DE102015224115A1

DE102015224115A1 - Laserstrahl-bearbeitungsvorrichtung mit einer einkoppelvorrichtung zum einkoppeln eines fokussierten laserstrahls in einen flüssigkeitsstrahl

Info

Publication number: DE102015224115A1
Application number: DE102015224115.7A
Authority: DE
Inventors: Jens Günter Gäbelein; Jeroen Hribar
Original assignee: Avonisys AG
Current assignee: Avonisys AG
Priority date: 2015-12-02
Filing date: 2015-12-02
Publication date: 2017-06-08
Anticipated expiration: 2035-12-03
Also published as: US20180354072A1; WO2017093331A1; US10933491B2; DE102015224115B4; EP3383576A1

Abstract

Es wird eine Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung beschrieben, deren Hauptteil eine Einkoppelvorrichtung 1 zum Einkoppeln eines fokussierten Laserstrahls 2 in einen Flüssigkeitsstrahl 3 definierten Querschnittes ist. Die Einkoppelvorrichtung 1 weist ein Gehäuse 4 auf, in welchem eine Flüssigkeitsdüse zur Ausbildung des Flüssigkeitsstrahls 3 ausgebildet ist. In dem Gehäuse ist des Weiteren eine Austrittsöffnung 6 vorgesehen, durch welche der Flüssigkeitsstrahl 3 aus dem Gehäuse 4 austritt und deren Querschnitt größer ist als der Querschnitt des Flüssigkeitsstrahls 3. Zwischen der Flüssigkeitsdüse 5 und der Austrittsöffnung 6 ist eine Durchtrittskammer für den Flüssigkeitsstrahl 3 vorgesehen. Gemäß der Erfindung ist eine Drosselbohrung vorgesehen, welche die Durchtrittskammer 7 mit der Druckkammer verbindet und in Relation zur Austrittsöffnung dimensioniert ist, so dass in dem Bereich der Durchtrittskammer, welche um die Flüssigkeitsdüse 5 angeordnet ist, ein Druck herrscht, welcher kleiner ist als der in der Druckkammer, so dass in der Durchtrittskammer gegenüber dem Druck in der Druckkammer kein Überdruck sich ausbildet. Außerdem ist ein Verfahren zum Einstellen eines Druckes in der Durchtrittskammer 7 in einer solchen Einkoppelvorrichtung beschrieben, bei welchem der Druck den Druck in der Druckkammer nicht übersteigt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Die Lasertechnologie wird zunehmend auch zur Materialbearbeitung von Werkstücken an deren Oberflächen benutzt und wird dabei zum Schneiden, Bohren, Schweißen, Markieren, Eingravieren sowie zur Oberflächenabtragung von Material an einem zu bearbeitenden Werkstück eingesetzt. Der Vorteil der Lasertechnologie besteht darin, dass nahezu sämtliche Materialien bearbeitet werden können wie zum Bespiel Metalle, Metalllegierungen, Keramiken, selbst Diamanten einschließlich synthetischer Diamanten, Karbonfasern, Saphire, Quarz, Glas, Kunststoffe und andere. Damit im Rahmen der Lasertechnologie der die eigentliche Bearbeitung realisierende Laserstrahl die Bearbeitungsaufgabe zuverlässig ausführen kann, muss der Laserstrahl möglichst stark fokussiert werden, damit ausreichend Energie zur Werkstückbearbeitung am Ort der Bearbeitung des Werkstückes vorliegt. Bei flüssigkeits-geführten Laserstrahlen wird ein Laserstrahl, welcher fokussiert ist, in einen Flüssigkeitsstrahl eingekoppelt, welcher dünn wie ein menschliches Haar sein kann bzw. vorzugsweise ist.
Diese flüssigkeitsstrahl-geführten Laser sind bekannt. Das eigentliche Einkoppeln des Laserstrahls in den Flüssigkeitsstrahl wird in einer Koppeleinheit realisiert. Die Koppeleinheit besteht bekanntermaßen aus einer Metallkammer, welche auf der Seite der Fokussierlinse für den Laserstrahl mittels eines Laserschutzfensters geschlossen ist. Auf der dazu gegenüberliegenden Seite trägt die Kammer eine Düse. Die zur Koppeleinheit zugeführte Flüssigkeit strömt zwischen dem Schutzfenster und der Düse und verlässt die Düse in Form eines Flüssigkeitsstrahles. Dabei wird die Energie des zu einem Punkt fokussierten Laserstrahls in der Brennpunktebene innerhalb des Flüssigkeitsstrahls gefangen und zu dem Bearbeitungsort am Werkstück mittels des Flüssigkeitsstrahles geführt. Der Vorteil dieser Art des Hinbringens des Laserstrahls an die Bearbeitungsoberfläche des Werkstückes eliminiert die Notwendigkeit, die Entfernung des Werkstückes – bezogen auf den Ort der Düse zur Erzeugung des Flüssigkeitsstrahls – präzise zu steuern, da die für die Bearbeitung notwendige Energie im Bereich des gesamten laminaren Flüssigkeitsstrahles vorhanden ist. Dabei kann jede Flüssigkeit verwendet werden, welche eine geeignete Lichtleitungsfähigkeit hat.
Für diese bekannten Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtungen sind im Rahmen von deren Entwicklung und Weiterentwicklung zahlreiche Maßnahmen zur Verbesserung des Verhaltens und zur Verbesserung der Effektivität des eingesetzten Laserstrahls vorgenommen worden. So ist gemäß EP 1 833 636 B1 eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Flüssigkeitsstrahles für eine Materialbearbeitung beschrieben, bei welcher die Koppeleinheit unterhalb der Düse für die Erzeugung des Flüssigkeitsstrahles eine Durchtrittskammer aufweist, welche nach unten in Richtung des Austritts des Flüssigkeitsstrahles aus dieser Durchtrittskammer eine trichterförmige Verjüngung aufweist, in welche ein Gas eingeleitet wird und welche eine an der Austrittsstelle vorhandene, den Gasstrom formende Düse aufweist. Der Gasstrom am Austritt wird durch die trichterförmige Gestaltung der Durchtrittskammer so geformt, dass er den Flüssigkeitsstrahl umhüllt und somit weitestgehend auch vor Auffächerung bewahrt. Dazu ist es erforderlich, dass die Durchtrittskammer unter einem gewissen Überdruck steht.
Der Umhüllungsgasstrom soll die Reibung des Flüssigkeitsstrahls an der umgebenden Luft verringern, um so die Kohärenz des Flüssigkeitsstrahls zu verbessern. Damit der Umhüllungsgasstrom dem gerecht wird, können dessen Druck und Strömmungseigenschaften nur in relativ engen Grenzen variiert werden. Für ein Verdrängen der mit dem Flüssigkeitsstrahl auf die zu bearbeitende Werkstückoberfläche transportierte Flüssigkeit reicht vor allem bei Kavitäten im Werkstück, in denen sich die Flüssigkeit rasch sammelt, dessen kinetische Energie nicht aus. Deshalb muss der in den Flüssigkeitsstrahl eingekoppelte Laserstrahl durch auf der Werkstückoberfläche angesammelte Flüssigkeit erst hindurchdringen, bis dieser die zu bearbeitende Oberfläche erreicht. Dadurch ist dessen Bearbeitungsfähigkeit an der Werkstückoberfläche erheblich eingeschränkt.
Des Weiteren ist in der WO 2015087209 A2 eine Einkoppeleinheit beschrieben, bei welcher das Gas, welches die Flüssigkeit an der Werkstückoberfläche verdrängen soll, vom Flüssigkeitsstrahl getrennt ist bzw. um einen gewissen Betrag davon beabstandet ist. Dieser Gasstrahl ist als Ringstrahl ausgebildet und umhüllt den Flüssigkeitsstrahl. Innerhalb des Ringstrahles des Gases ist der Flüssigkeitsstrahl aber als Freistrahl ausgebildet.
Dies wird bei der bekannten Einkoppeleinheit dadurch erreicht, dass ein sogenanntes Insert in der Einkoppeleinrichtung eingefügt ist, mittels welchem eine Durchtrittskammer für den Flüssigkeitsstrahl gebildet wird, welche separat von einer am Außenumfang des Inserts angeordneten zweiten Kammer, der Druckkammer für das Gas, d. h. davon getrennt ist. Bei dieser bekannten Einkoppelvorrichtung ist des Weiteren eine zweite Gasquelle vorgesehen, aus welcher in relativ geringem Maße, jedenfalls in deutlich geringerem Maße als für den Ringstrahl zum Verdrängen der Flüssigkeit an der Werkstückoberfläche erforderlich, ein Hilfsgas in die Durchtrittskammer für den Flüssigkeitsstrahl eingeleitet wird, dessen Aufgabe darin besteht, den Flüssigkeitsstrahl in gewisser Weise nur an dessen Oberfläche zu schützen. Das Insert ist an seinem unteren Austrittsende, welches gegenüber der Düse, in welcher der Flüssigkeitsstrahl erzeugt wird, angeordnet ist, blendenartig eingezogen ist. Ein Nachteil dieser bekannten Vorrichtung besteht darin, dass durch den Flüssigkeitsstrahl mitgerissene Gaspartikel bzw. Luftpartikel, und zwar zusätzlich zu dem Hilfsgas, aus der Durchtrittskammer nach außen getragen werden können, so dass in der Durchtrittskammer durchaus ein Unterdruck oder Vakuum entstehen kann. Bei längerem Betrieb der Einkoppeleinrichtung kann ein solcher Unterdruck dazu führen, dass der Flüssigkeitsstrahl, wenn ein kritischer Wert des Unterdruckes in der Durchtrittskammer erreicht ist, gegebenenfalls sogar komplett auffächert und damit seine eigentliche Funktion unterbrochen wird.
Des Weiteren ist in der WO 2015087209 A2 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel beschrieben, dass in dem Insert Bohrungen zwischen der Zuleitung bzw. der Druckkammer des Oberflächengasstrahls und der Durchtrittskammer für den Flüssigkeitsstrahl vorgesehen sind. Diese Bohrungen sollen den Druck in der Durchtrittskammer bezüglich des Außendruckes ausgleichen. Diese Ausgleichsbohrungen berücksichtigen jedoch nicht den Umstand, und dieser Gesichtspunkt ist in dieser bekannten Einkoppeleinrichtung gemäß diesem Stand der Technik auch nicht ansatzweise beschrieben, dass der Druck in der Durchtrittskammer vom oberen Bereich, welcher der Düse für die Erzeugung des Flüssigkeitsstrahls zugewandt ist, und dem unteren Bereich, aus welchem der Flüssigkeitsstrahl austritt, variiert. Damit dennoch verhindert werden kann, dass der Flüssigkeitsstrahl durch das Mitreißen von Luftmolekülen beim Durchdringen des Durchtrittsraumes schrittweise den Druck darin absenkt, so dass gegebenenfalls auch ein kritischer Druck erreicht wird, bei welchem der Flüssigkeitsstrahl auffächert, ist bei diesem bekannten Ausführungsbeispiel zusätzlich vorgesehen, dass in die Durchtrittskammer ein Hilfsgas eingebracht wird, welches den Flüssigkeitsstrahl umhüllen und mit diesem gemeinsam aus der unteren Öffnung des Inserts austreten soll. Dieses zusätzliche Hilfsgas mag zwar dazu beitragen, dass Verschmutzungen in das Innere der Durchtrittskammer von außen nicht eindringen, der zusätzliche Hilfsgasstrom verkompliziert jedoch den baulichen Aufwand für die Einkoppelvorrichtung und erfordert eine relativ komplexe Steuerung, soll überhaupt der gewünschte Druckausgleichseffekt erreicht werden, und zwar eine Steuerung bzw. Regelung der Gasmenge, des Gasdruckes und der Gasparameter der Hilfsgasversorgung in Abhängigkeit von dem Druck des ringförmigen Oberflächengasstrahles.
Diese zahlreichen Versuche einer Optimierung der eigentlichen Bearbeitung am Werkstück mittels dieser verschiedenen bekannten Einkoppelvorrichtungen haben schon zu recht brauchbaren Ergebnissen bei der Bearbeitung der Werkstücke mittels Laserstrahl geführt, weisen aber noch immer Nachteile bzw. Verbesserungsmöglichkeiten auf.
Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, die Nachteile der Vorrichtungen gemäß dem Stand der Technik zu überwinden und eine weitere Verbesserung der Effektivität der Bearbeitung und der Zuverlässigkeit der Einkoppelvorrichtung zu erreichen.
Diese Aufgabe wird durch eine Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 und durch ein Verfahren zum Einstellen eines Druckes in einer Einkoppelvorrichtung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 8 erreicht. Zweckmäßige Weiterbildungen sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen definiert.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung weist die Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung eine Einkoppelvorrichtung auf zum Einkoppeln eines fokussierten Laserstrahls in einen Flüssigkeitsstrahl mit einem definierten Querschnitt. Die Einkoppelvorrichtung weist ein Gehäuse auf, in welchem eine Flüssigkeitsdüse vorgesehen ist, welche den Flüssigkeitsstrahl ausbildet. Außerdem weist das Gehäuse eine Austrittsöffnung auf, durch welche der aus der Flüssigkeitsdüse zuvor ausgetretene und ausgebildete Flüssigkeitsstrahl aus dem Gehäuse austritt. Vorzugsweise ist der Querschnitt der Austrittsöffnung größer als der Querschnitt des Flüssigkeitsstrahls. Nachdem der Flüssigkeitsstrahl durch die Flüssigkeitsdüse ausgebildet worden ist, durchläuft er eine Durchtrittskammer, bis er aus der Austrittsöffnung austritt. Das bedeutet, dass die Durchtrittskammer zwischen der Flüssigkeitsdüse und der Austrittsöffnung im Gehäuse angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist nun eine Druckkammer vorgesehen, welche mit einem Gas beaufschlagt wird. Von der Druckkammer zur Durchtrittskammer führt zumindest eine beide Kammern strömungsverbindende Drosselbohrung. An deren durchtrittskammerabgewandter Seite, d. h. auf der Seite der Druckkammer, liegt ein Druck an, welcher größer ist als der Druck in der Durchtrittskammer. Erfindungsgemäß sind der Querschnitt der zumindest einen Drosselbohrung und ein resultierender Austrittsöffnungsquerschnitt, welcher aus dem Querschnitt der Austrittsöffnung vermindert um den Querschnitt des Flüssigkeitsstrahles definiert ist, welcher keine direkte Umhüllung durch einen Gasstrahl bei seinem Austritt aus der und bei seinem Durchtritt durch die Durchtrittskammer und auch nach seinem Austritt aus der Austrittsöffnung aufweist, derart dimensioniert, dass in der Durchtrittskammer gegenüber dem Druck in der Druckkammer kein Überdruck herrscht. Vorzugsweise ist der Druck in der Druckkammer größer als der Außendruck. Das bedeutet für diesen Fall, dass die Drosselbohrung so dimensioniert ist, dass in der Durchtrittskammer gegenüber dem Außendruck kein Überdruck herrscht. Es ist jedoch auch möglich, dass in der Druckkammer aufgrund einer entsprechend vorgesehenen Ableitung des der Druckkammer zunächst zugeführten Gases ein gewisser Unterdruck im Vergleich zum Außendruck herrscht. Wegen des sich in der Durchtrittskammer ausbildenden Druckes, welcher den Druck in der Druckkammer nicht übersteigt, d. h. kein Überdruck oder ein Unterdruck ist, erfolgt ein entsprechendes Überströmen des Gases von der Druckkammer in die Durchtrittskammer. Vorzugsweise ist jede Drosselbohrung parallel zur Ausbreitungsrichtung des Flüssigkeitsstrahles verlaufend angeordnet. In einem solchen Fall realisiert die Drosselbohrung ein derartiges Überströmen von der Druckkammer in die Durchtrittskammer, dass dort ein Unterdruck sich ausbildet oder geschaffen wird, welcher nicht den Druck in der Druckkammer übersteigt.
Da über die Drosselbohrung ein Überströmen des Gases von der Druckkammer in die Durchtrittskammer unter einem dimensionierungsbedingt vorhandenen Druckabfall auftritt, ist erfindungsgemäß nun vorgesehen, dass der Querschnitt der Drosselbohrung wie auch der resultierende Austrittsöffnungsquerschnitt derart und zueinander dimensioniert sind, dass sich Druckverhältnisse in der Durchtrittskammer einstellen, welche auch nach längerem Betrieb ein Absinken des Druckes bis auf einen kritischen Druck, bei welchem ansonsten der Flüssigkeitsstrahl aufbrechen würde, vermieden wird. Durch diese dimensionsmäßige Abstimmung des Querschnittes der Drosselbohrung bzw. des Querschnittes von vorzugsweise vorhandenen mehreren Drosselbohrungen und dem resultierenden Austrittsöffnungsquerschnitt am Gehäuse der Einkoppelvorrichtung wird gewährleistet, dass der Flüssigkeitsstrahl einen solche laminare Länge beibehält, dass der eingekoppelte Laserstrahl zuverlässig zu der Bearbeitungsstelle an der Werkstückoberfläche gebracht werden kann und dort mit hoher Effektivität den vorgesehenen Materialabtrag realisiert. Und dies ist gemäß der Erfindung möglich, ohne dass für den Flüssigkeitsstrahl eine direkte Ummantelung durch ein Hilfsgas oder durch einen Gasstrahl ringförmiger Anordnung, welcher direkt an den Flüssigkeitsstrahl anliegt, vorhanden sein muss. Die kinetische Energie des Flüssigkeitsstrahles ist dabei hoch genug, dass im Falle beispielsweise von ebenen oder konvexen zu bearbeitenden Oberflächen, das mit dem Flüssigkeitsstrahl an die Bearbeitungsstelle transportierte Wasser bzw. die dorthin transportierte Flüssigkeit ohne Weiteres ablaufen kann, so dass der in den Flüssigkeitsstrahl eingekoppelte Laser direkt zur Bearbeitungsoberfläche geführt werden kann, ohne dass er eine die Effektivität der Bearbeitung negativ beeinflussende Wassersäule durchdringen muss.
Dadurch, dass durch eine geeignete Abstimmung des Durchmessers der Drosselbohrung auf den resultierenden Austrittsöffnungsquerschnitt bzw. umgekehrt wird erreicht, dass der Druck in der Durchtrittskammer nicht größer ist als in der Druckkammer. Dadurch ist gewährleistet, dass keine Luftummantelung des Flüssigkeitsstrahls zur Angleichung der Geschwindigkeitsverhältnisse zwischen dem Flüssigkeitsstrahl und seiner Umgebung entsteht. Der Druckausgleich in der Durchtrittskammer bezüglich der Tendenz eines sich bildenden Unterdruckes durch den Durchtritt des Flüssigkeitsstrahls und dessen Mitreißen von Luftmolekülen erfolgt selbsttätig. Vorzugsweise ist der durchschnittliche Druck in der Durchtrittskammer leicht geringer als der oder maximal gleich dem Umgebungsdruck, keinesfalls jedoch größer als der Umgebungsdruck im Sinne eines Überdruckes.
Wenn die Druckverhältnisse in der Durchtrittskammer wie vorstehend geschildert sind, besteht eher eine Tendenz, dass Außenluft oder außen befindliches Gas entgegen der Durchtrittsrichtung des Flüssigkeitsstrahles durch die Austrittsöffnung in das Innere der Durchtrittskammer zurückströmt. Dies ist von Vorteil bezüglich des zuvor geschilderten Druckausgleiches in der Durchtrittskammer, hat jedoch den Nachteil, dass bei zu großer Austrittsöffnung gegebenenfalls Verschmutzungspartikel in das Innere des Durchtrittsraumes hineingefördert werden können. Das bedeutet, dass der Querschnitt der resultierenden Austrittsöffnung nicht zu groß gewählt werden darf. Andererseits darf dieser Austrittsöffnungsquerschnitt auch nicht zu klein gewählt werden. Im Grenzfall wäre der Austrittsöffnungsquerschnitt gerade so groß wie der Querschnitt des Flüssigkeitsstrahles. In einem solchen Fall ließe sich nicht verhindern, dass mit dem Flüssigkeitsstrahl dennoch Luftmoleküle aus der Durchtrittskammer nach außen mitgerissen werden. Letztendlich würde dies zu einem Druckabsenken in der Durchtrittskammer führen. Wenn die Druckabsenkung so groß wird, dass ein kritischer Wert für den Druck unterschritten wird, besteht die Gefahr, dass der Flüssigkeitsstrahl sich auflöst, d. h. von der Strahlform in eine Sprayform übergeht. Dies muss unter allen Umständen vermieden werden, weil dadurch die Funktion der Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung nicht mehr gegeben wäre.
Überraschenderweise hat sich nun gezeigt, dass es im Rahmen doch relativ enger Grenzen durch eine geeignete Dimensionierung sowohl der Drosselbohrung als auch des resultierenden Austrittsöffnungsquerschnittes, und zwar im Hinblick auf eine gegenseitige Abstimmung der jeweiligen Querschnitte, erreicht werden kann, dass die für die Bearbeitung notwendige laminare Länge ausreichend groß ist, dass der Flüssigkeitsstrahl möglichst ungestört und damit im Flüssigkeitsstrahl auch der darin eingekoppelte Laserstrahl zur Bearbeitungsoberfläche am Werkstück geleitet werden kann. Dadurch kann die Vorrichtung zuverlässig arbeiten, ohne dass Verschmutzungspartikel in das Innere der Durchtrittskammer hineingelangen und dass dennoch das an der Werkstücksoberfläche mit dem Flüssigkeitsstrahl auftreffende Wasser von dort abgeführt werden kann.
Vorzugsweise ist in der Einkoppelvorrichtung ein so genanntes Insert vorhanden, welches die Durchtrittskammer von der Druckkammer – mit Ausnahme der beide Kammern verbindenden Drosselbohrung – voneinander trennt. Das die Druckkammer beaufschlagende Gas wird vorzugsweise über einen Durchtrittsbereich, welcher zwischen der Außenseite des Inserts und dem Gehäuse ausgebildet ist, nach außen vorzugsweise in Form eines ringförmig ausgebildeten Gasstrahls geführt. Dieser ringförmig ausgebildete Gasstrahl umgibt zwar den Flüssigkeitsstrahl, berührt diesen jedoch nicht, zumindest nicht im Bereich des Austritts des Flüssigkeitsstrahls aus der Einkoppelvorrichtung. Dieser Gasstrahl ist in der Art eines Airjets ausgebildet und weist eine derartige kinetische Energie auf, dass am Bearbeitungsort des Laserstrahls am Werkstück selbst in im Werkstück vorhandenen Kavitäten die sich dort angesammelte Flüssigkeit vom Bearbeitungsort des Lasers ferngehalten werden kann. Die Trennung zwischen der Durchtrittskammer und der Druckkammer bietet somit den Vorteil, den laminaren Bereich bzw. die laminare Länge des Flüssigkeitsstrahls möglichst ungestört bis zum Auftreffen auf dem Bearbeitungsort am Werkstück zu belassen, aber gleichermaßen einen Airjet zur Verfügung zu stellen, mittels welchem das am Werkstück vorhandene Wasser zu verdrängen, d. h. sozusagen die Bearbeitungsoberfläche des Werkstückes freizublasen. Durch die Trennung von Durchtrittskammer und Druckkammer ist es darüber hinaus möglich, die jeweils erforderlichen Parameter für die Flüssigkeit, die Druckbedingungen in den Kammern wie entsprechend auch für das Gas für den Airjet so anzupassen, dass optimale Bearbeitungsergebnisse erreicht werden können. Da bei einer Einkoppelvorrichtung gemäß dem Stand der Technik sowohl der Airjet als auch der Flüssigkeitsstrahl aus einer gemeinsamen Düse austreten, welche den Airjet an den Flüssigkeitsstrahl anformt, ist diese unabhängige Einstellung und Beeinflussung der Parameter der Fluide dort nicht ohne Weiteres möglich. Vorzugsweise sind die Drosselbohrungen beziehungsweise ist die zumindest eine Drosselbohrung parallel zur Längsachse des Inserts ausgerichtet. Andere Ausrichtungen der Drosselbohrungen sind aber auch möglich.
Vorzugsweise ist der resultierende Austrittsöffnungsquerschnitt größer als der Querschnitt der zumindest einen Drosselbohrung, noch weiter bevorzugt ist der resultierende Austrittsöffnungsquerschnitt Ca. doppelt so groß wie der Querschnitt der zumindest einen Drosselbohrung. Damit der Flüssigkeitsstrahl durch das Innere des Inserts, welches Teil der Durchtrittskammer ist, ungestört hindurchtreten kann, ist der Durchmesser des Inserts zum Durchtritt des Flüssigkeitsstrahls um ein Vielfaches größer als der Durchmesser des Flüssigkeitsstrahls. Vorzugsweise ist am Austritt des Inserts eine Blende vorgesehen, damit ein definierter Querschnitt vorhanden ist, welcher in Relation zu den Drosselbohrungen dimensioniert werden kann. Dieser blendenartige Einzug am Austritt des Inserts dient dazu, die Druckverhältnisse in der Durchtrittskammer erfindungsgemäß so einzustellen, dass einerseits kein Überdruck gegenüber dem Druck in der Druckkammer auftritt, dass aber andererseits die Öffnung nur so groß ist, dass ein Rückströmen von Verschmutzungen in die Durchtrittskammer minimiert oder eliminiert wird und die Größe der blendenartigen Öffnung bzw. des blendenartigen Einzugs so gewählt wird, dass ein entsprechender Druckausgleich in der Durchtrittskammer am Austrittsende ebenso realisiert werden kann, wie im Bereich der Durchtrittskammer, welcher auf der Seite der Flüssigkeitsdüse durch die Drosselbohrungen ausgebildet ist. Die Durchmesser der Drosselbohrungen sind so klein gewählt, dass neben der Drosselwirkung beim Durchströmen dieser Drosselbohrungen gerade so viel Druckausgleich realisiert wird, dass in der Durchtrittskammer kein Überdruck gegenüber dem Druck in der Druckkammer bzw. dem Außendruck herrscht. Vorzugsweise sind beispielsweise vier Drosselbohrungen, auch aus Gründen der Symmetrie, vorhanden, welche jeweils einen Durchmesser von 0,4 mm aufweisen, d. h.. echte Drosselbohrungen sind. Der Querschnitt jeder einzelnen Drosselbohrung beträgt daher 0,125 mm², so dass der Gesamtquerschnitt der Drosselbohrungen sich auf 0,5 mm² beläuft. Wenn demgegenüber beispielsweise die resultierende Austrittsöffnung im Durchmesserbereich von 1,2 bis 1,5 mm liegt, beträgt der zugehörige resultierende Austrittsöffnungsquerschnitt ca. 1,1 mm², was reichlich doppelt so groß ist wie die Gesamtquerschnittsfläche aller Drosselbohrungen. Das Vorsehen von vier oder zwei Drosselbohrungen ist aus Gründen der Symmetrie bevorzugt. Vorzugsweise haben die Drosselbohrungen alle einen gleich großen Querschnitt.
Weiter bevorzugt ist, dass der Auslass der Druckkammer konzentrisch zur Austrittsöffnung im Insert für den Flüssigkeitsstrahl und als Gasaustrittsdüse ausgebildet ist. Diese Anordnung führt zu einer ringförmig ausgebildeten Strahlform für das Gas, wobei das Innere dieses Gasringes das Äußere des Flüssigkeitsstrahls nicht berührt, d. h. von diesem beabstandet ist.
Vorzugsweise ist die zumindest eine Drosselbohrung bzw. sind die mehreren Drosselbohrungen und der resultierende Austrittsöffnungsquerschnitt derartig dimensioniert, dass in der Durchtrittskammer gegenüber dem Außendruck kein Unterdruck und kein Überdruck herrschen. Vorzugsweise sind sowohl die Drosselbohrung als auch der resultierende Austrittsöffnungsquerschnitt so dimensioniert und sind beide Querschnitte so aufeinander abgestimmt, dass in der Durchtrittskammer ein Unterdruck, insbesondere ein geringer Unterdruck herrscht, welcher jedoch so groß ist, dass ein definierter kritischer Wert nicht unterschritten wird. Unter definiertem kritischen Wert ist zu verstehen, dass das der Wert des Unterdruckes ist, bei welchem der aus der Flüssigkeitsdüse austretende Flüssigkeitsstrahl zerfällt und sich als Spray ausbildet, mithin keine laminare Länge mehr hat. Damit wäre die Funktion der Laser-Bearbeitungsvorrichtung unterbrochen.
Wie schnell im Betrieb bei fehlerhafter Dimensionierung der Querschnitte der Drosselbohrung und der resultierenden Austrittsöffnung zueinander dieser kritische Wert erreicht wird, hängt zum einen von den Durchmesserverhältnissen von Drosselbohrung und resultierendem Austrittsöffnungsquerschnitt ab, hängt aber zum anderen auch von den Parametern der Flüssigkeit wie auch des Airjets wie auch der Druckverhältnisse in der Durchtrittskammer und der Druckkammer ab. Erfindungsgemäß sind die genannten Verhältnisse und Parameter so gewählt, dass die Laser-Bearbeitungsvorrichtung ohne Unterbrechung und ohne Fehlfunktion kontinuierlich so lange arbeiten kann, bis die Bearbeitungsaufgabe erfüllt ist, ohne dass die Vorrichtung zwischendurch abgeschaltet werden muss oder das Bearbeiten zumindest zeitweise eingestellt werden muss, um die Vorrichtung gegebenenfalls neu auf die Bearbeitungsaufgabe einzustellen.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einstellen eines Druckes in einer Durchtrittskammer für einen Flüssigkeitsstrahl einer Laser-Bearbeitungsvorrichtung, welche zwischen einer den Flüssigkeitsstrahl erzeugenden Flüssigkeitsdüse und einer Gehäuseaustrittsöffnung angeordnet ist. Der in den Flüssigkeitsstrahl zur Bearbeitung einer Werkstückoberfläche eingekoppelte Laserstrahl tritt zusammen mit dem Flüssigkeitsstrahl aus der Flüssigkeitsdüse aus und durchläuft zusammen mit dem Flüssigkeitsstrahl die Durchtrittskammer. Im Bereich der Durchtrittskammer, welcher auf die Flüssigkeitsdüse weist, ist eine Drosselbohrung vorgesehen, welche an ihrer der Durchtrittskammer abgewandten Seite mit einem Gas in einer Druckkammer beaufschlagt wird, deren Druck größer ist als der Druck in der Durchtrittskammer, vorzugsweise größer ist als ein Außendruck außerhalb der Vorrichtung. Die Durchtrittskammer ist gegenüber der Flüssigkeitsdüse durch eine Austrittsöffnung für den Flüssigkeitsstrahl begrenzt, wobei der Austrittsöffnungsquerschnitt größer als der Querschnitt des Flüssigkeitsstrahls ist. Als Austrittsöffnungsquerschnitt ist dabei der resultierende Öffnungsquerschnitt zu betrachten, welcher sich aus dem durch den Durchmesser definierten Austrittsöffnungsquerschnitt vermindert um den Querschnitt des Flüssigkeitsstrahls ergibt. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Druck in der Durchtrittskammer nun derart eingestellt, dass dieser gegenüber dem Druck in der Druckkammer kleiner als oder allenfalls so groß wie dieser ist, d. h. dass in der Durchtrittskammer kein Überdruck gegenüber dem Druck in der Druckkammer vorhanden ist.
Die Einstellung des Druckes in der Durchtrittskammer kann dabei vorzugsweise auch über eine Veränderung des Gasdruckes in der Druckkammer erreicht werden. Vorzugsweise ist es auch oder zusätzlich möglich, dass der Druck in der Durchtrittskammer durch Veränderung des Querschnittes der Drosselbohrung und/oder des Austrittsöffnungsquerschnittes eingestellt wird. Insbesondere kann über die Veränderung der Relation des Querschnittes der Drosselbohrung zu dem Austrittsöffnungsquerschnitt der Druck in der Durchtrittskammer eingestellt werden.
Es ist jedoch auch möglich, dass vorzugsweise der Druck in der Durchtrittskammer durch Veränderung der Viskosität des Gases in der Druckkammer eingestellt wird.
Vorzugsweise wird der Druck in der Durchtrittskammer so eingestellt, dass gegenüber dem Außendruck kein Überdruck entsteht und dass weiter vorzugsweise gegenüber dem Außendruck auch kein Unterdruck entsteht, so dass in der Durchtrittskammer im Wesentlichen Außendruck herrscht.
Weiter vorzugsweise wird der Druck in der Durchtrittskammer über die Relation der Querschnitte der Drosselbohrung und der resultierenden Austrittsöffnung und/oder die Viskosität des Gases in der Druckkammer sowie auch durch die Veränderung des Druckes des Gases in der Druckkammer derart eingestellt, dass in der Durchtrittskammer ein definierter kritischer Wert des Unterdruckes nicht unterschritten wird. Dies ist besonders von Bedeutung, weil bei einem zu niedrigem Druck in der Durchtrittskammer der Flüssigkeitsstrahl von seinem laminaren Strahlverhalten in eine Sprayform übergehen kann, wodurch ein Bearbeiten der Werkstückoberfläche gänzlich unmöglich wird.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Druck in der Durchtrittskammer in einer Vorrichtung geregelt wird, wie sie zuvor beschrieben ist.
Weitere Vorteile, Anwendungsmöglichkeiten und Details zu der vorliegenden Erfindung werden nun anhand der Beschreibung der Figuren deutlich. In der Zeichnung zeigen:
1: eine vereinfachte, schematische Ansicht einer Einkoppelvorrichtung für eine Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung gemäß dem Stand der Technik;
2: eine prinzipielle Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Einkoppelvorrichtung;
3: eine erfindungsgemäße Einkoppelvorrichtung gemäß 2 bei der Bearbeitung einer Werkstückoberfläche in einer Kavität;
4a): die erfindungsgemäße Einkoppelvorrichtung gemäß 2, jedoch ohne Airjet mit längerer laminarer Länge des Flüssigkeitsstrahls;
4b): die erfindungsgemäße Einkoppelvorrichtung gemäß 2 mit kürzerer laminarer Länge des Flüssigkeitsstrahls und Airjet; und
5: die erfindungsgemäße Einkoppelvorrichtung gemäß 2 mit vergrößerter Darstellung von Flüssigkeitsdüsen und Insert mit Andeutung der Fluidströme.
Die in 1 dargestellte Einkoppelvorrichtung gemäß dem Stand der Technik dient für eine Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung, wobei in 1 eine Werkstückoberfläche 14 eingezeichnet ist, auf welche ein Flüssigkeitsstrahl 3 mit eingekoppeltem Laserstrahl 2 zu deren Bearbeitung auftrifft. Ein Schutzfenster 16 ist vorgesehen, um den trockenen Abschnitt eines Laserstrahles 2 und den flüssigen Abschnitt eines Flüssigkeitsstrahles 3 voneinander zu trennen. Eine nicht dargestellte Linse dient dazu, den Laserstrahl 2 auf den Flüssigkeitsstrahl zu fokussieren. Eine Flüssigkeitsdüse 5 ist mit dem Schutzfenster 16 funktionell unter Belassung eines Spaltes zur Aufnahme einer Flüssigkeit wie z. B. Wasser von einer Flüssigkeitsquelle bzw. Flüssigkeitskammer 15 gekoppelt. Die Düse 5 weist eine Öffnung auf, durch welche die Flüssigkeit als Flüssigkeitsstrahl 3 austritt. Die Düse 5 öffnet sich in Richtung auf eine Durchtrittskammer 7, welche unter anderem zur Verbesserung der laminaren Strömung des Flüssigkeitsstrahles 3 dient. Aus einer Gasquelle 20 wird ein Hilfsgasstrom 21 in die Durchtrittskammer über eine separate Zuleitung zugeführt. Das Hilfsgas strömt in Richtung auf den Flüssigkeitsstrahl 3 und ummantelt diesen bis hin zum Austritt aus der Durchtrittskammer 7. Unterhalb der Düse 5 ist ein Insert 10 vorgesehen, welches die Durchtrittskammer 7 nach unten schließt und im Innern den Flüssigkeitsstrahl 3 führt. Das Insert 10 ist so ausgebildet, dass an seinem Äußeren eine Druckkammer 9 ausgebildet ist, welche zur Ausbildung eines Airjets bzw. eines Gasstrahls 17 dient und welche von einer Gasquelle 19 entsprechend mit diesem Gas beaufschlagt ist. Am Austritt aus dem Gehäuse 4 der Einkoppelvorrichtung 1 ist um das untere, hindurchragende Ende des Inserts 10 ein Ringspalt ausgebildet, über welchen ein kreisringförmiger Airjet 17 austritt und den Flüssigkeitsstrahl beabstandet umgibt. Der Airjet 17 ist dabei parallel zum Flüssigkeitsstrahl 14 ausgebildet. Bei dieser bekannten Einkoppelvorrichtung weist das Insert eine physische Trennung zwischen dem Gasstrahl bzw. Airjet 17 und dem Flüssigkeitsstrahl 13 auf. Das bedeutet, dass der Flüssigkeitsstrahl 3 und der Gasstrahl 17 die Einkoppelvorrichtung durch zwei unterschiedliche, voneinander separate Düsenöffnungen verlassen. Durch die physische Trennung des Flüssigkeitsstrahls von dem Gasstrahl ist es möglich, dass eine unabhängige Steuerung des auf die Werkstückoberfläche geleiteten Gasstrahles 17 geleitet wird, d. h. die Parameter des Gasstrahles können unabhängig von denen des Flüssigkeitsstrahles 3 gesteuert werden. Das betrifft insbesondere den Druck und den Volumenstrom, so dass recht gute Bedingungen zum Verdrängen des an der Werkstückoberfläche vorhandenen bzw. sich dort sammelnden Wassers geschaffen werden können, und zwar derart, dass der Gasstrahl 17 nicht in negative Wechselwirkung mit dem Flüssigkeitsstrahl 3 tritt, in dessen Innern der Laserstrahl zur Bearbeitung der Werkstückoberfläche 14 eingekoppelt ist. Die äußere mantelförmige Oberfläche des Inserts 10 erstreckt sich parallel zur Durchtrittsrichtung des Flüssigkeitsstrahls 3 im Innern des Inserts, so dass der als Ringstrahl ausgebildete Gasstrahl parallel zum Flüssigkeitsstrahl 3 verläuft.
Der Durchtrittsraum 7 im Innern der Einkoppelvorrichtung weist im Innern des Inserts einen Durchmesser bzw. einen Querschnitt auf, welcher größer ist als der unmittelbare Austrittsquerschnitt des Inserts, durch welchen der Flüssigkeitsstrahl das Insert – ummantelt mit dem von der Gasquelle gelieferten Hilfsgas – verlässt. Der blendenartige Durchmesser d₃ der Austrittsöffnung des Inserts ist deutlich kleiner als der Innendurchmesser d₄ des Inserts mit diesem dort ausgebildeten Teil der Durchtrittskammer 7.
Diese bekannte Einkoppelvorrichtung soll durch das zusätzlich zum Gasstrahl 17 in das Innere der Durchtrittskammer 7 und das Innere des Inserts 10 eingeführte, von der Gasquelle 20 stammende Hilfsgas eine Ummantelung des Flüssigkeitsstrahls 3 sichern, damit der Flüssigkeitsstrahl an seiner Oberfläche möglichst wenig oder keine Luftmoleküle aus der Durchtrittskammer 7 ins Äußere befördert und gleichzeitig gegenüber der den Flüssigkeitsstrahl ansonsten umgebenden im Wesentlichen ruhenden Luft nicht nachteilig beeinflusst wird. Dazu ist jedoch ein erhöhter baulicher Aufwand für eine zusätzliche Gasquelle 20 mit den entsprechenden Leitungen, Zuleitungen und Einführungen in das Innere der Einkoppelvorrichtung 1, d. h. das Innere der Durchtrittskammer 7, erforderlich.
In 2 ist eine erfindungsgemäße Einkoppelvorrichtung 1 dargestellt, welche die Nachteile des Standes der Technik vermeidet. Diese Einkoppelvorrichtung 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel weist in an sich bekannter Weise ein Gehäuse 4 auf, in welchem ein Schutzfenster 16 oberhalb einer Flüssigkeitsdüse 5 vorgesehen ist. Zwischen dem Schutzfenster 16 und der Flüssigkeitsdüse 5 ist ein Zwischenraum vorgesehen, in welchen die Flüssigkeit, vorzugsweise Wasser, zugeführt wird, um über die Flüssigkeitsdüse 5 als Flüssigkeitsstrahl 3 in die Durchtrittskammer 7 unterhalb der Flüssigkeitsdüse 5 auszutreten. In die Einkoppelvorrichtung 1 wird ein mittels einer nicht dargestellten Linse konvergierender Laserstrahl so eingeführt, dass deren Fokus unmittelbar in der Flüssigkeitsdüse 5 liegt und als fokussierter Laserstrahl in der Flüssigkeitsdüse 5 in den Flüssigkeitsstrahl 3 eingekoppelt wird. Unterhalb der Flüssigkeitsdüse 5 ist im Innern des Gehäuses 4 der Einkoppelvorrichtung 1 ein Insert 10 vorgesehen, welches die Durchtrittskammer 7 für den Wasserstrahl von einer um die äußere Mantelfläche des Inserts 10 herum angeordneter Druckkammer 9 für einen Gasstrahl 17, welcher auch als Airjet bezeichnet wird, trennt. Gegenüber dem Gehäuse und der äußeren Mantelfläche des Inserts 10 ragt das Insert 10 durch eine Gasaustrittsdüse 11 heraus, so dass diese als Ringdüse um die äußere Mantelfläche des Inserts ausgebildet ist. Die Druckkammer 9 wird über eine in das Gehäuse eingeführte Gaszufuhr, vorzugsweise Luftzufuhr, beaufschlagt. Der ringförmig ausgebildete Gasstrahl 17 ist dafür vorgesehen, auf die in 2 nicht dargestellte Werkstückoberfläche aufzutreffen und dort das mit dem Flüssigkeitsstrahl 3 auf diese Werkstückoberfläche geförderte Wasser bzw. die geförderte Flüssigkeit zu verdrängen, so dass der Flüssigkeitsstrahl mit dem Laserstrahl nicht erst eine Flüssigkeitswand oder eine Flüssigkeitsschicht durchdringen muss, bevor der Laserstrahl an den Ort für die Bearbeitung an der Werkstückoberfläche gelangen kann.
Am unteren Austrittsende des Inserts 10 ist eine Austrittsöffnung 6 vorgesehen, welche in 2 dem inneren Durchmesser des Inserts für den Flüssigkeitsstrahl 3 entspricht. Dieser innere Durchmesser des Inserts ist deutlich größer ausgebildet als der Flüssigkeitsstrahl 3 selbst, welcher haardünn ausgebildet ist. Im oberen, zur Flüssigkeitsdüse 5 weisenden Bereich des Inserts 10 ist ein kragenartiger Flansch vorgesehen, in welchem Drosselbohrungen 8 vorhanden sind. Die Drosselbohrungen 8 weisen einen sehr geringen Durchmesser, d. h. eine sehr geringe Querschnittsfläche auf und verbinden die Druckkammer 9 mit der Durchtrittskammer 7. Die Drosselbohrungen sind bei diesem Ausführungsbeispiel parallel zur Längsachse des Inserts ausgerichtet.
Im laufenden Betrieb der Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung reißt der Flüssigkeitsstrahl, welcher mit hoher Geschwindigkeit aus der Flüssigkeitsdüse 5 austritt und durch die Durchtrittskammer 7 geleitet wird, Luftmoleküle permanent mit. Trotz der Laminarität des Flüssigkeitsstrahls weist dieser an seiner Oberfläche eine gewisse Rauhigkeit auf, wodurch das Mitreißen der Luftmoleküle erfolgt. Im laufenden Betrieb kann es daher passieren, dass durch den Austrag von Luftmolekülen der Druck in der Durchtrittskammer 7 absinkt. Wenn dabei der Druck einen definierten kritischen Wert, d. h. Unterdruck, erreicht, besteht die Gefahr, dass der Flüssigkeitsstrahl ausfächert, d. h. in eine sprayartige Form übergeht, was auch als kritischer Strahlverdampfungspunkt bezeichnet wird. Daher ist bei diesem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel der Einkoppelvorrichtung 1 im kragenartigen Flansch des Inserts die Ausbildung von Drosselbohrungen 8 vorgesehen. Diese Drosselbohrungen ermöglichen es, den möglicherweise entstehenden Unterdruck in der Durchtrittskammer 7 gegenüber dem Gasdruck in der Druckkammer 9 auszugleichen. Gleichermaßen dient der relativ große Durchmesser des inneren Durchtrittsbereichs des Inserts 10, welcher sich bis zu der Austrittsöffnung 6 für den Flüssigkeitsstrahl 3 erstreckt, dazu, jedenfalls am Austrittsbereich aus der Durchtrittskammer 7 für einen gewissen Druckausgleich zu sorgen. Dieser größere Durchmesser hat jedoch den Nachteil, dass bei gegebenenfalls erfolgender Rückströmung ins Innere der Durchtrittskammer 7 Schmutzpartikel mit hineinbefördert werden, welche sich an der Düse anlagern können und damit nach einer gewissen Betriebszeit zum Unterbrechen der zuverlässigen Funktion der Einkoppelvorrichtung führen und eine Reinigung derselben erfordern. Der Gasstrahl 17, welcher über die ringförmige Gasaustrittsdüse 11 austritt, ist vom Flüssigkeitsstrahl 3 beabstandet, umgibt diesen zwar ringförmig, hat aber zunächst keinen direkten Kontakt mit dem Flüssigkeitsstrahl. Der Gasstrahl 17 dient dazu, die mit dem Flüssigkeitsstrahl 3 auf die Werkstückoberfläche, welche in 2 nicht dargestellt ist, geförderte Flüssigkeit zu verdrängen, so dass der in den Flüssigkeitsstrahl 3 eingekoppelte Laserstrahl 2 direkt und ohne Hindernis auf die Werkstückfläche auftreffen kann. Vor allen Dingen dient der ringförmige Gasstrahl 17 auch dazu, gegebenenfalls in einer in der Werkstückoberfläche vorhandenen Kavität sich ansammelnde Flüssigkeit zu verdrängen, so dass mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch Werkstückoberflächen bearbeitet werden können, welche innerhalb einer Kavität liegen und welche ohne einen Gasstrahl zur Verdrängung dieser Flüssigkeit sich allenfalls nur sehr eingeschränkt bearbeiten lassen würden.
Gemäß der Erfindung wird nun der Durchtrittsquerschnitt der Drosselbohrungen 8 relativ zu dem Querschnitt der Austrittsöffnung 6 und damit des Durchtrittsbereichs des Flüssigkeitsstrahls 3 durch das Insert gemäß diesem Ausführungsbeispiel dimensioniert. Diese Dimensionierung wird so durchgeführt, dass der Austrittsöffnungsquerschnitt der Austrittsöffnung 6 größer ist als der Querschnitt der Drosselbohrungen. Vorzugsweise ist dieser Querschnitt doppelt so groß wie der der Drosselbohrungen. Als Austrittsöffnungsquerschnitt wird dabei der resultierende Austrittsöffnungsquerschnitt zum Ansatz für die Dimensionierung gebracht, welcher sich ergibt aus dem Querschnitt des inneren Durchmessers des Inserts 10 vermindert um den Querschnitt des Flüssigkeitsstrahls 3.
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Einkoppelvorrichtung 1, bei welcher das Auftreffen des Flüssigkeitsstrahls, in welchen der Laserstrahl 2 eingekoppelt ist, auf eine Werkstückoberfläche 14 eines Werkstückes 12 gerichtet ist und dort auftrifft, und zwar ohne dass der Flüssigkeitsstrahl 3 durch eine Flüssigkeitssäule dringen muss, weil der Gasstrahl 17 auf die sich in der Kavität 13 sammelnde Flüssigkeit trifft und die zu verdrängende Flüssigkeit 18 über den Rand der Kavität nach außen abführt. Dadurch ist gewährleistet, dass der Flüssigkeitsstrahl direkt auf der zu bearbeitenden Werkstückoberfläche 14 am Boden der Kavität auftrifft. Der prinzipielle Aufbau der Einkoppelvorrichtung 1 ist dem gemäß 2 sehr ähnlich, so dass die einzelnen Bauteile hier nicht nochmals erläutert werden. Im Unterschied zu 2 ist das bei diesem Ausführungsbeispiel vorgesehene Insert 10 mit einer gegenüber dem inneren Durchtrittsdurchmesser verkleinerten Austrittsöffnung 6 versehen. Diese Austrittsöffnung 6 ist in Form einer blendenartigen Einengung bzw. eines blendenartigen Einzugs ausgebildet und gewährleistet, dass die Austrittsöffnung 6 gerade eine solche Größe aufweist, dass der Flüssigkeitsstrahl ohne Ummantelung mit einem Gasstrahl gut das Innere der Durchtrittskammer 7 verlassen kann, aber ein zu starkes Rückströmen von Außenluft oder Außengas durch die Austrittsöffnung 6 in das Innere der Durchtrittskammer 7 hinein aufgrund von einem gegebenenfalls sich ausbildenden Unterdruck minimiert wird. Damit wird verhindert oder zumindest stark reduziert, dass Schmutzpartikel ins Innere der Durchtrittskammer 7 gelangen.
Die Dimensionierung der Querschnitte der Drosselbohrungen und des resultierenden Austrittsöffnungsquerschnittes 6 erfolgt derart, dass der Druck in der Durchtrittskammer möglichst gleichmäßig ausgebildet und einen solchen Wert aufweist, dass in der Durchtrittskammer 7 entweder kein Überdruck gegenüber dem Außendruck oder zumindest kein Überdruck gegenüber dem Druck in der Druckkammer 9 vorhanden ist. Auf diese Weise wird mit der erfindungsgemäßen Einkoppelvorrichtung 1 verhindert, dass auch bei längerem Betrieb in der Durchtrittskammer 7 sich ein Unterdruck ausbildet, welcher sich in die Nähe eines kritischen Unterdruckes sich entwickelt, ab welchem der Flüssigkeitsstrahl aufbricht und zu einem Spray wird, wodurch die Funktion der Einkoppelvorrichtung nicht mehr gewährleistet wäre. Dies tritt bei der erfindungsgemäßen Einkoppelvorrichtung gerade nicht auf, und zwar, ohne dass – wie es im Stand der Technik vorgesehen ist – ein zusätzliches, den Flüssigkeitsstrahl unmittelbar einschließendes Hilfsgas mit entsprechenden Leitungen, Druckbehältern etc. vorgesehen werden muss. Die Einkoppelvorrichtung gemäß 3 ist dabei konstruktiv besonders günstig bzw. einfach im Vergleich mit der gemäß dem Stand der Technik.
In 4a) ist eine Einkoppelvorrichtung gemäß 3 dargestellt, und zwar ohne dass ein Gasstrahl 17 vorgesehen sein muss. Eine solche Anordnung ist vor allen Dingen möglich, wenn die zu bearbeitende Werkstückoberfläche entweder konvex oder zumindest eben an der Bearbeitungsstelle ist, von wo das mit dem Flüssigkeitsstrahl an die Bearbeitungsstelle geförderte Wasser bzw. die geförderte Flüssigkeit abfließen kann. Der Vorteil einer Bearbeitung einer Werkstückoberfläche mit einem in einem Flüssigkeitsstrahl 3 eingekoppelten Laserstrahl 2 besteht darin, dass die laminare Länge des Flüssigkeitsstrahls größer ist als bei Vorhandensein eines ringförmigen Gasstrahls, wie dies in 4b) dargestellt ist.
In 4a) weist das Insert – ebenso wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 – im oberen Kragenbereich Drosselbohrungen 8 auf, welche den Durchtrittsraum 7 mit der Druckkammer 9 verbinden, in welcher in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel Außendruck herrscht. Die Flüssigkeit für den Flüssigkeitsstrahl 3 gelangt über eine Zuleitung und eine Flüssigkeitskammer 15 zur Flüssigkeitsdüse 5, aus welcher der Flüssigkeitsstrahl austritt und in welcher der Laserstrahl 2 über ein Schutzfenster 16 eingekoppelt wird.
In 4b) ist eine Einkoppelvorrichtung gemäß 4a) dargestellt, bei welcher jedoch zusätzlich ein Gasstrahl in die Druckkammer 9 gefördert wird, welcher aus der Druckkammer als ringförmig ausgebildeter Gasstrahl 17 aus der Einkoppelvorrichtung 1 austritt. Der restliche Aufbau entspricht dem gemäß 4a). Da der ringförmige Gasstrahl nach seinem Austritt aus der ringförmigen Gasaustrittsdüse relativ rasch auffächert, berührt nach einer definierten Entfernung der ringförmige Gasstrahl den Flüssigkeitsstrahl. Ab diesem Punkt wird der Flüssigkeitsstrahl 3 bezüglich seiner Laminarität gestört, und der Flüssigkeitsstrahl 3 fächert aus. Dies wird auch als Atomisierungspunkt für den Flüssigkeitsstrahl 3 bezeichnet. Aus den 4a) und 4b) wird deutlich, dass der ringförmige Gasstrahl zwar den Vorteil hat, sich in einer Kavität eines zu bearbeitenden Werkstückes ansammelnde Flüssigkeit zu verdrängen, damit der Flüssigkeitsstrahl mit dem Laserstrahl zuverlässig direkt an die Bearbeitungsstelle gelangen kann. Wegen seiner Auffächerung reduziert der ringförmige Gasstrahl jedoch die laminare Länge des Flüssigkeitsstrahls nach seinem Austritt aus der Austrittsöffnung 6 am unteren Ende des Inserts 10.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 4a) ist die laminare Länge des Flüssigkeitsstrahles besonders groß und beträgt beispielsweise ca. 50 mm. Demgegenüber ist die laminare Länge bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 4b) kleiner und beträgt beispielsweise 30 bis 35 mm. In beiden Fällen ist diese laminare Länge jedoch ausreichend, weil die Distanz zwischen Austritt des Flüssigkeitsstrahles und Werkstückoberfläche in der Regel ca. 20 mm beträgt. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 4b) besteht ein weiterer Vorteil darin, dass der ringförmige Airjet bis zum Atomisierungspunkt eine gute Schutzwirkung für den Flüssigkeitsstrahl und damit den darin eingekoppelten Laserstrahl entfaltet. Dies ist beispielsweise von Bedeutung, wenn die Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung mit der Einkoppelvorrichtung während der Bearbeitung über die Werkstückoberfläche bewegt wird und die Schutzwirkung des Airjets verhindert, dass der Flüssigkeitsstrahl mit eingekoppelten Laserstrahl abgelenkt oder deformiert wird.
Und schließlich ist in 5 eine erfindungsgemäße Einkoppelvorrichtung 1 gemäß 2 dargestellt, bei welcher in der vergrößerten Ausschnittsdarstellung für den Bereich von Flüssigkeitsdüse 5, Durchtrittsraum 7 und Insert 10 die Druck- und Strömungsverhältnisse angedeutet sind. Alle übrigen Elemente bzw. Bauteile entsprechen denen gemäß 2 bzw. auch 3, so dass darauf hier nicht nochmals eingegangen wird. In der Figur bedeuten die in Klammer gesetzten Buchstaben folgendes:

(a) Gas-/Luft-Zuführung mit dem Querschnitt A1 und dem Druck p1,
(b) Druckraum mit Querschnitt A2 und Druck p2 in Form eines Stauraumes,
(c) Drosselbohrung zum Druckausgleich zwischen Durchtrittsraum 7 für den Wasserstrahl 3 und der Druckkammer 9 mit dem Querschnitt A3 und dem Druck p3,
(d) Austrittsöffnung für den Flüssigkeitsstrahl aus dem Insert mit dem Querschnitt A4 und dem Druck p4 und
(e) Ausgang des ringförmigen Gasstrahles 17 aus der Gasaustrittsdüse 11 mit dem Querschnitt A5 und dem Druck p5.

Für die Dimensionierung gilt nun, dass A1 < A2 > A3 < A4 und insbesondere A5 > A1 ist. Bezüglich der Drücke gilt p1 > p2 < p5. Die Luftströmung baut sich wie folgt auf: Das Gas bzw. die Luft strömt über die Zufuhrleitung in die Druckkammer 9. Die Druckkammer 9 ist kein Druckspeicher, da der als Ringspalt ausgebildete Ausgangsquerschnitt für das Gas stets größer ist als der Querschnitt der Zufuhrleitung für das Gas bzw. für die Luft. Insbesondere ist der Ausgangsquerschnitt doppelt so groß wie der Querschnitt der Drosselbohrungen 8. Der Durchtrittsraum 7 für den Flüssigkeitsstrahl 3 weist einen resultierenden Ausgangsquerschnitt A4 auf, welcher größer ist als der Querschnitt der Drosselbohrungen A3. Dadurch entsteht kein Überdruck im Durchtrittsraum 7. Es entsteht dadurch auch keine Luftummantelung bzw. Gasummantelung zur Angleichung der Geschwindigkeitsverhältnisse zwischen dem Flüssigkeitsstrahl 3 und seiner Umgebung. Aufgrund dieser erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Inserts mit einem definierten Ausgangsquerschnitt 5 und den Drosselbohrungen 8 erfolgt der Druckausgleich zu einem sich ansonsten bildenden Unterdruck in der Durchtrittskammer 7 selbsttätig. Das durchschnittliche Druckniveau im Durchtrittsraum 7 ist geringer oder maximal gleich dem Außendruck. Dies kann in vielen Fällen der Umgebungsdruck sein. Es ist jedoch auch denkbar, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung gekapselt ist und unter Druck arbeitet, wobei anstelle von Luft auch ein den Anforderungsbedingungen gemäßes Gas Anwendung finden kann.
Über die Dimensionierung und die Steuerung des Druckes, der Temperatur und der Viskosität der eingesetzten Fluide ist es somit möglich, den Druck im Durchtrittsraum 7 der erfindungsgemäßen Einkoppelvorrichtung zu regeln, so dass ein kontinuierlicher, dauerhafter und zuverlässiger Betrieb der Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung gewährleistet werden kann, wobei der apparative Aufwand gegenüber dem gemäß dem Stand der Technik geringer gehalten ist.
Bezugszeichenliste

1: Einkoppelvorrichtung
2: Laserstrahl
3: Flüssigkeitsstrahl
4: Gehäuse
5: Flüssigkeitsdüse
6: Austrittsöffnung
7: Durchtrittskammer
8: Drosselbohrung
9: Druckkammer
10: Insert
11: Gasaustrittsdüse
12: Werkstück
13: Kavität
14: Werkstückoberfläche
15: Flüssigkeitskammer
16: Schutzfenster
17: Gasstrahl/Airjet
18: zu verdrängende Flüssigkeit
19: Gasquelle Airjet
20: Gasquelle Hilfsgas
21: Hilfsgasstrom

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1833636 B1 [0003]
WO 2015087209 A2 [0005, 0007]

Claims

Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung mit einer Einkoppelvorrichtung (1) zum Einkoppeln eines fokussierten Laserstrahls (2) in einen Flüssigkeitsstrahl (3) definierten Querschnittes, aufweisend: eine in einem Gehäuse (4) angeordnete Flüssigkeitsdüse (5) zur Ausbildung des Flüssigkeitsstrahls (3); und eine in dem Gehäuse (4) angeordnete Austrittsöffnung (6), durch welche der Flüssigkeitsstrahl (3) aus dem Gehäuse (4) austritt und deren Querschnitt größer als der Querschnitt des Flüssigkeitsstrahls (3) ist; und eine zwischen der Flüssigkeitsdüse (5) und der Austrittsöffnung (6) angeordnete Durchtrittskammer (7) für den Flüssigkeitsstrahl (3); dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine mit der Durchtrittskammer (7) strömungsverbundene Drosselbohrung (8), an deren durchtrittskammerabgewandter Seite ein Gas in einer Druckkammer (9) mit einem Druck größer als in der Durchtrittskammer (7) anliegt, und ein aus dem Querschnitt der Austrittsöffnung (6) vermindert um den Querschnitt des Flüssigkeitsstrahles (3) gebildeter resultierender Austrittsöffnungsquerschnitt derart dimensioniert sind, dass in der Durchtrittskammer (7) kein Überdruck gegenüber dem Druck in der Druckkammer (9) herrscht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas über einen mittels eines im Gehäuse (4) angeordneten Inserts (10) von der Durchtrittskammer (7) abgetrennten Durchtrittsbereich außerhalb von der Austrittsöffnung (6) – den Flüssigkeitsstrahl (3) umgebend – in der Art eines Airjets aus dem Gehäuse (4) mit einer derartigen kinetischen Energie austritt, dass an einem Bearbeitungsort des Laserstrahls (2) an einem Werkstück (12) eine selbst in Kavitäten (13) vorhandene Flüssigkeit vom Bearbeitungsort des Laserstrahles (2) verdrängbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der resultierende Austrittsöffnungsquerschnitt größer als der Querschnitt der zumindest einen Drosselbohrung (8), insbesondere doppelt so groß wie dieser, ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass vier Drosselbohrungen (8), insbesondere gleichen Querschnitts, vorhanden sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckkammer (9) eine konzentrisch zur Austrittsöffnung im Insert (10) ausgebildete Gasaustrittsdüse (11) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Drosselbohrung (8) und der resultierende Austrittsöffnungsquerschnitt derart dimensioniert sind, dass in der Durchtrittskammer (7) gegenüber dem Außendruck kein Unterdruck herrscht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Drosselbohrung (8) und der resultierende Austrittsöffnungsquerschnitt derart dimensioniert sind, dass in der Durchtrittskammer (7) ein Unterdruck herrscht, welcher nicht unter einen definierten kritischen Wert fällt.
Verfahren zum Einstellen eines Druckes in einer zwischen einer Flüssigkeitsdüse (5) zur Erzeugung eines Flüssigkeitsstrahles (3) und einer Austrittsöffnung (6) am Gehäuse (4) angeordneten Durchtrittskammer (7) für den Flüssigkeitsstrahl (3) einer Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung mit den Merkmalen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welcher ein einer Bearbeitung an einer Werkstückoberfläche (14) dienender Laserstrahl (2) in den Flüssigkeitsstrahl (3) eingekoppelt wird, wobei zumindest eine mit der Durchtrittskammer (7) strömungsverbundene Drosselbohrung (8) an ihrer durchtrittskammerabgewandten Seite mit einem Gas in einer Druckkammer (9) mit einem gegenüber dem Druck in der Durchtrittskammer (7) vorhandenen Überdruck beaufschlagt wird und die Durchtrittskammer (7) durch eine Austrittsöffnung (6) für den Flüssigkeitsstrahl (3) begrenzt wird, deren Austrittsöffnungsquerschnitt größer als der Querschnitt des Flüssigkeitsstrahls (3) ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck in der Durchtrittskammer (7) derart eingestellt wird, dass darin gegenüber dem Druck in der Druckkammer (9) kein Überdruck entsteht.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck in der Durchtrittskammer (7) durch Veränderung des Gasdruckes in der Druckkammer (9) eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck in der Durchtrittskammer (7) durch Veränderung des Querschnittes der Drosselbohrung (8) und/oder des Austrittsöffnungsquerschnittes eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck in der Durchtrittskammer (7) durch Veränderung der Viskosität des Gases in der Druckkammer (9) eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck in der Durchtrittskammer (7) derart eingestellt wird, dass gegenüber dem Außendruck kein Unterdruck entsteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck in der Durchtrittskammer (7) derart eingestellt wird, dass ein definierter kritischer Wert des Unterdruckes nicht unterschritten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck in der Durchtrittskammer (7) in einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 geregelt wird.