatoroptik genannt, die dem Faserende gegenüber liegt und als erste Optik in Strahlrichtung nach dem Faserende vorgesehen ist, um den aus dem Faserende austretenden Laserstrahl zu formen oder zu kollimieren, und einer Spülgaszuführvorrichtung, die dazu ausgebildet ist, durch Zuführung von Spülgas durch die Spülgaszuführung den gasdichten Innenraum des Gehäuses im Betrieb der Laserbearbeitungsvorrichtung unter Überdruck gegenüber der Umgebung des Gehäuses zu setzen, um bei einem Lösen der Faser-Gehäuseverschlusskomponente mit dem Faserende aus der Faserhalterung ein Eintreten von Partikeln in den gasdichten Innenraum durch eine Fasereinführöffnung zu verhindern.
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Dabei ist zum Schutz der Kollimatoroptik eine erste Schutzglasvorrichtung vorgesehen, die zwischen Faserende und Kollimatoroptik angeordnet ist, um den gasdichten Innenraum in einen ersten Raum zwischen Faserende und erster Schutzglasvorrichtung und einen zweiten Raum zwischen erster Schutzglasvorrichtung und Kollimatoroptik zu unterteilen, wobei die erste Schutzglasvorrichtung so in dem gasdichten Innenraum des Gehäuses angeordnet ist, dass sie von dem zugeführten Spülgas umflossen wird. Dabei ist ferner eine erste Spülgasablassöffnung im ersten Raum vorgesehen, um einen Spülgasstrom in Richtung des Faserendes zu erzeugen.
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Es ist also ein Laserbearbeitungskopf vorgesehen, bei welchem dessen Innenraum mit den optischen Elementen wie dem Faserende der Lichtleitfaser, der Kollimationsoptik, der Fokussieroptik und weiteren Schutzglaskomponenten gasdicht verschlossen und mittels einer Spülgaszuführung so unter Druck gesetzt wird, dass bei dem Entfernen einer dieser Komponenten Spülgas aus dem Innenraum des Laserbearbeitungskopfes austritt, wodurch ein Eindringen von Schmutzpartikeln in den Innenraum vermieden wird. Das unter Druck setzen des Innenraums des Laserbearbeitungskopfes wirkt sich besonders vorteilhaft beim Ziehen des Fasersteckers aus, da durch das Einsteckloch für die Lichtleitfaser im Industriebetrieb leicht Schmutz von oben in den Laserbearbeitungskopf eindringen kann, wodurch ein Schutzglas für die Kollimatoroptik oder im schlimmsten Fall die Kollimatoroptik verschmutzt wird.
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Für das Halten des gasdichten Innenraums der Laserbearbeitungsvorrichtung unter einem vorbestimmten Druck ist es besonders vorteilhaft, wenn die Spülgaszuführvorrichtung zumindest einen Drucksensor zur Messung des Spülgasdrucks innerhalb des gasdichten Innenraums des Gehäuses sowie eine Regelungsvorrichtung umfasst, die dazu vorgesehen ist, den von dem zumindest einen Drucksensor gemessenen Druck des gasdichten Innenraums des Gehäuses auf einen vorgegebenen Soll-Überdruck zu regeln.
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Um einen Regelprozess zur Konstanthaltung des Überdrucks des gasdichten Innenraums zu vermeiden und einen einfacheren Steueransatz verwirklichen zu können, ist es besonders zweckmäßig, wenn die Spülgaszuführvorrichtung zumindest einen Sensor zur Erkennung der Abwesenheit der Faser-Gehäuseverschlusskomponente und/oder weiterer Gehäuseverschlusskomponenten zur Abdichtung des gasdichten Innenraums des Gehäuses sowie eine Steuerungsvorrichtung umfasst, die dazu ausgebildet ist, bei Abwesenheit zumindest einer Gehäuseverschlusskomponente die Spülgaszufuhr so zu erhöhen, dass ein Überdruck in dem gasdichten Innenraum trotz Austretens von Spülgas an aufgrund von nicht vorhandenen Gehäuseverschlusskomponenten erzeugten Öffnungen sichergestellt ist.
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Hierbei ist es zweckmäßig, wenn die Spülgaszuführvorrichtung dazu geeignet ist, einen Überdruck des gasdichten Innenraums gegenüber der Umgebung des Gehäuses sicherzustellen, welcher zwischen 0,05 bar und 1 bar, vorzugsweise zwischen 0,1 bar und 0,5 bar, und insbesondere bei 0,3 bar liegt.
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Zur Verwirklichung eines Überdrucks innerhalb des gasdichten Innenraums der Laserbearbeitungsvorrichtung ist es möglich und vorteilhaft, wenn die Laserbearbeitungsvorrichtung ferner eine Spülgasableitung aufweist, die so ausgestaltet ist, dass aufgrund der unterschiedlichen Dimensionierung der Spülgaszuführung und der Spülgasableitung ein Spülgasstaudruck in dem gasdichten Innenraum des Gehäuses bei Zufuhr des Spülgases in den gasdichten Innenraum entsteht.
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Es ist jedoch auch möglich, zur Verwirklichung des Überdrucks innerhalb des gasdichten Innenraums des Gehäuses der Laserbearbeitungsvorrichtung, wenn die Laserbearbeitungsvorrichtung ferner eine Spülgasableitung mit einem Überdruckventil umfasst, das bei Überschreiten eines vorbestimmten Überdrucks öffnet, um in der Art Spülgas abzuleiten, dass ein konstanter Überdruck innerhalb des gasdichten Innenraums des Gehäuses erzeugt wird.
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Um einen Abrieb oder eine sonstige Verschmutzung innerhalb des gasdichten Innenraums des Gehäuses beim Einschieben oder Herausziehen der ersten Schutzglasvorrichtung und eine damit verbundene Verschmutzung der Kollimatoroptik zu vermeiden, ist es besonders vorteilhaft, wenn die erste Schutzglasvorrichtung einen Einsatz mit einem Trageteil für ein Schutzglas umfasst, das in den gasdichten Innenraum zwischen Kollimatoroptik und Faserende des Gehäuses einführbar ist, um das Schutzglas im Strahlengang des Laserstrahls zu halten, wobei der Einsatz außerhalb des gasdichten Innenraums am Gehäuse geführt ist, so dass das Trageteil innerhalb des gasdichten Innenraums des Gehäuses frei schwebend gelagert ist.
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Für eine konstruktive Umsetzung der Führung des Einsatzes in dem Gehäuse ist es besonders einfach und zweckmäßig, wenn der Einsatz zumindest ein Führungsteil aufweist, das jeweils mit zumindest einem zu dem Führungsteil des Einsatzes komplementären und außen am Gehäuse angeordneten Führungselement in Eingriff bringbar ist.
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Hierbei ist es von Vorteil, wenn als Führungselemente senkrecht zum Strahlengang verlaufende Nuten in im Wesentlichen parallel zum Strahlengang verlaufenden gegenüberliegenden Wänden des Gehäuses ausgebildet sind, in denen jeweils zwei benachbart zu dem Trageteil des Einsatzes angeordnete Führungsleisten des Einsatzes führbar sind, oder dass als Führungselemente senkrecht zum Strahlengang verlaufende Bohrungen in zumindest einer Wand des Gehäuses ausgebildet sind, in die benachbart zu dem Trageteil des Einsatzes angeordnete Stifte des Einsatzes einsteckbar sind.
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Für die Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls ist es zweckmäßig, wenn im Strahlengang des Laserstrahls in Strahlrichtung hinter der Kollimatoroptik eine Fokussieroptik angeordnet ist, um den Laserstrahl im Betrieb der Laserbearbeitungsvorrichtung auf das Werkstück zu fokussieren, wobei die Spülgaszuführung eine Spülgaszuführöffnung aufweist, die zwischen Kollimatoroptik und Fokussieroptik so angeordnet ist, dass Spülgas in einen dritten Raum zwischen Fokussieroptik und Kollimatoroptik eingeleitet wird.
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Für die konstruktive Umsetzung der Laserbearbeitungsvorrichtung ist es von Vorteil, wenn Spülgaskanäle im Gehäuse so angeordnet sind, dass Spülgas an der Kollimatoroptik und/oder der Fokussieroptik vorbei geleitet wird.
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Um die Fokussieroptik vor einer Verschmutzung bei der Bearbeitung eines Werkstücks von der Werkstückseite her zu schützen, ist es von Vorteil, wenn die Laserbearbeitungsvorrichtung ferner eine zweite Schutzglasvorrichtung aufweist, die im Strahlengang des Laserstrahls in Strahlrichtung hinter der Fokussieroptik angeordnet ist, um den gasdichten Innenraum des Gehäuses an einer Strahlaustrittsseite der Fokussieroptik lösbar und gasdicht zu verschließen, wobei zwischen der Fokussieroptik und der zweiten Schutzglasvorrichtung ein vierter Raum des gasdichten Innenraums des Gehäuses gebildet wird.
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Um einen zweiten Spülgasstrom in Richtung der Fokussieroptik und der zweiten Schutzglasvorrichtung zu lenken, ist es besonders zweckmäßig, wenn eine zweite Spülgasablassöffnung im vierten Raum des gasdichten Innenraums des Gehäuses vorgesehen ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Einzelnen beschrieben. Es zeigen:
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1 eine stark vereinfachte schematische Ansicht einer Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß der Erfindung,
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2A einen Einsatz einer ersten Schutzglasvorrichtung der erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsvorrichtung,
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2B eine Draufsicht auf einen Schnitt der ersten Schutzglasvorrichtung der erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsvorrichtung in einer Ebene entlang des Strahlengangs und in Einführrichtung des Einsatzes der ersten Schutzglasvorrichtung,
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2C eine Draufsicht auf einen Schnitt der ersten Schutzglasvorrichtung der erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsvorrichtung in einer Ebene entlang des Strahlengangs und senkrecht zur Einführrichtung des Einsatzes der ersten Schutzglasvorrichtung, und
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3 eine stark vereinfachte schematische Ansicht der erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsvorrichtung, wobei ein Spülgasstrom bei gezogenem Faserstecker und entfernter zweiter Schutzglasvorrichtung gezeigt ist.
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In den verschiedenen Figuren der Zeichnungen sind einander entsprechende Bauelemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist eine stark vereinfachte schematische Ansicht einer Laserbearbeitungsvorrichtung 10 gezeigt, wie sie mit Laserbearbeitungsmaschinen oder -anlagen verwendet wird. Die Laserbearbeitungsvorrichtung 10 umfasst einen Laserbearbeitungskopf 12, welcher zur Bearbeitung eines Werkstücks 14 mittels eines Arbeitslaserstrahls 16 eingesetzt wird, wie durch die optische Achse des Arbeitslaserstrahls 16 angedeutet ist. Hierbei wird der von der Laserbearbeitungsmaschine kommende Arbeitslaserstrahl 16 mittels einer Lichtleitfaser 18 dem Laserbearbeitungskopf 10 zugeführt.
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Die Lichtleitfaser 18 ist in einer Faserhalterung 20 so aufgenommen, dass ein Faserende 22 in einen Innenraum 24 eines Gehäuses 26 des Laserbearbeitungskopfes 12 der Laserbearbeitungsvorrichtung 10 hinein ragt. Die Lichtleitfaser 18 ist dabei mit einer Faser-Gehäuseverschlusskomponente 28 versehen, durch welche die Lichtleitfaser 18 in der Faserhalterung 20 des Gehäuses 26 lösbar und gasdicht eingesetzt ist. In einer realen Umsetzung wird beispielsweise die Lichtleitfaser 18 in die Faserhalterung 20 eingesteckt, wobei die Verschlusskomponente 28 ein Flanschelement sowie eine Überwurfmutter aufweist, welche an einer Außenseite des Gehäuses 26 an der Faserhalterung 20 so fest geschraubt wird, dass das Faserende 22 der Lichtleitfaser 18 fest in den Innenraum 24 hineinragt und zudem ein gasdichter Abschluss einer Fasereinführöffnung 30 der Faserhalterung 20 zustande kommt. Falls benötigt, kann zur Abdichtung der Fasereinführöffnung 30 die Faserverschlusskomponente 28 ein Dichtungselement (nicht gezeigt) aufweisen. Die Faser-Gehäuseverschlusskomponente 28 ist also dazu vorgesehen, die Lichtleitfaser 18 fest im Gehäuse 26 zu halten und die Fasereinführöffnung 30 zu verschließen. Erfindungsgemäß können jedoch alle möglichen Arten von Faserhalterungen und Faserverschlusskomponenten verwendet werden, die dazu geeignet sind, das Faserende 22 der Lichtleitfaser 18 in eine vordefinierte Lage im Innenraum des Gehäuses 26 des Laserbearbeitungskopfes 12 zu bringen und einen dichten Abschluss der Fasereinführöffnung 30 herzustellen.
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Der aus dem Faserende 22 der Lichtleitfaser 18 austretende Arbeitslaserstrahl 16 wird durch eine Strahlformungsoptik 32 geformt und durch eine in Strahlrichtung des Arbeitslaserstrahls 16 dahinter angeordnete Fokussieroptik 34 fokussiert, um den Arbeitslaserstrahl 16 im Betrieb der Laserbearbeitungsvorrichtung 10 auf das Werkstück 14 zu fokussieren, wodurch eine Bearbeitung des Werkstücks 14 mittels des Arbeitslaserstrahls 16, beispielsweise ein Verschweißen oder ein Schneiden ermöglicht wird. Für die reale Umsetzung der Fokussieroptik 34 und der Strahlformungsoptik 32 werden jeweils optische Linsen oder ein Satz von optischen Linsen eingesetzt.
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Die Strahlformungsoptik 32 soll allgemein als Optik verstanden werden, die dazu geeignet ist, den aus dem Faserende der Lichtleitfaser austretenden Arbeitslaserstrahl 16 zu formen, der Arbeitslaserstrahl 16 kann also nach Durchlaufen der Strahlformungsoptik 32 divergent oder konvergent weiterlaufen und so auch auf die letzte Optik des Laserbearbeitungskopfes 12, also die Fokussieroptik 34 treffen. Für die Verwirklichung des Auskoppelns aus der Lichtleitfaser 18 des Arbeitslaserstrahls 16 und der Fokussierung des Arbeitslaserstrahls 16 auf das Werkstück 14 kann also beispielsweise eine Retrofokus-Optik oder eine Telephoto-Optik eingesetzt werden. Erfindungsgemäß bevorzugt ist jedoch ein Einsatz der Strahlformungsoptik 32 als Kollimatoroptik 32, durch welche der aus dem Faserende 22 der Lichtleitfaser 18 austretende Arbeitslaserstrahl 16 kollimiert wird, um als paralleles Strahlenbündel zu der in Strahlrichtung dahinter liegenden Fokussieroptik 34 geleitet zu werden, da hier durch Verschieben der Fokussieroptik 34 oder Fokussierlinse die Fokuslage des Arbeitslaserstrahls 16 relativ zu dem zu bearbeitenden Werkstück 14 geändert werden kann, ohne zu sehr die Bildqualität des ausgekoppelten Arbeitslaserstrahls 16 zu verschlechtern und ohne den Strahldurchmesser auf der Fokussieroptik 34 zu verkleinern. Die Fokussieroptik 34 und die Kollimatoroptik 32 können darüber hinaus aus mehreren Linsen zusammengesetzt sein und ebenfalls als Retrofokus-Optik oder Telephoto-Optik aufgebaut sein. Der im Folgenden verwendete Begriff Kollimatoroptik 32 soll also allgemein als Strahlformungsoptik aufgefasst werden, wobei jedoch eine Kollimierung des Arbeitslaserstrahls 16 durch die Kollimatoroptik 32 besonders bevorzugt ist.
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Eine erste Schutzglasvorrichtung 36 ist zwischen dem Faserende 22 und der Kollimatoroptik 32 so in dem Innenraum 24 des Gehäuses 26 angeordnet, dass der gasdichte Innenraum 24 in einen ersten Raum 38 zwischen Faserende 22 und erster Schutzglasvorrichtung 36 und in einen zweiten Raum 40 zwischen der ersten Schutzglasvorrichtung 36 und der Kollimatoroptik 32 unterteilt wird. Zwischen dem ersten Raum 38 des gasdichten Innenraums 24 und dem zweiten Raum 40 des gasdichten Innenraums 24 ist ein Austausch von Gas möglich, wie im Folgenden noch genauer beschrieben werden wird. Die erste Schutzglasvorrichtung 36 ist in das Gehäuse 26 einsetzbar, die erste Schutzglasvorrichtung 36 kann also aus dem Gehäuse 26 heraus gezogen und wieder so in den Innenraum 24 eingesetzt werden, dass ein dichter Abschluss einer Kollimatoroptikschutzglas-Einführöffnung 42 durch eine Kollimatoroptikschutzglas-Gehäuseverschlusskomponente 44 erreicht wird.
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Der zweite Raum 40 des gasdichten Innenraums 24 steht in einem Gasaustausch mit einem dritten Raum 46 zwischen der Kollimatoroptik 32 und der Fokussieroptik 34, wobei hierfür erste Spülgaskanäle 48 vorgesehen sind, die im Gehäuse 26 so angeordnet sind, dass Spülgas an der Kollimatoroptik 32 vorbei geleitet werden kann.
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Im Strahlengang des Arbeitslaserstrahls 16 ist in Strahlrichtung hinter der Fokussieroptik 34 eine zweite Schutzglasvorrichtung 50 angeordnet, die den gasdichten Innenraum 24 des Gehäuses 26 des Laserbearbeitungskopfes 12 an der Strahlaustrittsseite der Fokussieroptik 34 gasdicht verschließt, wobei der fokussierte Laserstrahl 16 von der Fokussieroptik 34 durch die Schutzglasvorrichtung 50 hindurch tritt und im Betrieb auf ein zu bearbeitendes Werkstück 14 gelenkt wird. Die zweite Schutzglasvorrichtung 50 ist einsetzbar in dem Gehäuse 26 vorgesehen, die zweite Schutzglasvorrichtung 50 kann also aus dem Gehäuse 26 heraus gezogen und wieder so eingesetzt werden, dass eine FokussieroptikschutzglasEinführöffnung 52 mittels einer Fokussieroptikschutzglas-Gehäuseverschlusskomponente 54 gasdicht verschließbar ist. Der dritte Raum 46 des gasdichten Innenraums 24 steht in einem Gasaustausch mit einem vierten Raum 56 über zweite Spülgaskanäle 58, die Spülgas an der Fokussieroptik 34 aus dem dritten Raum 46 in den vierten Raum 56 vorbei leiten.
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Die zweite Schutzglasvorrichtung 50 ist so ausgestaltet, dass kein Gas aus dem vierten Raum 56 an einer Unterseite des Gehäuses 26 oder durch die Fokussieroptikschutzglas-Einführöffnung 52 bei eingesetzter zweiter Schutzglasvorrichtung 50 austreten kann. Somit kann also für den Fall, dass alle optischen Komponenten wie die Lichtleitfaser 18, die erste Schutzglasvorrichtung 36 und die zweite Schutzglasvorrichtung 50 mittels ihrer entsprechenden Gehäuseverschlusskomponenten 28, 44 und 54 gasdicht in dem Gehäuse 26 eingesetzt sind, der Innenraum 24 gasdicht verschlossen werden, wobei der erste Raum 38, der zweite Raum 40, der dritte Raum 46 und der vierte Raum 56 des gasdichten Innenraums 24 miteinander im Gasaustausch stehen und eine Spülgasströmung zwischen den Räumen 38, 40, 46 und 56 ermöglichen.
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Das gasdichte oder hermetische Gehäuse 26 und dessen Innenraum 24 wird erfindungsgemäß im Betrieb der Laserbearbeitungsvorrichtung 10 unter Überdruck gegenüber der Gehäuseumgebung, also der das Gehäuse 26 des Laserbearbeitungskopfes 12 umgebenden Umgebung gesetzt, um bei einem Lösen der Faser-Gehäuseverschlusskomponente 28 mit dem Faserende 22 aus der Faserhalterung 20 ein Eintreten von Partikeln in den Innenraum 24 zu verhindern. Darüber hinaus wird ein Eintreten von Schmutzpartikeln in den Innenraum 24 bei einem Entfernen der ersten Schutzglasvorrichtung 36 oder der zweiten Schutzglasvorrichtung 50 aufgrund des in dem Innenraum 24 vorherrschenden Überdrucks verhindert.
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Für das Aufrechterhalten eines Überdrucks innerhalb des Innenraums 24 und das Vorsehen eines Spülgasstroms innerhalb des Innenraums 24 des Gehäuses 26 umfasst die Laserbearbeitungsvorrichtung 10 eine Spülgaszuführvorrichtung 60, die dazu ausgebildet ist, durch Zuführung von Spülgas (angedeutet durch die Pfeile) durch eine Spülgaszuführung 62 den gasdichten Innenraum 24 des Gehäuses 26 im Betrieb der Laserbearbeitungsvorrichtung 10 unter Überdruck gegenüber der Gehäuseumgebung zu setzen. Der Innenraum 24 des Gehäuses 26 ist hierfür vorzugsweise so gasdicht oder hermetisch ausgebildet, dass in einfacher Weise durch Zufuhr von Spülgas in den Innenraum 24 ein Druck aufgebaut werden kann, eine absolute Gasdichtheit des Innenraums 24 ist also nicht erforderlich.
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Die Spülgaszuführvorrichtung 60 ist ein Aktuatorelement, welches dazu ausgebildet ist, eine einstellbare Spülgasstrommenge vorzugsweise unter einem einstellbaren Druck der Spülgaszuführung 62 zuzuführen, wobei die Spülgaszuführung 62 über eine Spülgaszuführöffnung 64 mit dem dritten Raum 46 des gasdichten Innenraums 24 in Verbindung steht, um durch diese Öffnung Spülgas in den dritten Raum 46 einzuleiten. Obwohl die Spülgaszuführung 62 als Spülgasleitung oder -rohr dargestellt ist, das nur über die Spülgaszuführöffnung 64 mit dem dritten Raum 46 des gasdichten Innenraums 24 verbunden ist, soll die Spülgaszuführung 62 so verstanden werden, dass diese Spülgas dem ersten Raum 38, dem zweiten Raum 40, dem dritten Raum 46 und dem vierten Raum 56 des gasdichten Innenraums 24, den ersten Spülgaskanälen 48 oder den zweiten Spülgaskanälen 58 entweder ausschließlich oder auch mehreren oder allen der genannten Räume oder Spülgaskanäle Spülgas zuführen kann. Obwohl die Spülgasöffnung 64 als einzelne Öffnung schematisch dargestellt ist, kann das Spülgas auch über eine Vielzahl von Öffnungen einem oder mehreren der Räume 38, 40, 46 und 56 zugeführt werden.
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Der erfindungsgemäße Laserbearbeitungskopf 12 weist ferner eine Spülgasableitung auf, die in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel die erste Spülgasablassöffnung 66 im ersten Raum 38 und die zweite Spülgasablassöffnung 68 im vierten Raum 56 des gasdichten Innenraums 24 des Gehäuses 26 umfasst. Obwohl die Spülgasableitung in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel zwei Spülgasablassöffnungen 66, 68 aufweist, ist es jedoch auch vorstellbar, dass nur eine Spülgasablassöffnung vorgesehen wird, oder auch mehrere Spülgasablassöffnungen vorgesehen werden. Die in 1 gezeigte Anordnung einer Spülgaszuführöffnung 64 im dritten Raum 46 und der ersten Spülgasablassöffnung 66 im ersten Raum sowie der zweiten Spülgasablassöffnung 68 im vierten Raum ist jedoch besonders bevorzugt, da somit ein erster Spülgasstrom von dem dritten Raum 46 zu der ersten Ablassöffnung 66 im ersten Raum 38 erzeugt wird, wodurch die Kollimatorlinse 32, die erste Schutzglasvorrichtung 36 und das Faserende 22 durch Spülgas umspült werden, und gleichzeitig ein zweiter Spülgasstrom zu der zweiten Ablassöffnung 68 erzeugt wird, welcher die Fokussieroptik 34 umspült. Aufgrund der Zuführung des Spülgases zu dem dritten Raum 46 (oder auch gegebenenfalls zu dem zweiten Raum 40) wird darüber hinaus erreicht, dass ein Druckabfall zwischen Spülgaszuführung und Spülgasableitung aufgrund der Strömungswiderstände der ersten oder zweiten Spülgaskanäle 48, 58 und der umströmten ersten Schutzglasvorrichtung 36 gering gehalten wird.
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Die Spülgasableitung 66 oder 68 kann so ausgestaltet sein, dass aufgrund der unterschiedlichen Dimensionierung der Spülgaszuführung 62 und der Spülgasableitung 66, 68 hinsichtlich des Strömungswiderstandes, also beispielsweise durch unterschiedliche Rohrdurchmesser der Zu- und Ableitungen, ein Spülgasstaudruck in dem gasdichten Innenraum 24 des Gehäuses 26 bei Zufuhr des Spülgases in den gasdichten Innenraum 24 entsteht. Somit kann also durch Zuführen einer vorbestimmten Spülgasmenge pro Zeiteinheit ein entsprechender Überdruck in dem gasdichten Innenraum 24 aufgebaut werden. Weiter ist es möglich, dass die Spülgasableitung 66, 68 mit zumindest einem Überdruckventil ausgestattet ist, das beim Überschreiten eines vorbestimmten Überdrucks öffnet, um somit eine Ableitung des Spülgases zu ermöglichen, bei welchem der gasdichte Innenraum 24 des Gehäuses 26 unter einem konstanten Überdruck gehalten wird. Hierfür kann ein oder mehrere Überdruckventile in mit den Spülgasablassöffnungen 66 oder 68 verbundenen Ableitungsrohren vorgesehen sein. Weiter kann ein Staudruck dadurch erzeugt werden, dass ein Filterelement in der Spülgasableitung 66, 68 vorgesehen wird.
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Da aufgrund der Unterteilung des gasdichten Innenraums 24 in einen ersten Raum 38, in einen zweiten Raum 40, in einen dritten Raum 46 und einen vierten Raum 56 nur in einem statischen Gleichgewicht ein konstanter Überdruck vorliegt, soll im Folgenden als Überdruck im gasdichten Innenraum 24 der Druck verstanden werden, welcher im ersten Raum 38 des gasdichten Innenraums 24 vorliegt. Da im dynamischen Fall eines Spülgasstroms die Zuführungsmenge pro Zeiteinheit bestimmbar ist, können somit alle weiteren Drücke im zweiten bis vierten Raum des gasdichten Innenraums 24 aufgrund bekannter Strömungswiderstände der Spülgaskanäle oder sonstiger Hindernisse im Spülgasstrom bestimmt werden. Eine exakte Bestimmung oder das Bewahren eines vorbestimmten Überdrucks ist erfindungsgemäß nicht notwendig, da lediglich sichergestellt werden muss, dass durch Entfernen von optischen Komponenten ein hinreichender Spülgasstrom aus den entstehenden Einsetzöffnungen entsteht, der ein Eindringen von Schmutzpartikeln in den gasdichten Innenraum 24 des Gehäuses 26 verhindert.
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Ein bevorzugter Überdruck des gasdichten Innenraums 24 gegenüber der Gehäuseumgebung liegt hierbei zwischen 0,05 bar und 1 bar, vorzugsweise zwischen 0,1 bar und 0,5 bar und insbesondere bei 0,3 bar.
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Die Spülgaszuführvorrichtung 60 ist über eine Steuerleitung 70 mit einer Regelungs- oder Steuervorrichtung 72 der Laserbearbeitungsvorrichtung 10 verbunden. Die Regelungs- oder Steuervorrichtung 72 ist wiederum über Messleitungen 74 mit zumindest einem der folgenden Sensoren am Laserbearbeitungskopf 12 verbunden. So ist ein Drucksensor 76 am Gehäuse 26 des Laserbearbeitungskopfes 12 vorgesehen, der dazu geeignet ist, einen Druck des gasdichten Innenraums 24 des Gehäuses 26, und insbesondere den Druck innerhalb des ersten Raums 38 des gasdichten Innenraums 24 zu messen. Weiter sind Sensoren zur Erkennung der Abwesenheit von Gehäuseverschlusskomponenten vorgesehen, wie beispielsweise ein Sensor 78 zur Erkennung der Abwesenheit der Faser-Gehäuseverschlusskomponente 28 ein Sensor 80 zur Erkennung der Abwesenheit der Kollimatoroptikschutzglas-Gehäuseverschlusskomponente 44 oder ein Sensor 82 zur Erkennung der Abwesenheit der Fokussieroptikschutzglas-Gehäuseverschlusskomponente 54. Die vorgenannten Sensoren sind über entsprechende Messleitungen 74 mit der Steuer- oder Regelungsvorrichtung 72 verbunden. In einer ersten Ausgestaltung der Erfindung ist die Regelungs- oder Steuervorrichtung 72 als Regelungsvorrichtung ausgestaltet, die dazu vorgesehen ist, den von dem Drucksensor 76 gemessenen Druck des gasdichten Innenraums 24 des Gehäuses 26 auf einen vorgegebenen Soll-Druck zu regeln. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Regelungs- oder Steuervorrichtung 72 als Steuervorrichtung ausgestaltet, die dazu ausgebildet ist, bei Abwesenheit zumindest einer Gehäuseverschlusskomponente 28, 44 oder 54 die zugeführte Spülgasmenge pro Zeiteinheit so zu erhöhen, dass ein Überdruck in dem gasdichten Innenraum 24 trotz Austretens von Spülgas an durch nicht vorhandene Verschlusskomponenten erzeugten Öffnungen 30, 42 oder 52 sichergestellt ist.
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Die erste Schutzglasvorrichtung 36 wird, wie in 1 gezeigt, von Spülgas aus dem zweiten Raum 40 an zumindest einer Seite und vorzugsweise an zumindest zwei gegenüberliegenden Seiten umflossen oder umströmt und gelangt dann in den ersten Raum 38 des gasdichten Innenraums 24.
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Um ein Umfließen der Schutzglasvorrichtung 36 durch das zugeführte Spülgas zu erreichen, weist die erfindungsgemäße erste Schutzglasvorrichtung 36 den in den 2A bis 2C gezeigten Aufbau auf.
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Wie in 2A perspektivisch dargestellt und in den Schnittansichten der 2B und 2C detailliert gezeigt, weist die erste Schutzglasvorrichtung 36 einen Einsatz 84 mit einem Trageteil 86 auf, das in die Kollimatoroptikschutzglas-Einführöffnung 42 in den gasdichten Innenraum 24 des Gehäuses 26 eingeschoben werden kann und ein Schutzglas 88 trägt. Ferner weist der Einsatz 84 ein Verbindungsteil 90 mit einem Griffabschnitt 92 und der als Flanschabschnitt ausgeführten Kollimatoroptikschutzglas-Gehäuseverschlusskomponente 44 auf, der mit dem Trageteil 90 verbunden ist und einstückig mit dem Trageteil 90 ausgebildet sein kann. Hierbei dient der Griffabschnitt 92 dazu, den Einsatz 84 leicht und präzise aus dem Gehäuse 26 des Laserbearbeitungskopfes 12 ziehen und wiederum in das Gehäuse 26 einschieben zu können. Der Flanschabschnitt 44 stößt bei einem Einschieben des Einsatzes 84 in das Gehäuse 26 gegen eine Vorderwand a3 des Gehäuses 26 und verschließt dabei die Öffnung 42, um als Kollimatoroptikschutzglas-Gehäuseverschlusskomponente 44 bei einem eingesetzten Einsatz 84 der ersten Schutzglasvorrichtung 36 den Innenraum 24 gasdicht zu halten. Durch eine entsprechende Dimensionierung wird einerseits eine Berührung des Trageteils 86 mit einer Rückwand 95 im Innenraum 24 des Gehäuses 26 vermieden und andererseits wird der gasdichte Innenraum 26 so abgeschlossen, dass der erste Raum 38 und der zweite Raum 40 in gasdichtem Kontakt stehen.
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Seitlich zu dem Trageteil 86 erstrecken sich von dem Verbindungsteil 90 in Einführrichtung E zwei längliche Führungsteile weg, die in dem gezeigten Ausführungsbeispiel als erste seitliche Führungsleiste 94 und zweite Führungsleiste 96 ausgebildet sind. Die erste und zweite Führungsleiste 94 und 96 sind hierbei komplementär zu einer ersten und zweiten Führungsnut 98 und 100 ausgebildet, so dass die Führungsleisten 94 und 96 in einem eingeschobenen Zustand des Trageteils 86 vollständig in den Führungsnuten 98, 100 in der Gehäusewand 97 des Gehäuses 26 eingebettet sind. In dem in den 2A bis 2C gezeigten Ausführungsbeispiel weisen die erste und zweite Führungsleiste 94 und 96 einen rechteckigen Querschnitt auf. Es sind jedoch eine Vielzahl von Querschnitten denkbar, vorausgesetzt dass die zugehörige Führungsnut einen zu der Führungsleiste komplementären Querschnitt aufweist. So ist es beispielsweise denkbar, dass sich die Führungsnuten 98 und 100 halbkreis- oder trapezförmig in die Seitenwände 97 des Gehäuses 26 hineinerstrecken, wobei die erste und zweite Führungsleiste 94 und 96 ebenfalls halbkreis- oder trapezförmig ausgebildet sind, um im eingeführten Zustand des Einsatzes 86 bündig mit den Seitenwänden des Gehäuses 26 abzuschließen.
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Hierbei kann für ein Einrasten zumindest einer der Führungsleisten in den Führungsnuten ein Rastelement (nicht gezeigt) in der Nähe der Rückwand 95 des Gehäuses 26 an den Führungsleisten und/oder in der Führungsnut vorgesehen sein, um den Einsatz 84 in dem Gehäuse 26 lösbar zu arretieren. Hierbei kann das Rastelement als Widerhaken ausgebildet sein, es kann jedoch auch nur aus einer der Seitenwand 97 zugewandten Ausbuchtung in einer der Führungsleisten mit einer entsprechenden Ausnehmung in der zugehörigen Führungsnut bestehen. Hierbei kann das Rastelement entweder an beiden Seiten des Gehäuses 26 oder nur an einer Seite vorgesehen sein.
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Für die Verwendung eines Rastelements ist ein Querschnitt der Führungsnuten 98 oder 100 besonders vorteilhaft, der ein Entfernen der Führungsleisten 94 und 96 von den Führungsnuten 98 und 100 ermöglicht. Dies bedeutet, dass die Führungsleisten 94, 96 nur durch das Verbindungsteil 90 gehalten werden und somit als Federelemente, die gegen die Seitenwand 97 des Gehäuses 26 innerhalb der Führungsnuten 98, 100 drücken, wirken können.
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Es ist jedoch auch möglich, einen Querschnitt der Führungsleisten und entsprechend der Führungsnuten vorzusehen, bei dem die Führungsleisten 94 und 96 formschlüssig innerhalb der Führungsnut 98 und 100 gehalten werden, wodurch nur eine Gleitbewegung in Einführrichtung E ermöglicht wird. So ist beispielsweise ein trapezförmiger Querschnitt einer der Führungsleisten 94 und 96 und der entsprechenden Führungsnuten 98 und 100 vorstellbar, wobei die Öffnungsfläche der Führungsnut kleiner ist als deren Bodenfläche. Somit kann die Führungsleiste 94 und 96 in Einführrichtung in die Führungsnuten 98 und 100 eingesteckt werden, wodurch ein besserer Halt des Einsatzes 84 gewährleistet wird.
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Schließlich ist es vorstellbar, dass die Führungsnuten 98 und 100 vollständig innerhalb einer Seitenwand des Gehäuses 26 überdeckt sind, wie dies beispielsweise bei einer Bohrung (nicht gezeigt) in eine Seitenwand des Gehäuses 26 entlang der Einführrichtung E und senkrecht zum Strahlengang L der Fall wäre. Hier können die länglichen Führungsteile 94 und 96 des Einsatzes 84 auch als kreisrunde Stifte ausgebildet sein, die in die Bohrungen gesteckt werden. Diese Ausführungsform ist besonders bevorzugt, da hier die kreisrunden Stifte bei einem Betrieb des Laserbearbeitungskopfes 12 durch das Gehäuse 26 geschützt sind und nicht freiliegen.
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In dem gezeigten Ausführungsbeispiel erstrecken sich die Führungsnuten 98 und 100 und die Führungsleisten 94 und 96 über die gesamte Seitenwand des Gehäuses 26. Es ist jedoch auch möglich, dass eine Führungsleiste des Einsatzes 84 nur teilweise in der Führungsnut verläuft oder dass sich die Führungsnut nicht über die gesamte Seitenfläche erstreckt. Weiter ist es möglich, dass im Falle von Bohrungen in der Seitenwand als Führungselemente senkrecht zum Strahlengang verlaufende Bohrungen in zumindest einer Wand des Gehäuses 26 ausgebildet sind, in die benachbart zu dem Trageteil 86 des Einsatzes 84 angeordnete Stifte des Einsatzes 84 einsteckbar sind.
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Durch die Führung der Führungsleisten 94 und 96 in den Führungsnuten 98 und 100 ist es möglich, das Trageteil 86 derart in den gasdichten Innenraum 24 des Gehäuses 26 einzuschieben, dass es sowohl beim Einführen als auch im eingeschobenen Zustand die Innenwände des dichten Innenraumes 24 des Gehäuses 26 nicht berührt, also frei schwebend gelagert ist. Somit entsteht bei einem Einschieben oder Herausziehen des Einsatzes 84 kein abrasiver Verschleiß oder Abrieb an der Innenwand des Gehäuses 26, sondern gegebenenfalls nur innerhalb der Führungsnuten 98 und 100. Somit kann eine Verschmutzung des Schutzglases 88 oder der in Strahlrichtung dahinter liegenden Kollimatoroptik 32 vermieden werden. Der Abschnitt des Gehäuses 26, an welchem der Einsatz 84 in das Gehäuse 26 geschoben wird, kann ein eigener kassettenartiger Teil sein und muss nicht einstückig mit dem Rest des Gehäuses 26 verbunden sein.
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Wie in den 2A bis 2C gezeigt, ist das Schutzglas 88 in einer Schutzglashalterung 102 montiert. Wie genauer in den 2B und 2C gezeigt, ist das Schutzglas 88 vorzugsweise in einer ringförmigen Halterung 102 aufgenommen und wird durch einen ersten und zweiten Feststellring 104 und 106 arretiert. Die Schutzglashalterung 102 ist wiederum in dem Trageteil 86 des Einsatzes 84 aufgenommen, wobei die Schutzglashalterung 102 in das Trageteil 86 eingeklebt sein kann oder mittels eines Außengewindes (nicht gezeigt) in ein ebenes Gewinde (nicht gezeigt) des Trageteils 86 eingeschraubt sein kann.
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Durch die frei schwebende Halterung des Schutzglases 88 innerhalb des gasdichten Innenraums 24 kann das Schutzglas 88 an zumindest zwei gegenüberliegenden Seiten von dem Spülgas umflossen werden, in dem gezeigten Fall wird das Schutzglas 88 sogar an drei Seiten umflossen. Im Falle eines nicht rechteckigen Querschnitts soll unter dem Umfließen durch Spülgas an drei Seiten ein radialer Bereich umfasst sein, der ein Kreissegment von mindestens 270° umfasst.
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In 3 ist die erfindungsgemäße Laserbearbeitungsvorrichtung 10 in einem Zustand gezeigt, in welchem die zweite Schutzglasvorrichtung 50 und die Lichtleitfaser 18 aus dem Gehäuse 26 des Laserbearbeitungskopfes 12 entfernt wurden. Wie durch die gezeigten Pfeile angedeutet, fließt in diesem Falle Spülgas sowohl zu einer Unterseite des Laserbearbeitungskopfes 12, aus der Einführöffnung 52 sowie aus der Faser-Einführöffnung 30 heraus, wobei durch entsprechende Regelung mittels des Drucksensors 76 oder durch Detektion der Abwesenheit der fehlenden Gehäuseverschlusskomponenten durch die Sensoren 78 und 82 ein Überdruck entweder auf einen Soll-Druck geregelt oder durch Erhöhung des Spülgasstroms der Spülgaszuführvorrichtung 60 auf einem Überdruck gehalten wird, um ein Eindringen von Schmutzpartikeln in die gezeigten Öffnungen 30 und 52 zu vermeiden.
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Erfindungsgemäß wird also eine Laserbearbeitungsvorrichtung 10 bereitgestellt, bei welcher durch Halten des Innenraums des Gehäuses 26 auf einem Überdruck im Falle eines Entfernens oder Wechselns von optischen Komponenten verhindert wird, dass Schmutzpartikel in den Innenraum des Gehäuses 26 eindringen, was zu einer Verschmutzung der optischen Komponenten führen kann, wodurch ein Betriebsausfall des erfindungsgemäßen Laserbearbeitungskopfes 12 sowie eine Verschlechterung der Arbeitsergebnisse aufgrund einer Fokuslagenverschiebung des Arbeitslaserstrahls 16 vermieden wird.
