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Die Erfindung betrifft eine Einhausung für einen Strahlengang, eine Bearbeitungskammer sowie ein Verfahren zur Laserbearbeitung, insbesondere zur Bearbeitung mit einem Laserscansystem.
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Während der Materialbearbeitung mit dem Laser, wie z. B. Laserschweißen, -löten oder -sintern, entstehen Dämpfe und/oder Schweißrauch. Schlagen sich diese Dämpfe an der Optik des Lasers nieder, so verschlechtert sich die Durchlässigkeit der Optik für den Laserstrahl. Um eine Verschmutzung der Laseroptik zu vermeiden, ist es bekannt, die Laseroptik durch ein austauschbares optisches Element zu schützen, das zwischen dem zu bearbeitenden Werkstück und der Laseroptik angeordnet wird und anstelle der Laseroptik verschmutzt.
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Das optische Element ist aus einem für den Laserstrahl transparenten Material gebildet, wie z. B. Glas oder einem transparenten Kunststoff. Das optische Element kann z. B. eine Schutzscheibe sein.
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Laserscansysteme positionieren den Laserstrahl im Arbeitsbereich mittels mindestens einem beweglichen Spiegel. Der Spiegel ermöglicht ein schnelles Bewegen des Laserstrahls über eine Arbeitsfläche, die Fokussierung des Strahls erfolgt zeitgleich über ein verschiebbares Linsensystem. Laserscansysteme finden z. B. zum Schweißen und Löten von Metallen, wie z. B. Stahl oder Aluminium, Verwendung aber auch zum Sintern von z. B. Kunststoffteilen.
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Soll die Bearbeitung mit einem Laserscanner unter Schutzgas erfolgen, so kommt häufig eine Bearbeitungskammer zum Einsatz, in der das zu bearbeitende Werkstück angeordnet ist. Der Laserstrahl wird über ein Fenster in die Bearbeitungskammer eingekoppelt. Auch dieses wird üblicherweise mit einem optischen Element vor Verschmutzung geschützt oder ist selbst als auswechselbares optisches Element gestaltet.
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Jedoch kann durch die Verwendung eines austauschbaren optischen Elements die fortschreitende Verschmutzung durch Prozessdämpfe nicht verhindert werden. Je nach Verschmutzungsgrad wird ein Teil der Laserleistung absorbiert und die für den Bearbeitungsprozess verfügbare Leistung sinkt. Dies führt mit der Zeit zu einer Beeinträchtigung der Strahlqualität und damit zu Prozessfehlern und Prozessausfällen. Auch erfordert das Austauschen des optischen Elements eine Prozessunterbrechung.
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Somit ist es Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, bei der die Verschmutzung eines optischen Elements reduziert und die Anlagenlaufzeit erhöht werden kann.
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Gelöst wird diese Aufgabe hinsichtlich der Vorrichtung durch eine Einhausung für einen Strahlengang nach Patentanspruch 1 und eine Bearbeitungskammer nach Patentanspruch 9. Bezüglich des Verfahrens wird die Aufgabe durch ein Verfahren nach Patentanspruch 11 gelöst.
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Erfindungsgemäß ist eine Einhausung für einen Strahlengang in einem Laserbearbeitungsverfahren vorgesehen mit einem durch eine Kanalwand begrenzten Kanal, der sich von einer Eintrittsöffnung zum Eintritt eines Laserstrahls bis zu einer Austrittsöffnung zum Austritt des Laserstrahls erstreckt, wobei der Kanal zumindest einen konvergierenden Abschnitt aufweist.
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Dabei wird von der Überlegung ausgegangen, dass eine Verschmutzung des optischen Elements verhindert werden kann, wenn Dämpfe durch eine gerichtete Gasströmung von dem optischen Element ferngehalten werden. Hierzu wird die Einhausung in Strahlrichtung hinter dem zu schützenden optischen Element angeordnet. Wird ein Gasstrom durch den konvergierenden Bereich geleitet, so wird eine Düsenfunktion erzeugt. Das austretende Gas erfährt eine Beschleunigung und so wird eine wirksame Gasbarriere geschaffen, die es verhindert, dass Dämpfe bis an das optische Element gelangen. Eine Verschmutzung des optischen Elements kann so verringert bzw. verhindert werden, wodurch die Strahlqualität verbessert und die Anlagenlaufzeiten vergrößert werden können.
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Die Einhausung umgibt im montierten Zustand einen Teilbereich des Strahlengangs hinter dem optischen Element. Der Strahlengang verläuft von dem optischen Element durch den Kanal der Einhausung, wobei der Laserstrahl an der Eintrittsöffnung am oberen Ende in die Einhausung eintritt und sie an der Austrittsöffnung verlässt. Der Kanal ist entlang einer Längsachse ausgebildet. Der Kanal kann vorzugsweise einen runden Querschnitt quer zur Längsachse haben. Alternativ kann der Kanal auch z. B. einen ovalen oder eckigen, wie z. B. einen viereckigen, Querschnitt haben.
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Im konvergierenden Abschnitt des Kanals verringert sich der Querschnitt des Kanals. In einer besonderen Ausgestaltung kann der konvergierende Abschnitt z. B. ein konischer Abschnitt sein. Wenn der Kanal einen eckigen Querschnitt hat, kann der konvergierende Abschnitt in Form eines Pyramidenstumpfs ausgeführt sein. Der konvergierende Abschnitt kann am Ende des Kanals – also unmittelbar an der Austrittsöffnung – enden. Alternativ kann zwischen konvergierendem Abschnitt und Austrittsöffnung ein zylinderförmiger Abschnitt anschließen. In noch einer Ausgestaltung weist der Kanal einen divergierenden Abschnitt zwischen Austrittsöffnung und konvergierendem Abschnitt auf.
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In einer Ausgestaltung weist die Einhausung außerdem eine Gaszuführöffnung auf, durch die Gas in den Kanal eingeleitet werden kann. Die Gaszuführöffnung kann vorzugsweise am oberen Ende der Einhausung angeordnet sein. Sie ermöglicht den einfachen Anschluss an eine Gasversorgung.
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In einer Ausgestaltung ist die Gaszuführöffnung als Ringspalt in der Kanalwand ausgebildet. Durch den Ringspalt kann die Luft entlang des Umfangs gleichzeitig in den Kanal einströmen, was die Ausbildung einer gleichmäßigen Strömung entlang des Kanals fördert. Der Ringspalt kann z. B. eine Spaltbreite von einem Millimeter, zwei Millimeter oder zwei bis fünf Millimetern aufweisen. Die Breite des Ringspalts kann auch andere Abmessungen annehmen und richtet sich nach den erforderlichen Volumenströmen und Druckverhältnissen im Kanal.
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Die Gasströmung im Kanal kann in einer Ausgestaltung weiter verbessert werden durch Strömungsleitstrukturen, die in dem Kanal angeordnet sind.
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Die Strömungsleitstrukturen können z. B. an einer den Kanal begrenzenden Kanalwand angeordnet sein und sich in Längsrichtung des Kanals erstrecken. Die Strömungsleitstrukturen können in den Kanal hineinragen. Die Gasströmung wird entlang dieser Leitstrukturen in Längsrichtung geführt. Somit kann wirkungsvoll verhindert werden, dass es zu Verwirbelungen im Bereich des Kanals kommt. Insbesondere kann das Ausbilden einer um die Längsachse des Kanals rotierenden Strömung verhindert werden.
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Das Strömungsverhalten des Gases im Kanal kann noch weiter verbessert werden, wenn die Strömungsleitstrukturen in zumindest einem Teilbereich des konvergierenden Abschnitts des Kanals angeordnet sind. Hier kommt es zu einer Beschleunigung des Gasstroms, so dass das Unterbinden einer Drehbewegung besonders effektiv ist.
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Durch die äquidistante Anordnung der Strömungsleitstrukturen über die Kanalwand wird die Gleichmäßigkeit der Gasströmung weiter erhöht.
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In einer Ausgestaltung sind die Strömungsleitstrukturen als Rippen ausgebildet, die von der Kanalwand radial nach innen weisen. Die Höhe der Rippen von der Kanalwand radial in den Kanal definiert einen Randbereich im Kanal, in dem die Gasströmung geführt wird. Somit lässt sich über die Höhe der Rippen das Maß an Strömungsführung einstellen. Die Rippen weisen z. B. eine Länge entlang der Kanalwand auf, die um ein Vielfaches größer ist als die Breite der Rippen, z. B. kann die Länge der Rippen mehr als das Zehnfache, mehr als das Fünfzigfache oder mehr als das Hundertfache der Breite der Rippen betragen.
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Es können beispielsweise mindestens drei, oder drei bis 80 oder 30 bis 50 Rippen im Kanal angeordnet sein. Alternativ können z. B. auch mehr als 80 Rippen im Kanal angeordnet sein.
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Ein an die Eintrittsöffnung angrenzendes oberes Ende der Einhausung kann so ausgestaltet sein, dass es an das optische Element angrenzt. Alternativ kann die Einhausung in einer Bearbeitungskammer montierbar sein und das obere Ende der Einhausung kann so ausgestaltet sein, dass im montierten Zustand ein Teilvolumen der Bearbeitungskammer, das an das optische Element angrenzt, von einem Restkammervolumen abgegrenzt wird, d. h. dieses Teilvolumen ist nur noch über die Austrittsöffnung des Kanals mit dem restlichen Kammervolumen verbunden.
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Durch diese Ausgestaltung des oberen Endes der Einhausung wird sichergestellt, dass das optische Element von einem definierten Volumen umgeben ist. Somit lassen sich Gasbewegungen in dem Volumen leichter kontrollieren, insbesondere kann sichergestellt werden, dass eine Gasströmung in Richtung von der Gaszuführöffnung zur Austrittsöffnung erfolgt.
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Als oberes Ende wird dasjenige Ende bezeichnet, das im montierten Zustand dem optischen Element zugewandt ist. Beispielsweise kann die Form des oberen Endes der Einhausung mit einer Form der inneren Kammerwand korrespondieren. Die Einhausung kann z. B. unter Verwendung einer Dichtung spaltfrei an der Kammerwand montierbar sein. Alternativ können in der Kammer und/oder an der Einhausung Befestigungselemente vorgesehen sein. Beispielsweise kann die Einhausung mit einem Bajonettverschluss oder Klemmvorrichtungen in der Kammer montierbar sein, oder kann in die Kammer geschraubt werden.
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Die Einhausung kann einstückig ausgebildet sein. Alternativ kann sie aus mehreren Bauteilen bestehen. Die Einhausung kann aus metallischen Werkstoffen, Kunststoffen oder keramischen Werkstoffen hergestellt werden.
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Weiterhin ist erfindungsgemäß eine Bearbeitungskammer für ein Laserbearbeitungsverfahren vorgesehen mit einem optischen Element zur Einkopplung eines Laserstrahls, einer Einhausung des Strahlengangs, die ein Teilvolumen der Bearbeitungskammer, das an das optische Element angrenzt von einem Restkammervolumen abgrenzt, einem in der Einhausung ausgebildeten Kanal, der sich von einer Eintrittsöffnung an einem oberen Ende des Einhausung zum Eintritt des Laserstrahls bis zu einer Austrittsöffnung zum Austritt des Laserstrahls erstreckt, wobei der Kanal zumindest einen konvergierenden Abschnitt aufweist, mindestens einer ersten Gaseinlassöffnung, durch die Gas in den Kanal geführt werden kann, mindestens einer zweiten Gaseinlassöffnung in der Kammerwand, und mindestens einer Gasaunlassöffnung in der Kammerwand.
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Durch die in der Bearbeitungskammer vorgesehene Einhausung, die einen als Düse wirkenden konvergierenden Abschnitt aufweist und ein Teilvolumen der Kammer abgrenzt, werden die baulichen Voraussetzungen geschaffen, um eine vom optischen Element weg weisende Gasströmung zu erzeugen. Eine Verschmutzung des optischen Elements kann so verringert bzw. vermieden werden. Zur Erzeugung dieser Gasströmung ist in der Kammer eine erste Gaseinlassöffnung angeordnet.
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Über die zweite Gaseinlassöffnung und die Gasauslassöffnung kann in Ergänzung zu der ersten Gasströmung eine zweite Gasströmung erzeugt werden, die in der Kammer quer über das Werkstück gerichtet ist. Diese zweite Gasströmung erfasst den aus der Einhausung austretenden ersten Gasstrom und führt diesen aus der Kammer ab.
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Die Bearbeitungskammer kann rundum von einer Kammerwand begrenzt sein, also Seitenwände, einen Deckel und einen Boden aufweisen. Alternativ kann die Kammer auch ohne Boden ausgebildet sein und auf das Werkstück abgesenkt werden. In der Kammerwand können weiterhin Türen oder Sichtfenster vorgesehen sein.
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Die Einhausung grenzt einen Teilbereich des Kammervolumens derart von dem restlichen Kammervolumen ab, dass beide Volumina nur noch über die Austrittsöffnung miteinander verbunden sind. Beispielsweise kann ein Gasaustausch zwischen Teilkammervolumen und Restvolumen nur noch über die Austrittsöffnung der Einhausung stattfinden.
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In einer Ausgestaltung ist die mindestens eine erste Gaseinlassöffnung in der Kammerwand ausgebildet, genauer gesagt in dem durch die Einhausung begrenzten Abschnitt der Kammer. Beispielsweise kann die eine erste Gaseinlassöffnung in der Kammerdecke vorgesehen sein, z. B. als rund um das optische Element angeordneter Ringspalt. Alternativ können mehrere erste Gaseinlassöffnungen in der Kammerdecke angeordnet sein, z. B. kreisförmig um das optische Element angeordnet. Alternativ können eine oder mehrere erste Gaseinlassöffnungen in einem oberen Abschnitt einer oder mehrerer Seitenwände der Kammer ausgebildet sein.
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Alternativ kann die mindestens eine erste Gaseinlassöffnung auch in einer Kammerwand ausgebildet und mit einer Gaszuführöffnung der Einhausung verbunden sein, z. B. durch eine Leitung.
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Die mindestens eine zweite Gaseinlassöffnung kann in einer Seitenwand der Kammer ausgebildet sein. Beispielsweise können mehrere zweite Gaseinlassöffnungen in der Kammer entlang einer Geraden angeordnet sein. Die mindestens eine zweite Gaseinlassöffnung ist vorzugsweise im unteren Drittel der Kammer angeordnet.
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Die Gasauslasssöffnung kann ebenfalls in einer Kammerwand angeordnet sein. Vorzugsweise ist die Gasauslassöffnung auf einer Seite der Kammer angeordnet, die der zweiten Gaseinlassöffnung gegenüberliegt. Die Gasauslassöffnung kann z. B. im unteren Drittel der Kammer angeordnet sein.
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An die erste und zweite Gaseinlassöffnung und/oder die Gasauslassöffnung können z. B. Gasabführeinrichtungen, wie z. B. Leitungen oder Pumpen angeschlossen sein.
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In einer Ausgestaltung erstreckt sich der Kanal über mindestens die Hälfte der Höhe der Bearbeitungskammer. Hierdurch wird die Gasströmung über eine besonders lange Strecke aufrechterhalten und so die Verschmutzung des optischen Elements weiter verringert.
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In weiteren Ausgestaltungen kann in der Bearbeitungskammer eine Einhausung mit den voranstehend beschriebenen Merkmalen verwendet werden. Somit gelten die voranstehend genannten technischen Wirkungen und Vorteile der Einhausung auch für eine Bearbeitungskammer, die eine solche Einhausung aufweist.
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Weiterhin wird erfindungsgemäß ein Verfahren angegeben, bei dem ein Werkstück bereitgestellt wird, ein Laserstrahl durch ein optisches Element und durch einen Kanal in einer Einhausung auf das Werkstück gerichtet wird, wobei der Kanal sich von dem optischen Element in Richtung des Werkstücks erstreckt und zumindest einen konvergierenden Abschnitt aufweist, und eine erste Gasströmung durch den Kanal auf das Werkstück geleitet wird. Die erste Gasströmung verhindert, dass Dämpfe oder Schweißrauch zu dem optischen Element gelangen. Durch den konvergierenden Abschnitt des Kanals erfährt die Gasströmung eine Beschleunigung, wodurch die Dämpfe besser zurückgehalten werden. Die erste Gasströmung ist vorzugsweise eine laminare Strömung.
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Das Werkstück kann z. B. ein Halbzeug oder ein Pulver oder Granulat sein oder es kann mehrere Bauelemente aufweisen, z. B. kann das Werkstück eine Bauplattform sein. Das Werkstück beinhaltet vorzugsweise metallische Materialien wie z. B. Stahl und/oder Aluminium, kann aber auch Kunststoffe beinhalten.
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In einer Ausgestaltung kann das Werkstück in einer Bearbeitungskammer angeordnet sein und der Laserstrahl wird durch das optische Element in die Bearbeitungskammer eingekoppelt.
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Gleichzeitig transportiert die zweite Gasströmung die Dämpfe aus der Kammer hinaus. Das erfindungsgemäße Verfahren dient somit zum Schutz eines optischen Elements in einem Laserbearbeitungsverfahren. Das Verfahren kann in einer wie voranstehend beschriebenen Bearbeitungskammer durchgeführt werden. Insbesondere kann eine zweite, quer über das Werkstück geführte Gasströmung erzeugt werden. Diese zweite Gasströmung erfasst den aus der Einhausung austretenden ersten Gasstrom und führt diesen aus der Kammer ab.
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In einer Ausgestaltung wird bei dem Verfahren die erste Gasströmung durch einen Kanal geleitet, der sich von dem optischen Element in Richtung des Werkstücks erstreckt und der in Längsrichtung angeordnete Strömungsleitstrukturen aufweist. Die Strömungsleitstrukturen sichern eine drallfreie Strömung des Gases und verhindern somit wirkungsvoll, dass Schweißgase im Inneren des Kanals in Richtung des optischen Elements gesaugt werden. Somit ist die Strömungsgeschwindigkeit der ersten Gasströmung an der Stelle des geringsten Querschnitts des Kanals von dem optischen Element weg auf das Werkstück gerichtet.
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In weiteren Ausgestaltungen verwendet das Verfahren eine wie voranstehend beschriebene Einhausung. Somit gelten die voranstehend genannten technischen Wirkungen und Vorteile der Einhausung auch für das Verfahren, das eine solche Einhausung verwendet.
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Für eine wirkungsvolle Abschirmung gegen aufsteigende Dämpfe bedarf es nur geringer Strömungsgeschwindigkeiten im Kanal. So kann die erste Gasströmung in dem Kanal im Bereich des kleinsten Querschnitts beispielsweise eine Strömungsgeschwindigkeit von weniger als 20 m/s, oder weniger als 10 m/s aufweisen.
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In der Bearbeitungskammer kann in einer Ausgestaltung ein Druck herrschen, der dem Umgebungsdruck entspricht oder größer ist. Hierdurch wird verhindert, dass Sauerstoff aus der Umgebung in die Bearbeitungskammer eindringen kann. Für das Ausbilden der ersten bzw. zweiten Gasströmung kann vorzugsweise ein Schutzgas, wie z. B. Argon, Helium oder Stickstoff oder Gasgemische, in die Bearbeitungskammer geleitet werden. Hierzu können an der Kammer Gasführungselemente wie z. B. Leitungen oder Pumpen vorgesehen sein. Der Volumenstrom der ersten bzw. zweiten Gasströmung kann je nach Bearbeitungsverfahren unterschiedlich eingestellt werden.
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Mit anderen Worten kann durch die Verwendung einer Ringdüse im Strahlengang ein Gegenstrom erzeugt werden, der eine Verschmutzung eines optischen Elements in der Bearbeitungskammer verhindert. Der regelbare Volumenstrom sorgt dabei dafür, dass eine optimale Strömung erzeugt werden kann und Verwirbelungen auf ein Minimum reduziert werden können.
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Hierdurch verschmutzen Laserschutzgläser nicht oder langsamer und die Laserleistung und Strahlqualität bleiben länger konstant. Die Qualität der Bearbeitung steigt (z. B. in der generativen Fertigung). Somit kann Ausschuss vermieden werden, die Wartungshäufigkeit kann verringert werden und es können Kosten eingespart werden.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele. Sofern in dieser Anmeldung der Begriff ”kann” verwendet wird, handelt es sich sowohl um die technische Möglichkeit als auch um die tatsächliche technische Umsetzung.
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele an Hand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Darin zeigen:
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1: einen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Bearbeitungskammer mit einer Einhausung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel
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2A: eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Einhausung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel
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2B: eine Schnittansicht der Einhausung aus 2A
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3A: eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Einhausung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel
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3B: eine Schnittansicht der Einhausung aus 3A
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In 1 ist eine erfindungsgemäße Bearbeitungskammer 10 gezeigt. Die Bearbeitungskammer 10 ist durch eine Kammerwand 12 begrenzt. Die Kammerwand kann z. B. mehrere Seitenwände, eine Kammerdecke und einen Boden umfassen und einen geschlossene Kammer bilden. Alternativ kann die Kammer 10 auch keinen Boden aufweisen, sondern als Haube ausgebildet sein. Die Kammerwand 12 kann ebenso eine oder mehrere (nicht dargestellte) Türen aufweisen, durch die Werkstücke in die Kammer 10 eingeführt werden können. In der Kammerwand 12 ist ein optisches Element 14 in Form einer Schutzscheibe angeordnet, durch das ein Laserstrahl 16 in die Kammer 10 eingekoppelt werden kann. Obwohl das optische Element 14 gemäß 1 in der Decke der Kammer 10 angeordnet ist, kann es alternativ auch in einer der Seitenwände angeordnet sein. Der Laserstrahl 16 wird von einem (nicht dargestellten) Laserscansystem bereitgestellt, das außerhalb der Bearbeitungskammer angeordnet ist. Das Laserscansystem kann z. B. eine Laserquelle, eine Laseroptik mit einem oder mehreren Linsen und Spiegeln und mit mindestens einem beweglichen Spiegel beinhalten, der den Laserstrahl während der Bearbeitung über das Werkstück 18 führt.
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Das Werkstück 18 ist vorzugsweise auf der dem optischen Element 14 gegenüberliegenden Seite der Kammer 10 angeordnet. Das Werkstück kann beispielsweise mittels einer (nicht dargestellten) Werkstückaufnahme in der Kammer 10 befestigt sein. Das Werkstück 18 kann z. B. ein Halbzeug sein oder es kann mehrere Bauelemente aufweisen, z. B. kann das Werkstück eine Bauplattform sein. Das Werkstück beinhaltet vorzugsweise metallische Materialien wie z. B. Stahl und/oder Aluminium.
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In der Kammer 10 ist weiterhin eine Einhausung 100 angeordnet, die den Strahlengang des Laserstrahls 16 umgibt. Dazu weist die Einhausung 100 einen von einer Kanalwand 108 begrenzten Kanal 110 auf, der sich von einer Eintrittsöffnung 112 am oberen Ende (d. h. dem optischen Element 14 zugewandten Ende) der Einhausung 100 bis zu einer Austrittsöffnung 114 erstreckt. Die Eintrittsöffnung 112 entspricht in diesem Ausführungsbeispiel dem Kanalquerschnitt am oberen Ende der Einhausung. Ebenso entspricht die Austrittsöffnung 114 dem Kanalquerschnitt am unteren Ende der Einhausung. Die Einhausung 100 ist so angeordnet, dass sie in der Kammer 10 zwei Volumen voneinander abgrenzt, ein erstes Teilvolumen 20, das an das optische Element 14 angrenzt, und ein Restvolumen 22, das an das Werkstück bzw. die Werkzeugaufnahme angrenzt. Erstes und zweites Teilvolumen 20 bzw. 22 sind nur durch die Austrittsöffnung 114 miteinander verbunden. Ein Gasaustausch zwischen erstem und zweitem Teilvolumen erfolgt nur über die Austrittsöffnung 114 und durch den Kanal. Hierzu kann die Einhausung 100, wie beispielhaft in 1 dargestellt, bis an die Seitenwände der Kammer 10 angrenzen. Alternativ könnte die Einhausung 100 auch an die Decke der Kammer 10 angrenzen und sich von dort in Richtung des Werkstücks erstrecken. Ebenso könnte die Verbindung zwischen Einhausung 100 und Kammerwand 12 auch über zusätzliche Einbauten, wie z. B. Aufnahmen oder Dichtungen erfolgen.
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Die Kammer 10 weist weiterhin eine erste Gaseinlassöffnung 24 auf. Gemäß 1 sind zwei gegenüberliegende Gaseinlassöffnungen in der Seitenwand der Kammer ausgebildet, es können jedoch auch eine Vielzahl von Gaseinlassöffnungen vorgesehen sein. Diese können sich z. B. umfangsseitig auf die Seitenwände der Kammer 10 verteilen. Alternativ könnte die erste Gaseinlassöffnung jedoch auch als ringförmige Aussparung in der Seitenwand der Kammer ausgeführt sein und sich um den gesamten Kammerumfang erstrecken. In einer weiteren Alternative kann die Gaseinlassöffnung auch in der Kammerdecke angeordnet sein, z. B. kann sich die Gaseinlassöffnung rund um das optische Element 14 erstrecken oder es können eine oder mehrere Öffnungen in der Seitenwand und/oder der Decke der Kammer vorgesehen sein. Die erste Gaseinlassöffnung bzw. die mehreren ersten Gaseinlassöffnungen können z. B. im oberen Drittel der Kammer ausgebildet sein. Das durch die erste Gaseinlassöffnung 24 in die Kammer 10 geleitete Gas durchströmt den Kanal 110 und tritt an der Austrittsöffnung 114 aus diesem aus. Hierbei bildet sich eine erste Gasströmung 26, die von dem optischen Element 14 in Richtung auf das Werkstück 18 geführt wird. Die erste Gasströmung 26 kann im Kanal 110 vorzugsweise z. B. eine laminare Strömung sein.
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Der Volumenstrom des ersten Gasstroms kann individuell eingestellt werden. Er kann abhängen von der Größe der Bearbeitungskammer, den Abmessungen der Einhausung, insbesondere dem Querschnitt der Austrittsöffnung, dem Querschnitt der ersten Gaseinlassöffnung, dem verwendeten Gas und anderen Parametern.
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In der Kammer 10 ist mindestens eine zweite Gaseinlassöffnung 28 ausgebildet. Gemäß 1 ist nur eine einzige zweite Gaseinlassöffnung 26 vorhanden, es können alternativ jedoch auch mehrere, z. B. zwei, drei oder mehr als drei, zweite Gaseinlassöffnungen 28 vorhanden sein. Die zweite Gaseinlassöffnung 28 bzw. die mehreren zweiten Gaseinlassöffnungen können z. B. im unteren Drittel der Kammer 10 ausgebildet sein, beispielsweise unmittelbar über dem Kammerboden.
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Weiterhin weist die Kammer 10 mindestens eine Gasauslassöffnung 30 in der Kammerwand 12 auf. Obwohl in 10 nur eine einzige Gasauslassöffnung 30 gezeigt ist, können alternativ mehrere, d. h. zwei oder drei oder mehr als drei, Gasauslassöffnungen vorgesehen sein. Die Gasauslassöffnung 30 bzw. die mehreren Gasauslassöffnungen können z. B. vorzugsweise in einer Seitenwand der Kammer 10 ausgebildet sein, die der zweiten Gaseinlassöffnung 28 gegenüberliegt. Die Gasauslassöffnung 30 kann z. B. im unteren Drittel der Kammer 10 ausgebildet sein, beispielsweise unmittelbar über dem Kammerboden.
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Durch die zweite Gaseinlassöffnung 28 wird eine zweite Gasströmung 32 in der Bearbeitungskammer 10 geleitet. Die zweite Gasströmung 32 verläuft z. B. von einer Seite der Kammer 10 zu einer gegenüberliegenden Seite quer über das Werkstück. An der Gasauslassöffnung 30 werden sowohl die erste als auch die zweite Gasströmung aus der Kammer abgeführt.
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Zum Zuführen bzw. Abführen der Gasströmungen in und aus der Kammer 10 können Gasfördervorrichtungen, wie z. B. Leitungen und Pumpen, vorgesehen sein, die jedoch in 1 nicht dargestellt sind.
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Der Kanal 110 der Einhausung 100 weist, wie in 1 dargestellt, vorzugsweise einen runden Querschnitt auf, alternativ kann er aber auch einen ovalen oder eckigen Querschnitt aufweisen. Der Kanal 110 weist – in Strömungsrichtung der ersten Gasströmung betrachtet – auf der dem optischen Element 14 zugewandten Seite einen konvergierenden Abschnitt 116 und einen daran angrenzenden divergierenden Abschnitt 118 auf. Im konvergierenden Abschnitt 116 verjüngt sich der Querschnitt des Kanals 110 kontinuierlich bis zu einem Minimalquerschnitt 120. Neben dem in 1 gezeigte Verlauf kann der Kanal im konvergierenden Abschnitt z. B. auch die Form eines Konus – oder im Falle eines eckigen Kanalquerschnitts – die Form z. B. eines Pyramidenstumpfs aufweisen. Der konvergierende Abschnitt wirkt wie eine Düse auf die erste Gasströmung 26 und erhöht die Strömungsgeschwindigkeit des Gases. Hierdurch kann erreicht werden, dass Schweißrauch davon abgehalten wird, zum optischen Element 14 zu gelangen.
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Gemäß 1 vergrößert sich im divergierenden Abschnitt 118 der Querschnitt des Kanals 110 kontinuierlich. Der divergierende Abschnitt 118 des Kanals kann in nicht gezeigten Ausführungsformen auch z. B. einen konischen Verlauf oder die Form eines Pyramidenstumpfs aufweisen. Die Einhausung 100 kann alternativ auch ohne divergierenden Abschnitt ausgeführt sein. Die Einhausung 100 endet gemäß 1 mit der Austrittsöffnung 114 in einem mittleren Bereich der Bearbeitungskammer. Alternativ kann die Einhausung 100 in einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel an ihrem unteren Ende im Bereich der Austrittsöffnung 114 an die Kammerwand 12 angrenzen.
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2A zeigt eine perspektivische Darstellung einer Einhausung 100A für einen Laserstrahlengang gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Ebenso wie die Einhausung 100 aus 1 weist die Einhausung 100A einen Kanal 110 mit einer Kanalwand 108 mit einem konvergierenden Abschnitt 116 und divergierendem Abschnitt 118 und einer Auslassöffnung 114 auf. Insofern wird auf eine erneute detaillierte Beschreibung verzichtet.
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Im Gegensatz zu der in 1 gezeigten Einhausung wird die Einhausung 100A gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel an der Decke der Bearbeitungskammer befestigt. Hierzu ist die Einhausung 100A an ihrem oberen Ende durch eine Deckelfläche 122 verschlossen, wobei in der Deckelfläche die Eintrittsöffnung 112A ausgespart ist. Die Eintrittsöffnung 112A ist somit kleiner als der Kanalquerschnitt am oberen Ende der Einhausung 100A. Weiterhin sind an der Eintrittsöffnung 112A eine Anlagefläche 124 sowie drei Befestigungselemente 126 vorgesehen, mit denen eine Befestigung an der Kammerdecke möglich ist. Beispielsweise kann die Kammerdecke Aussparungen aufweisen, die mit den Befestigungselemente 126 so korrespondieren, dass die Anlagefläche 124 an der Kammerdecke anliegt.
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Die Gaszuführung zu dem Kanal 110 erfolgt über eine Gaszuführöffnung 128, die am oberen Ende der Einhausung 100A ausgebildet ist und in einen Gaszuführkanal 130 mündet. Gemäß 2A mündet die Gaszuführöffnung 128 tangential in den Gaszuführkanal 130. Alternativ kann die Gaszuführöffnung auch radial in den Gaszuführkanal münden. Es können auch mehrere Gaszuführöffnungen vorgesehen sein.
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Wie im Querschnitt in 2B zu erkennen ist, verläuft der Gaszuführkanal 130 am oberen Ende der Einhausung 100 ringförmig um den Kanal 110 herum. Der Gaszuführkanal 130 hat einen kreisförmigen Querschnitt und ist über einen Spalt 132 in der Kanalwand 108 mit dem Kanal 110 verbunden. Der Spalt 132 ist vorzugsweise z. B. ein umlaufender Ringspalt. Der Spalt kann z. B. eine Spaltbreite von einem Millimeter, zwei Millimeter oder zwei bis fünf Millimetern aufweisen. Alternativ kann der Spalt auch andere Abmessungen aufweisen. Es können anstelle eines Spaltes auch mehrere Spalte zwischen Gaszuführkanal 130 und Kanal 110 vorgesehen sein.
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Im eingebauten Zustand wird das Gas durch die mit Bezug auf 1 beschriebene erste Gaseinlassöffnung 24 in die Bearbeitungskammer geleitet und von dort zu der Gaszuführöffnung 128 geführt. Hierzu können die erste Gaseinlassöffnung 24 und die Gaszuführöffnung 128 mit Gaszuführmitteln, wie z. B. mit einer Leitung oder Rohr, verbunden sein. Das Gas tritt dann über den Spalt 132 in den Kanal 110 ein. Durch die umfangsseitige Zuleitung wird eine gleichmäßige Anströmung des Kanals erreicht. Die Gasströmung tritt an der Austrittsöffnung 114 aus der Einhausung 100A aus.
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3A zeigt eine Einhausung 100E gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich lediglich durch zusätzliche in dem Kanal 110 ausgebildete Strömungsleitstrukturen 140 von dem zweiten Ausführungsbeispiel. Insofern wird auf eine erneute Beschreibung identischer Teile und Merkmale verzichtet und es wird auf die Beschreibung dieser Merkmale zum ersten bzw. zweiten Ausführungsbeispiel verwiesen. In 3A sind jedoch zur Veranschaulichung der Unterschiede und um die Strömungsleitstrukturen 140 darstellen zu können Teile der Deckelfläche 122 sowie die Eintrittsöffnung 112A und die Befestigungselemente 126 nicht dargestellt.
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Die Strömungsleitstrukturen 140 erstrecken sich in Längsrichtung entlang der Kanalwand 108 und ragen radial in den Kanal 110 hinein. Die Strömungsleitstrukturen sind in dem konvergierenden Abschnitt 116 ausgebildet. Wie in 3A dargestellt ist, sind die Strömungsleitstrukturen 140 äquidistant, d. h. jeweils mit gleichem Abstand zueinander, an der Kanalwand angeordnet. Die Strömungsleitstrukturen 140 sind vorzugsweise identisch. Obwohl in 3A nur zehn Strömungsleitstrukturen gezeigt sind, können selbstverständlich mehr oder weniger Strömungsleitstrukturen im Kanal vorgesehen sein, z. B. mindestens drei, drei bis 80 oder 30 bis 50. Gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel sind die Strömungsleitstrukturen 140 als gerade schmale Rippen ausgebildet. Diese Form ermöglicht eine optimale Führung der Strömung bei minimalem Widerstand. Alternativ können die Strömungsleitstrukturen 140 jedoch auch andere Formen aufweisen.
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In 3A ist zu erkennen, dass die Strömungsleitstrukturen 140 sich in den Kanal 110 in radialer Richtung hinein erstrecken, jedoch ein einbautenfreier Kanalabschnitt im Zentrum des Kanals verbleibt. Die Strömungsleitstrukturen haben eine dreieckige Seitenfläche, wobei ihre Höhe, also die Strecke, um die sie in den Kanal hineinragen, mit zunehmender Entfernung von der Eintrittsöffnung abnimmt. Wie in 3B dargestellt, hat der einbautenfreie Kanalabschnitt einen Querschnitt, der dem durch die Kanalwand vorgegebenen minimalen Querschnitt 120 des Kanals entspricht. In diesem Fall enden die Strömungsleitstrukturen 140 an der Stelle des Kanals 110 mit minimalem Querschnitt 120. Der einbautenfreie Kanalquerschnitt hat eine zylindrische Form. Alternativ können sich die Strömungsleitstrukturen auch weniger weit oder weiter in radialer Richtung in den Kanal 110 erstrecken, d. h. der einbautenfreie Kanalquerschnitt kann auch eine konische Form aufweisen, z. B. kann der einbautenfreie Kanalquerschnitt zur Eintrittsöffnung hin kleiner werden. Jedoch verbleibt im Innern des Kanals stets ein einbautenfreier Kanalquerschnitt, durch den der Strahlengang des Lasers geführt werden kann.
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3B zeigt einen Querschnitt durch die Einhausung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel. Gemäß 3B erstrecken sich die Strömungsleitstrukturen über den gesamten konvergierenden Abschnitt 116 des Kanals 110. Alternativ können die Strömungsleitstrukturen 140 nur in einem Teil des konvergierenden Abschnitts 116 ausgebildet sein. Weiterhin zeigt 3B, dass die Strömungsleitstrukturen 140 an dem Spalt 132 beginnen und sich entlang des Kanals 110 erstrecken. Alternativ können die Strömungsleitstrukturen auch in jedem anderen Bereich des konvergierenden Abschnitts beginnen.
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Die für das dritte Ausführungsbeispiel beschriebenen Strömungsleitstrukturen 140 können selbstverständlich auch in der mit Bezug auf 1 beschriebenen Einhausung 100 verwendet werden. Ebenso können die Einhausungen 100A und 100B gemäß dem zweiten und dritten Ausführungsbeispiel anstelle der Einhausung 100 in der Kammer 10 montiert werden.
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Die Ausführungsbeispiele sind nicht maßstabsgetreu und nicht beschränkend. Abwandlungen im Rahmen des fachmännischen Handelns sind möglich.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Bearbeitungskammer
- 12
- Kammerwand
- 14
- Schutzscheibe
- 16
- Laserstrahl
- 18
- Werkstück
- 20
- Teilvolumen
- 22
- Restvolumen
- 24, 28
- Gaseinlassöffnung
- 30
- Gasauslassöffnung
- 26, 32
- Gasströmung
- 100, 100A, 100B
- Einhausung
- 108
- Kanalwand
- 110
- Kanal
- 112, 112A
- Eintrittsöffnung
- 114
- Austrittsöffnung
- 116
- konvergierender Abschnitt
- 118
- divergierender Abschnitt
- 120
- minimaler Kanalquerschnitt
- 122
- Deckelfläche
- 124
- Anlagefläche
- 126
- Befestigungselement
- 128
- Gaszuführöffnung
- 130
- Gaszuführkanal
- 132
- Spalt
- 140
- Strömungsleitstrukturen
