-
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schutz mindestens eines optischen oder elektronischen Bauteils vor Eindringen von Feuchtigkeit und einen Laserbearbeitungskopf mit derselben. Insbesondere ist die Vorrichtung zum Schutz eines oder mehrerer darin aufgenommener optischer oder elektronischer Bauteile ausgerichtet. Hierbei bezeichnet Laserbearbeitungskopf eine Vorrichtung zur Materialbearbeitung mittels eines Laserstrahls, vorzugsweise zum Laserschneiden oder -schneiden.
-
Bei der Materialbearbeitung mittels eines Laserstrahls, wie beispielsweise Laserschweißen oder Laserschneiden, wird der von einer Laserlichtquelle, beispielsweise dem Ende einer Laserleitfaser, austretende Laserstrahl mit Hilfe einer Strahlführungs- und Fokussierungsoptik auf das zu bearbeitende Werkstück fokussiert. Üblicherweise sind in einem Laserbearbeitungskopf diese Optiken und andere, elektronische Bauteile in einem Gehäuse verkapselt, um beispielsweise ein Eindringen und Ablagern von Fremdstoffen, wie Staub, sowie von Feuchtigkeit zu verhindern.
-
Es besteht das Problem, dass durch Mikroöffnungen bzw. ungewollte Undichtigkeiten im Gehäuse Luft mit hohem Feuchtigkeitsgehalt eindringen kann und sich das darin enthaltene Wasser innerhalb der Optik niederschlägt und nach und nach ansammelt. Dies betrifft insbesondere wassergekühlte Komponenten und deren Umgebung, z.B. Optikfassungen, Blenden, Optikgehäuse, etc.. Da bei dieser Art von Ventilation der Transport der Feuchtigkeit immer nur von Außen nach Innen stattfindet, gibt es keine Möglichkeit, ohne Öffnung des Gehäuses die Feuchtigkeit wieder zu entfernen. Ein ähnliches Problem besteht für andere feuchtigkeitsempfindliche Bauteile, z.B. Elektronikkomponenten.
-
Ein mehrteiliges Gehäuse hat die Vorteil einer flexiblen Einsetzbarkeit, eines leichten Transports, guter Zugänglichkeit zu darin aufgenommenen Komponenten, etc.. Jedoch lässt sich eine absolute Dichtigkeit zwischen den Gehäuseteilen in der Regel nicht gewährleisten, sodass insbesondere mehrteilige Gehäuse ein Problem des Feuchtigkeitsniederschlags auf darin aufgenommenen Komponenten aufweisen.
-
Es ist allgemeiner Stand der Technik, dieses Problem durch Spülen des Gehäuseinnenraums mit trockenem Gas zu umgehen. Diese Technik stellt hohe Anforderungen an die Sauberkeit des Mediums und erfordert ein hohes Maß an Sauberkeit während des Aufbaus der Maschine. Diese Voraussetzungen sind in der Praxis schwierig umzusetzen und werden deshalb bei fasergeführten Laseranlagen nur selten eingesetzt.
-
DE 8914781 U1 beschreibt eine Feuchtigkeitssperre für ein geschlossenes Gehäuse für elektrische Schaltungen, bei dem in einer Gehäuseöffnung ein Verschlusskörper mit einer gasdurchlässigen, flüssigkeitsdichten Membran angeordnet ist. An dem Verschlusskörper ist ein Silikagel-Stück angeordnet, welches Feuchtigkeit absorbiert.
-
DE 102016101962 A1 beschreibt eine Entfeuchtungsvorrichtung für ein Gehäuse, insbesondere ein Elektronikgehäuse eines Elektromotors, mit einer eine Wandung aufweisenden Entfeuchtungskammer, innerhalb der hygroskopisches Material aufgenommen ist. Eine Wandung der Entfeuchtungskammer umfasst eine innere dampfdurchlässige Membran, die mit dem Aufnahmeinnenraum des Gehäuses in Verbindung ist, und eine äußere Membran, die mit der Außenumgebung des Gehäuses in Verbindung ist.
-
Aus der
DE 198 40 761 C1 ist des Weiteren ein feuchtigkeitsundurchlässiges Druckausgleichselement für ein eine elektronische Baugruppe aufnehmendes Gehäuse bekannt, das mikrofeine Öffnungen in der Gehäusewand umfasst, deren Durchmesser annähernd einer Maschendichte von wasserabweisenden Webstoffen entspricht und damit das Eindringen von Wassertropfen verhindert. Ein Druckausgleich jedoch ist durch diese mikrofeinen Bohrungen möglich.
-
Aus der
JP 2001-179479 A ist ferner eine Laserstrahlbearbeitungsmaschine mit einem in einem luftdichten Gehäuse verkapselten Scanner bekannt. Der Laserstrahl tritt durch ein Fenster in das Gehäuse ein und wird an einem Spiegel abgelenkt, der im Gehäuse angeordnet ist und dessen Neigungswinkel über einen Scanner Controller eingestellt wird. Anschließend tritt der abgelenkte Laserstrahl durch ein weiteres Fenster aus dem Gehäuse aus und trifft auf ein Werkstück. Um einen Feuchtigkeitsgehalt im Gehäuse konstant zu halten, ist in das Gehäuse ein Zylinder mit hygroskopischem Material eingesetzt, der zum Gehäuseinneren luftdurchlässig gestaltet ist, zur Außenseite des Gehäuses jedoch hermetisch verschlossen.
-
Nachteil dieser Lösung ist, daß zum Tausch der hygroskopischen Substanz das Gehäuse geöffnet werden muss. Da dadurch Schmutz in den Optikraum eindringen kann, ist das in schmutziger Industrieumgebung nicht möglich und erfordert die Demontage des Scanners und den Wechsel des hygroskopischen Materials unter Reinraum Bedingungen.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Schutz eines darin aufgenommenen Bauteils vor Feuchtigkeit anzugeben, die eine kompakte und einfache Anordnung aufweist und eine einfache Handhabung durch ungeschultes Personal ermöglicht.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zum Schutz mindestens eines darin aufgenommenen Bauteils, insbesondere eines optischen und/oder elektronischen Bauteils, vor Feuchtigkeit gemäß Anspruch 1 und durch einen Laserbearbeitungskopf mit derselben gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
-
Die Erfindung basiert auf der Idee, eine definierte Ventilation eines Gehäuses bereitzustellen, indem ein Ventilationsweg zwischen einer Innenseite und einer Außenseite des Gehäuses und ein mit dem Gehäuseinnenraum in Kontakt stehender Aufnahmeraum bzw. eine mit dem Gehäuseinnenraum in Kontakt stehende Aufnahmevorrichtung für feuchtigkeitsabsorbierendes Material vorgesehen ist. Vorzugsweise ist der Aufnahmeraum bzw. die Aufnahmevorrichtung im bzw. entlang des Ventilationswegs angeordnet. Somit umströmt in das Gehäuse eintretende Luft zunächst das feuchtigkeitsabsorbierende Material und wird dabei getrocknet, bevor die Luft in einen die Optik enthaltenden Innenraum des Gehäuses eindringt.
-
Erfindungsgemäß umfasst eine Vorrichtung zum Schutz mindestens eines darin aufgenommenen Bauteils, insbesondere eines optischen und/oder elektronischen Bauteils, vor Feuchtigkeit ein Gehäuse mit einem Gehäuseinnenraum zum Aufnehmen des Bauteils, einen Belüftungskanal, der den Gehäuseinnenraum mit einer Außenseite des Gehäuses verbindet, und einen Aufnahmeraum für feuchtigkeitsabsorbierendes Material, der mit dem Gehäuseinnenraum im Luftaustausch steht. Vorzugsweise ist der Aufnahmeraum entlang des Belüftungskanals angeordnet. Das Gehäuse kann auch mehrere Belüftungskanäle enthalten, die jeweils einen Aufnahmeraum aufweisen. Ebenso kann der Aufnahmeraum getrennt von dem mindestens einen Belüftungskanal vorgesehen sein und in Verbindung mit dem Gehäuseinnenraum stehen. In diesem Fall kann der Aufnahmeraum als eine separate Aufnahmevorrichtung im Gehäuse ausgebildet sein, bzw. in das Gehäuse einführbar sein. Der Belüftungskanal kann gitterähnliche Bohrungen durch die Gehäusewand enthalten. In diesem Fall kann der Belüftungskanal durch mehrere benachbarte Mikro-bohrungen umfassen.
-
Das feuchtigkeitsabsorbierende Material kann in dem Aufnahmeraum eingesetzt sein oder einsetzbar sein. Der Aufnahmeraum ist vorzugsweise so im Belüftungskanal bzw. entlang des Belüftungskanals angeordnet. Der Aufnahmeraum kann hierbei so im Belüftungskanal angeordnet sein, dass durch den Belüftungskanal durchströmende Luft im Aufnahmeraum aufgenommenes feuchtigkeitsabsorbierendes Material passiert. Der Aufnahmeraum kann einem Bereich des Belüftungskanals entsprechen oder als ein mit dem Belüftungskanal verbundener Raum ausgebildet sein. Der Belüftungskanal weist vorzugsweise für eine einfache Herstellung einen konstanten Durchmesser auf. Selbstverständlich lässt sich durch den Durchmesser des Belüftungskanals bzw. durch eine Summe der Durchmesser mehrerer Belüftungskanäle ein Belüftungsgrad des Gehäuses einstellen, abhängig von einem Volumen des Gehäuseinnenraums, von einer Anzahl von Belüftungskanälen, etc..
-
Der Gehäuseinnenraum kann durch eine Gehäusewand definiert sein, die ein Äußeres des Gehäuses bildet. Somit durchdringt der Belüftungskanal die Gehäusewand. Der Aufnahmeraum kann in der Gehäusewand angeordnet sein. Vorzugsweise ist der Aufnahmeraum als Vertiefung in der Gehäusewand ausgebildet, z.B. auf einer Außenseite des Gehäuses.
-
Das Gehäuse kann einteilig oder mehrteilig ausgebildet sein. Im Falle eines mehrteiligen Gehäuses können die einzelnen Gehäuseteile zueinander, z.B. durch Dichtungsringe, abgedichtet sein.
-
Der Belüftungskanal weist vorzugsweise eine erste Öffnung auf der Gehäuseinnenseite und mindestens eine zweite Öffnung zu einer Außenseite des Gehäuses auf. Zumindest eine der ersten und zweiten Öffnung kann durch ein Filterelement verschlossen sein. Dadurch kann Eindringen von Fremdstoffen, wie Staub, in den Gehäuseinnenraum verhindert werden. Es kann jedoch auch mindestens ein Filterelement an einer beliebigen Stelle zwischen der ersten und der zweiten Öffnung im Belüftungskanal vorgesehen sein. Vorzugsweise ist zwischen dem Aufnahmeraum und der ersten Öffnung und/oder zwischen dem im Belüftungskanal angeordneten Aufnahmeraum und der zweiten Öffnung ein Filterelement angeordnet. Wenn der Aufnahmeraum getrennt von dem Belüftungskanal vorgesehen ist, kann der Aufnahmeraum über ein Filterelement mit dem Gehäuseinnenraum in Verbindung stehen.
-
Der Aufnahmeraum kann durch einen an einer Außenseite des Gehäuses angeordneten Deckel verschließbar sein. Mit anderen Worten kann der Aufnahmeraum von einer Außenseite des Gehäuses zugänglich sein. Auf diese Weise ist ein einfaches Austauschen des feuchtigkeitsabsorbierenden Materials möglich. Der Deckel kann eine Durchgangsbohrung aufweisen, durch die der Aufnahmeraum mit der Außenseite des Gehäuses in Verbindung steht. Die Durchgangsbohrung kann einen Teil des Belüftungskanals bilden. Eine zweite Öffnung des Belüftungskanals zur Außenseite des Gehäuses kann im Deckel ausgebildet sein. Alternativ kann der Aufnahmeraum durch den Deckel luftdicht verschlossen sein. In diesem Beispiel kann der Aufnahmeraum senkrecht zum Belüftungskanal zugänglich sein.
-
Es ist ein Kontrollfenster zur optischen Kontrolle des feuchtigkeitsabsorbierenden Materials vorgesehen, beispielsweise im Deckel oder auf einer Außenseite des Gehäuses. Dadurch können Farb- bzw. Formänderungen des feuchtigkeitsabsorbierenden Materials festgestellt werden, um so einen Sättigungsgrad des feuchtigkeitsabsorbierenden Materials zu erkennen, ohne das Gehäuse zu öffnen. Auf diese Weise kann ein Zeitpunkt für einen notwendigen Wechsel des feuchtigkeitsabsorbierenden Materials einfach und schnell erkannt werden.
-
Im Aufnahmeraum kann eine Halterung für das feuchtigkeitsabsorbierende Material vorgesehen sein. Auf diese Weise kann das feuchtigkeitsabsorbierende Material sicher und stabil aufgenommen werden. Alternativ kann der Deckel eine Halterung aufweisen, die bei geschlossenem Deckel im Aufnahmeraum angeordnet ist. Dies ermöglicht zusätzlich ein vereinfachtes Einsetzen des feuchtigkeitsabsorbierenden Materials.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Laserbearbeitungskopf zur Materialbearbeitung mittels eines Laserstrahls angegeben, der eine Vorrichtung zum Schutz mindestens eines darin aufgenommenen Bauteils, insbesondere eines optischen und/oder elektronischen Bauteils vor Feuchtigkeit gemäß einem der vorstehenden Ausführungsformen umfasst.
-
Alle oben beschriebenen Ausführungsformen können in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden.
-
Die Erfindung wird im Folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Ansicht eines Strahlengangs in einem Laserbearbeitungskopf mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Schutz mindestens eines darin aufgenommenen Bauteils, insbesondere eines optischen und/oder elektronischen Bauteils vor Feuchtigkeit,
- 2 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Schutz vor Feuchtigkeit gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
- 3 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Schutz vor Feuchtigkeit gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
- 4 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Schutz vor Feuchtigkeit gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, und
- 5 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Schutz vor Feuchtigkeit gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.
-
In den Figuren werden einander entsprechende Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
-
In 1 ist eine Vorrichtung 100 zum Schutz mindestens eines darin aufgenommenen Bauteils 10, insbesondere eines optischen und/oder elektronischen Bauteils, vor Feuchtigkeit im Strahlengang eines Laserbearbeitungskopfes gezeigt. Ein aus einer Lichtleitfaser 16 austretender divergenter Laserstrahl wird von der Kollimatoroptik 17 in einen parallelen bzw. kollimierten Laserstrahl 14 umgeformt, der von der Fokussierlinse 15 auf ein Werkstück 18 fokussiert wird. Die Vorrichtung 100 weist hierbei entlang der optischen Achse OA Fenster 40 auf, durch die der Laserstrahl durch ein Gehäuse 30 der Vorrichtung 100 hindurch treten kann. Das Gehäuse 30 bildet in diesem Beispiel das Gehäuse des Laserbearbeitungskopfes. Jedoch kann das Gehäuse 30 auch nur einen Teil des Kopfgehäuses bilden oder darin integriert sein. Das Gehäuse 30 kann einteilig oder, wie in 1 angedeutet, mehrteilig ausgebildet sein. Bei einem mehrteiligen Gehäuse 30 sind die einzelnen Gehäusemodule bzw. -teile miteinander luftdicht verbunden. Das Gehäuse 30 kann aus Aluminium oder Edelstahl sein.
-
Die Vorrichtung 100 kann diverse Optiken 10 enthalten, wie beispielsweise eine Kollimatoroptik 17, eine Fokussierlinse 15, eine Strahlformungsoptik, eine Blende, eine Linse, eine Linsengruppe, ein Linsenarray, einen Homogenisierer, ein diffraktives optisches Element, ein Axikon, ein Axikonarray, eine facettierte Optik und ähnliches.
-
In 2 ist eine Vergrößerung des Ausschnitts A aus 1 der Vorrichtung 100 gezeigt. Durch eine Gehäusewand 31 des Gehäuses 30 führt ein Belüftungskanal 60, der eine innenseitige erste Öffnung 61 und eine außenseitige zweite Öffnung 62 aufweist. Zumindest eine der ersten und zweiten Öffnung 61, 62 kann mit einem Filterelement 71 bzw. 72 verschlossen sein, so dass ein Eindringen von Staub und anderen Fremdpartikeln durch den Belüftungskanal 60 verhindert wird. In dem Belüftungskanal 60 kann feuchtigkeitsabsorbierendes Material 20, z.B. Silicagel, angeordnet sein. In diesem Ausführungsbeispiel dient also der Belüftungskanal 60 als Aufnahmeraum 80 für das feuchtigkeitsabsorbierende Material 20. Hierbei ist das feuchtigkeitsabsorbierende Material 20 vorzugsweise so im Belüftungskanal 60 angeordnet, dass in das Gehäuse 30 einströmende Luft möglichst großflächig mit dem feuchtigkeitsabsorbierenden Material 20 in Kontakt kommt. Auf diese Weise wird in das Gehäuse 30 einströmende Luft entfeuchtet und durch andere Undichtigkeiten des Gehäuses 30 eintretende Luft, die Feuchtigkeit enthält, verdrängt bzw. kompensiert. Der Belüftungskanal 60 kann einen konstanten Durchmesser, beispielsweise mit einem rechteckigen oder runden Querschnitt, aufweisen.
-
In 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Gestaltung des Belüftungskanals 60 gezeigt. Der durch die Gehäusewand 31 durchführende Belüftungskanal 60 weist eine innenseitige erste Öffnung 61 auf und endet auf einer Außenseite der Gehäusewand 31 in einen aufgeweiteten Bereich, dem Aufnahmeraum 80. Der Aufnahmeraum 80 kann somit als Teil des Belüftungskanals 60 betrachtet werden. Der Aufnahmeraum 80 bzw. der Belüftungskanal 60 kann durch einen Deckel 90 geöffnet und verschlossen werden. Auf diese Weise kann feuchtigkeitsabsorbierendes Material 20 eingesetzt bzw. ausgewechselt werden, ohne das Gehäuse 30 öffnen zu müssen. Dadurch wird ein Verschmutzen des Gehäuseinnenraums verhindert und eine einfache Handhabung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gewährleistet. Der Deckel 90 ist vorzugsweise auf einer Außenseite des Gehäuses 30 angeordnet. Der Deckel kann eine Durchgangsbohrung 91 aufweisen und somit bei geschlossenem Deckel 90 die zweite außenseitige Öffnung 62 des Belüftungskanals 60 bilden. Zwischen der ersten Öffnung 61 des Belüftungskanals 60 und dem Bereich, in dem das feuchtigkeitsabsorbierende Material 20 angeordnet ist, und/oder zwischen eben diesem Bereich und der zweiten Öffnung 62 kann ein Filterelement 71 bzw. 72 angeordnet sein. Mit anderen Worten kann die Durchgangsbohrung 91 ein Filterelement 72 aufweisen. Das Filterelement 71 bzw. 72 kann ebenfalls durch Öffnen des Deckels ausgetauscht werden. Ferner kann der Deckel ein Kontrollfenster 95 aufweisen, durch das beispielsweise ein Farbumschlag eines Feuchtigkeitsindikators, oder eine Farb- bzw. Formänderung des feuchtigkeitsabsorbierenden Materials 20 erkannt werden kann. Um den Deckel 90 dicht auf das Gehäuse 30 aufzusetzen, kann ein O-Ring 92 zwischen dem Deckel 90 und der Gehäusewand 31 vorgesehen sein.
-
In 4 ist eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels aus 3 gezeigt. Hier befindet sich der Belüftungskanal 60 an einer Ecke des Gehäuses 30. Der Aufnahmeraum 80 für das feuchtigkeitsabsorbierende Material 20 ist wieder als Erweiterung des Belüftungskanals 60 in der Gehäusewand 31 ausgebildet. Der Aufnahmeraum 80 ist in einer Richtung senkrecht zu einer Luftstromrichtung durch den Belüftungskanal 60 von einer Außenseite des Gehäuses 30 zugänglich. Der Aufnahmeraum 80 kann durch einen Deckel 90 verschlossen werden. Der Deckel 90 kann so ausgebildet sein, wie in 3 dargestellt. Eine weitere Gestaltungsform ist in 4 gezeigt, wobei der Deckel 90 ein Kontrollfenster 95 sowie eine Halterung 50 aufweist, durch die das feuchtigkeitsabsorbierende Material 20 stabil im Aufnahmeraum 80 gehalten werden kann. Selbstverständlich kann eine solche Halterung 50 auf ähnliche Weise auch an dem in 3 dargestellten Deckel 90 ausgebildet sein. Eine weitere Möglichkeit ist, die Halterung 50 im Aufnahmeraum selbst vorzusehen. Vorzugsweise ist die Halterung 50 so gestaltet, dass eine möglichst große Fläche des feuchtigkeitsabsorbierenden Materials 20 für den Feuchtigkeitsaustausch zur Verfügung steht. Beispielsweise kann die Halterung 50 eine Vielzahl von Blattfedern umfassen, zwischen die das feuchtigkeitsabsorbierende Material 20 eingeklemmt werden kann.
-
In 5 ist eine Abwandlung des in 4 gezeigten Ausführungsbeispiels dargestellt. Hier ist der Aufnahmeraum 80 getrennt von dem Belüftungskanal 60 vorgesehen. Zur Außenseite des Gehäuses 30 kann der Aufnahmeraum 80 luftdicht durch einen Deckel 90 verschließbar sein. Der Aufnahmeraum 80 kann ebenfalls über ein Filterelement (nicht gezeigt) mit dem Gehäuseinnenraum in Verbindung stehen, sodass bei Öffnen des Aufnahmeraums 80 keine Fremdstoffe in das Gehäuseinnere dringen können. Der Aufnahmeraum 80 kann durch die Halterung 50 definiert sein.
-
Erfindungsgemäß wird ein Gehäuse für eine Optik bereitgestellt, wobei durch gezieltes Ventilieren von trockener Luft in das Gehäuse eine trockene und saubere Umgebung der Optik gewährleistet werden kann. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das feuchtigkeitsabsorbierende Material 20, das im Belüftungskanal 60 bzw. im Aufnahmeraum 80 angeordnet werden kann, auf einfache und unkomplizierte Weise auswechselbar. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Belüftungskanals in der Gehäusewand wird zudem weder die Stabilität noch ein Innenvolumen des Gehäuses beeinträchtigt.
