DE102017200094A1

DE102017200094A1 - Hochleistungsstrahlfalle

Info

Publication number: DE102017200094A1
Application number: DE102017200094.5A
Authority: DE
Inventors: Tobias Gerhardt
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-01-05
Filing date: 2017-01-05
Publication date: 2018-07-05
Also published as: CN108279449A; CN108279449B

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Hochleistungsstrahlfalle, insbesondere für Laserstrahlung, mit einem Absorptionskörper, der keilförmige Rippen aufweist, welche eine Absorptionsfläche für Strahlung ausbilden, und mit einer beabstandet zu den keilförmigen Rippen angeordneten und der Absorptionsfläche zugewandten Reflektionsfläche. Dabei ist es vorgesehen, dass zumindest innerhalb eines Teils der keilförmigen Rippen Kühlkanäle angeordnet sind, welche sich in Längserstreckung der keilförmigen Rippen jeweils zumindest über einen Teilbereich der keilförmigen Rippen erstreckenDie Hochleistungsstrahlfalle ermöglicht bei kompakten Aufbau die Absorption von Laserstrahlung hoher Energie..

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Hochleistungsstrahlfalle, insbesondere für Laserstrahlung, mit einem Absorptionskörper, der keilförmige Rippen aufweist, welche eine Absorptionsfläche für Strahlung ausbilden, und mit einer beabstandet zu den keilförmigen Rippen angeordneten und der Absorptionsfläche zugewandten Reflektionsfläche.
Strahlfallen werden bei Laserprozessen verwendet. Sie dienen dabei der Aufnahme der Laserstrahlung, während der Laser nicht auf das Werkstück gerichtet ist. Aufgabe der Strahlfalle ist es dabei, die Strahlung des Lasers möglichst vollständig zu absorbieren. Hierfür sind die Geometrie, das Material, die Oberflächenbeschaffenheit und die Kühlung der Strahlfalle entscheidend. Es sind unterschiedliche Konzepte zur Realisierung dieser Eigenschaften bekannt. So sind Strahlfallen im Einsatz, welche zwei nacheinander in einem Winkel zueinander angeordnete, keilförmige oder konische Ausnehmungen aufweisen. Auch werden spiralförmig verlaufende Hohlräume verwendet. Diese Geometrien führen dazu, dass die Strahlung im Inneren der Strahlfalle mehrfach reflektiert und dabei absorbiert wird. Für die Herstellung der Strahlfallen werden verschiedene Materialien verwendet. Diese weisen hohe Absorptionsgrade und gute Wärmeleitfähigkeit auf. Um die Absorption weiter zu verbessern kann eine Beschichtung oder eine Bearbeitung der Oberfläche der Strahlfalle vorgesehen sein. Beispielsweise kann dies durch Einbringung gezielter Defekte, beispielsweise durch lonenbeschuss, oder Aufbringung einer schwarzen Oxidschicht erfolgen. Zur Abführung der in Wärmeenergie umgesetzten Strahlungsleistung ist es bekannt, eine Luft- oder Fluidkühlung vorzusehen. Die Luftkühlung kann dabei durch außen an der Strahlfalle angebrachte Kühlrippen verbessert werden. Für eine effiziente Fluidkühlung können Kühlleitungen die Strahlfalle umschlingen oder durch dies geführt sein.
Die DE 10 2010 036 161 B4 zeigt eine Strahlfalle, insbesondere für Laserstrahlung. Ein erster Reflektor ist als Konus ausgebildet, der umlaufend zu seiner Mantelfläche von einem zylinderförmigen zweiten Reflektor umgeben ist. Die Spitze des Konus ist zu dem zu absorbierenden Laserstrahl hin ausgerichtet. Der zweite Reflektor weist dem konischen ersten Reflektor zugewandt eine rillenförmige Oberfläche zu. Die Rillen sind dergestalt, dass sich die Rillenbereite in radialer Richtung verjüngt. Sie sind umlaufend zu einer Mittenachse und somit zu dem ersten Reflektor ausgebildet. Sowohl der erste wie auch der zweite Reflektor können mit einer auf die Wellenlänge des Lasers abgestimmten, absorbierenden Beschichtung versehen sein. Ein einfallender Laserstrahl wird von dem konischen ersten Reflektor auf den zweiten Reflektor gelenkt. Die Rillen sind so geformt, dass der Laserstrahl durch eine Mehrfachreflektion zwischen den die Rillen begrenzenden Stegen zurück zu dem ersten Reflektor gelenkt wird. Dabei ist durch die Formgebung der Rillen der reflektierte Strahl so gelenkt, dass er weiter in das Innere der Strahlfalle verläuft. Dabei wird der Strahl zwischen dem ersten und dem umlaufenden zweiten, gerillten Reflektor reflektiert. Durch diese Mehrfachreflektion zwischen den beiden absorbierend beschichteten Reflektoren wird ein Großteil der Strahlungsenergie des Lasers absorbiert. Die Laserleistung wird somit von den keilförmig ausgebildeten, umlaufend ausgerichteten Stegen aufgenommen und nach außen abgeleitet. Nachteilig kann nur eine geringe Leistung auf diese Weise an die Umgebung abgeführt werden, ohne dass sich die Strahlfalle zu stark aufheizt, so dass die Strahlfalle nur für Laser mit einer vergleichsweise geringen Strahlungsleistung einsetzbar ist. Weiterhin ist die Herstellung der an dem Innendurchmesser des zweiten Reflektors angebrachten, umlaufenden Rillen aufwändig.
Die US 4,864,098 zeigt eine Strahlfalle mit einem vergleichbaren Aufbau wie die DE 10 2010 036 161 B4 , wobei hier der äußere, zylinderförmige zweite Reflektor keine Rillen aufweist. Ein einfallender Laserstrahl wird somit zwischen einem zentralen, kegelförmigen Reflektor und dem umlaufenden, zylinderförmigen Reflektor mehrfach reflektiert. Durch eine absorbierende Ausführung der beiden Reflektoren wird die einfallende Strahlung absorbiert. Umlaufend zu dem zylinderförmigen Reflektor ist ein Metallzylinder angeordnet, der mit dem zylinderförmigen Reflektor in wärmeleitendem Kontakt steht und der an seiner Außenfläche geführte Kühlmittelleitungen trägt. Die durch die Absorption der Strahlung an beiden Reflektoren entstehende Wärmeenergie kann so durch ein in den Kühlmittelleitungen zirkulierendes Kühlmittel abgeleitet werden kann. Durch die nicht strukturierte Oberfläche insbesondere des zweiten Reflektors ist die Anzahl der Reflektionen, die ein einfallen der Laserstrahl erfährt, vergleichsweise gering. Es gelangt somit ein beträchtlicher Anteil der einfallenden Laserstrahlung wieder aus der Strahlfalle.
Eine in der DE 20 2011110 151 U1 beschriebene Strahlfalle ist in Form einer Kühlzelle ausgebildet. Ein zu absorbierender Laserstrahl kann durch ein Eintrittsfenster, beispielsweise aus Quarz, in die Kühlzelle einfallen. Der Strahl wird innerhalb der Kühlzelle zwischen zwei gegenüberliegend angeordneten Wandungen, welche die Einhausung der Kühlzelle darstellen, mehrfach reflektiert. Durch die Kühlzelle wird eine absorbierende Kühlflüssigkeit geleitet. Der mehrfach reflektierte Laserstrahl durchläuft somit wiederholt die absorbierende Kühlflüssigkeit und wird von dieser absorbiert. Die entstandene Wärmeenergie wird von der Kühlflüssigkeit abtransportiert. Dadurch wird eine gute Ableitung der Wärmeenergie erreicht. Der Absorptionsgrad der Kühlflüssigkeit ist jedoch vergleichsweise gering, so dass ein beträchtlicher Anteil der eingeleiteten Strahlung die Strahlfalle wieder verlassen kann. Weiterhin wird ein betraächtlich4er Anteil der Laserstrahlung an dem Eintrittsfenster reflektiert.
Bekannte Strahlfallen weisen somit eine Reihe von Mängeln auf, beispielsweise dass eine aufwändige Bearbeitung der Oberfläche zur Verbesserung der Absorptionseigenschaften erforderlich ist. Je nach Geometrie der Strahlfalle werden große Anteile der Strahlungsleistung wieder aus der Strahlfalle emittiert. Um den absorbierten Strahlungsanteil zu erhöhen werden komplizierte Geometrien der Strahlfallen vorgesehen, welche nur mit hohem Fertigungsaufwand herstellbar sind. Für die Absorption hoher Strahlungsleistungen sind große Oberflächen notwendig. Dies führt zu großvolumigen Strahlfallen. Bei einer vorgesehenen Luftkühlung kann nur eine geringe Leistung über die Kühlung abgeführt werden, da die Kühloberfläche klein im Vergleich zum Volumen der Strahlfalle ist. Bei einer Fluidkühlung sind die Strahlfallen aus mehreren Elementen aufgebaut. Diese sind aufwändig zu montieren und müssen gegeneinander abgedichtet werden.
Es ist somit Aufgabe der Erfindung, eine Hochleistungsstrahlfalle bereitzustellen, welche hohe Strahlungsleistungen möglichst vollständig absorbieren kann.
Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass zumindest innerhalb eines Teils der keilförmigen Rippen Kühlkanäle angeordnet sind, welche sich in Längserstreckung der keilförmigen Rippen jeweils zumindest über einen Teilbereich der keilförmigen Rippen erstrecken. Die Energie der von der Absorptionsfläche der keilförmigen Rippen aufgenommenen Laserstrahlung kann so effizient von einem Kühlmittel, welches durch die Kühlkanäle geleitet wird, abgeführt werden. Die keilförmigen Rippen werden somit gleichzeitig zur Leistungsaufnahme und zur Leistungsabführung verwendet. Durch die keilförmige Geometrie der Rippen wird der Laserstrahl vielfach reflektiert. Bei jeder Reflektion wird ein Großteil der Strahlungsenergie absorbiert und an die Kühlflüssigkeit abgeleitet. Dadurch weist die Hochleistungsstrahlfalle einen hohen Absorptionsgrad auf und es können große Leistungen absorbiert und abgeführt werden, ohne die Hochleistungsstrahlfalle zu beschädigen. Die Größe der Absorptionsfläche wird durch die keilförmigen Rippen deutlich erhöht. dies hat zur Folge, dass die Bestrahlungsdichte auf der Absorptionsfläche reduziert wird. Dadurch können von der Hochleistungsstrahlfalle bei gleichen Abmessung im Vergleich zu einer Strahlfalle ohne keilförmige Rippen Laserstrahlen mit einer größeren Leistungsdichte absorbiert werden. Die äußeren Abmessungen der Hochleistungsstrahlfalle kann auch bei hohen zu absorbierende Laserleistungen klein gehalten werden.
Eine hohe Absorptionsgrad für auftreffende Laserstrahlung kann dadurch erreicht werden, dass die keilförmigen Rippen entlang ihrer Längserstreckung seitlich zueinander angeordnet sind und/oder dass die keilförmigen Rippen entlang ihrer Längserstreckung in Richtung zu einer Strahleintrittsöffnung der Hochleistungsstrahlfalle ausgerichtet sind. Eintretende Laserstrahlung trifft so in Richtung der Längserstreckung der keilförmigen Rippen auf deren Flanken. Sie wird zwischen den benachbarten Flanken mehrfach reflektiert, wodurch ein großer Anteil der eingestrahlten Laserstrahlung absorbiert wird. Zurückgeworfene Laserstrahlung wird von der gegenüberliegenden Reflektionsfläche wieder auf die Absorptionsfläche und damit auf die Flanken der keilförmigen Rippen gelenkt und dort entsprechend weiter absorbiert.
Entsprechend einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die keilförmigen Rippen zur Reflektionsfläche hin weisend jeweils durch eine spitz zulaufende Kante abgeschlossen sind und dass zwischen den keilförmigen Rippen spitz zulaufender, keilförmiger Rillen ausgebildet sind. Durch die scharfkantig ausgeführten Rippen und Rillen trifft nur ein sehr geringer Anteil der einfallenden Strahlung direkt auf die Kanten der Rippen bzw. auf den jeweils niedrigsten Punkt der Rillen, von wo aus der nicht absorbierte Anteil ohne Mehrfachreflektion zurückgeworfen werden kann. Der überwiegende Anteil der Strahlung trifft auf die Flanken der keilförmigen Rippen und wird entsprechend mehrfach reflektiert. Dadurch wird ein sehr hoher Absorptionsgrad erreicht.
Ist es vorgesehen, dass die Reflektionsfläche schräg zu den keilförmigen Rippen verlaufend ausgerichtet ist, dass die Reflektionsfläche im Bereich der Strahleintrittsöffnung den größten Abstand zu den keilförmigen Rippen aufweist und dass sich der Abstand in Ausbreitungsrichtung der Strahlung zum Inneren der Hochleistungsstrahlfalle hin verringert, so werden die durch die Strahleintrittsöffnung eintretende Strahlung sowie von der Absorptionsfläche nicht absorbierte und damit rückgestrahlte Strahlungsanteile von der gegenüberliegenden Reflektionsfläche sicher und nahezu vollständig zu der Absorptionsfläche zurückreflektiert und dort durch die beschriebene Mehrfachreflektion an den Flanken der keilförmigen Rippen absorbiert. Laserstrahlung, welche aufgrund des Eintrittswinkels des Laserstrahls in die Hochleistungsfalle zunächst auf die Reflektionsfläche trifft, wird sicher zu der Absorptionsfläche geleitet. Die schräg angeordnete Reflektionsfläche gewährleistet somit, dass die einfallende Laserstrahlung unabhängig von deren Einfallswinkel nahezu vollständig zu der Absorptionsfläche gelenkt und entsprechend absorbiert wird.
Vorzugsweise kann es vorgesehen sein, dass die Reflektionsfläche die keilförmigen Rippen gegenüberliegend zu der Strahleintrittsöffnung schräg zulaufend abschließt. Zwischen der Absorptionsfläche und der Reflektionsfläche geführte Laserstrahlung kann so die Hochleistungsstrahlfalle an deren Ende nicht verlassen und wird sicher absorbiert.
Eine hohe Absorption der Hochleistungsfalle für Laserstrahlung kann dadurch erreicht werden, dass die Reflektionsfläche gerichtet reflektierend ausgeführt ist und/oder dass die Reflektionsfläche teilabsorbierend ausgeführt ist. Durch die gerichtete Reflektion der Reflektionsfläche wird die einfallende Laserstrahlung sicher auf die Absoptionsfläche gelenkt. Ist die Reflektionsfläche teilabsorbierend ausgeführt, wird bei jeder Reflektion des Laserstrahls an der Reflektionsfläche ein Teil der Strahlungsleistung absorbiert. Da die Reflektionsfläche nicht durch ein Kühlmittel gekühlt ist, ist der Absorptionskoeffizient der Reflektionsfläche vorzugsweise so gering gehalten, dass keine übermäßige Erwärmung der Reflektionsfläche auftritt. Durch eine entsprechende Auswahl des Werkstoffs der Reflektionsfläche kann die darin anfallende Wärmeenergie über Konduktion an einen Kühlkörper abgeführt werden. Ein solcher Kühlkörper kann beispielsweise durch zusätzliche, an den Außenseiten des Absorptionskörpers angebrachte Kühlflächen gebildet sein.
Entsprechend einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass der Absorptionskörper als Sinterkörper, insbesondere als Sinterkeramik, Sinterglaskeramik oder Sintermetall, ausgeführt ist und/oder dass der Absorptionskörper mittels Lasersintern hergestellt ist. Sinterkörper weisen eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf. Dadurch kann eine hohe, durch die Absorption der Laserstrahlung entstehende Wärmeleistung an das Kühlmittel abgeführt werden. Die Hochleistungsstrahlfalle kann entsprechend kompakt aufgebaut werden. Sinterkörper weisen weiterhin eine ausreichend hohe mechanische und thermische Beständigkeit auf. Durch die Herstellung des Absorptionskörpers mittels Lasersintern können die komplexen Strukturen des Absorptionskörpers einfach und kostengünstig gefertigt werden.
Eine effiziente Kühlung der Hochleistungsstrahlfalle kann dadurch erreicht werden, dass der Absorptionskörper einen Kühlmittelzulauf und einen Kühlmittelablauf aufweist, welche über die Kühlkanäle in strömungsleitender Verbindung stehen. Ein flüssiges Kühlmittel kann somit über den Kühlmittelzulauf den Kühlkanälen zugeführt und über den Kühlmittelablauf wieder abgeführt werden.
Der größte Anteil der Strahlungsleistung wird im vorderen Bereich der Hochleistungsstrahlfalle nach der Strahleintrittsöffnung absorbiert. Um in diesem Bereich eine effiziente Kühlung zu ermöglichen kann es vorgesehen sein, dass der Kühlmittelzulauf der Strahleintrittsöffnung zugewandt und der Kühlmittelablauf der Strahleintrittsöffnung abgewandt an dem Absorptionskörper angeordnet, insbesondere angeformt, sind, dergestalt, dass ein Kühlmittel die Kühlkanäle in Richtung der Strahlausbreitung durchströmt. Im vorderen Bereich der Hochleistungsstrahlfalle weiß das Kühlmittel somit eine sehr niedrige Temperatur auf, was den Übergang einer hohen Wärmeleistung ermöglicht.
Vorzugsweise kann es vorgesehen sein, dass die Kühlkanäle parallel oder in Reihe miteinander verbunden sind. Bei einer Parallelschaltung der Kühlkanäle kann eine sehr hohe Kühlleistung erreicht werden, während bei einer Reihenschaltung der Kühlmittelverbrauch und damit die Betriebskosten der Hochleistungsstrahlfalle gering gehalten werden.
Entsprechend einer Ausführungsvariante der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass der Absorptionskörper zumindest die keilförmigen Rippen, die Kühlkanäle, den Kühlmittelzulauf und den Kühlmittelablauf umfasst und dass der Absorptionskörper einteilig ausgeführt ist. Die einteilige Ausführung des Adoptionskörpers ermöglicht eine einfache und schnelle Montage der Hochleistungsstrahlfalle. Dabei ist der Kühlmittelkreislauf bereits in dem Absorptionskörper integriert, wodurch ein guter Wärmeübergang von der Absorptionsfläche zu dem Kühlmittelkreislauf gewährleistet ist. Der Kühlmittelkreislauf ist einstückig ausgeführt, so dass innerhalb der Hochleistungsstrahlfalle keine Übergänge zwischen verschiedenen, kühlmittelführenden Bauelementen gebildet sind und auf Dichtelemente verzichtet werden kann. Dadurch können Leckagen sicher vermieden werden. Ist der Absorptionskörper durch Lasersintern hergestellt, können zumindest die keilförmigen Rippen, die Kühlkanäle, der Kühlmittelzulauf und der Kühlmittelablauf in einem Herstellungsprozess gefertigt werden.
Ein ausreichend großer Kühlmitteldurchfluss kann dadurch erreicht werden, dass sich die Kühlkanäle jeweils in ihrem Querschnitt von den keilförmigen Rippen bis in einen Grundkörper des Absorptionskörpers, an den die keilförmigen Rippen angeformt sind, erstrecken. Die keilförmigen Rippen können zur Absorption der Laserstrahlung optimiert ausgeführt und dimensioniert werden. Der erforderliche Querschnitt der Kühlkanäle zur Führung einer ausreichend großen Menge an Kühlflüssigkeit kann erreicht werden, indem ein Teil des Querschnitts der Kühlkanäle in dem Grundkörper des Absorptionskörpers angeordnet ist.
Besonders bevorzugt kann es vorgesehen sein, dass die Kühlkanäle auf ihren der Absorptionsfläche zugewandten Seiten jeweils keilförmig ausgebildet sind. Die Kühlkanäle können so dicht an die Flanken der keilförmigen Rippen und damit an die Absorptionsfläche herangeführt werden. Die durch die Absorption der Strahlung entstehende Wärmeenergie kann dadurch auf einer großen Fläche und über eine kurze Strecke an das in den Kühlkanälen geführte Kühlmittel abgeleitet werden. Dadurch wird eine effiziente Kühlung der Hochleistungsstrahlfalle ermöglicht.
Die Absorption der Hochleistungsstrahlfalle kann dadurch verbessert werden, dass die Absorptionsfläche eine absorbierende Beschichtung aufweist. Durch die Verwendung einer absorbierenden Beschichtung kann das Material, aus welchem der Absorptionskörper gefertigt ist, unabhängig von dessen Absorptionseigenschaften ausgewählt werden. Damit kann durch die Wahl des Materials für den Absorptionskörper beispielsweise dessen Wärmeleitfähigkeit optimiert werden. Es kann so sowohl eine hohe Absorption der Strahlung als auch eine effiziente Kühlung der Hochleistungsstrahlfalle erreicht werden. Die Hochleistungsstrahlfalle kann entsprechend kompakt aufgebaut werden, da bereits wenige Reflektionen der Strahlung auf der Absorptionsfläche zu fast vollständigen Absorption der Laserstrahlung führen und die auf kleinem Raum anfallende Wärmeenergie dennoch abgeführt werden kann.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

1 in einer seitlichen Schnittdarstellung eine Hochleistungsstrahlfalle und
2 in einer Schnittdarstellung einen Absorptionskörper der in 1 gezeigten Hochleistungsstrahlfalle.

1 zeigt in einer seitlichen Schnittdarstellung eine Hochleistungsstrahlfalle 10 gemäß der vorliegenden Erfindung. Sie weist einen Absorptionskörper 20 auf, der von einem Gehäuse 30 abgedeckt ist.
Der Absorptionskörper 20 weist einen Grundkörper 21 auf, an den keilförmige Rippen 24 angeformt sind, wie dies näher aus 2 zu entnehmen ist. Die Oberfläche der keilförmigen Rippen 24 bildet eine Absorptionsfläche 26 aus. Gegenüberliegend zu den keilförmigen Rippen 24 sind ein Einlaufstutzen 22 und ein Auslaufstutzen 23 an den Grundkörper 21 angeformt. Der Einlaufstutzen 22 bildet einen Kühlmittelzulauf 42 und der Auslaufstutzen 23 einen Kühlmittelablauf 43 eines Kühlkreislaufes 40 aus.
Das Gehäuse 30 überdeckt den Absorptionskörper 20 auf Seiten der keilförmigen Rippen 24. Ein Gehäusedeckel 33 des Gehäuses 30 ist geneigt zu der Absorptionsfläche 26 ausgerichtet. Er bildet den keilförmigen Rippen zugewandt eine Reflektionsfläche 33.1 aus. Eine Vorderseite 31, ein Gehäuseabschluss 34 und zwei gegenüberliegend angeordnete Seitenwände 35 erstrecken sich von dem Gehäusedeckel 33 zu dem Absorptionskörper 20. Dabei umgreifen die Vorderseite 21, der Gehäuseabschluss 34 und die Seitenwände 35 den Absorptionskörper 20 an dessen Außenseiten. Die Vorderseite 21 liegt an einer vorderen Anlagefläche 21.4, der Gehäuseabschluss 34 an einer hinteren Anlagefläche 21.3 und die Seitenwände 35 an in 2 gezeigten Seitenflächen 21.2 des Absorptionskörpers 20 an. In die Vorderseite 31 des Gehäuses 30 ist eine Strahleintrittsöffnung 32 eingebracht. Das Gehäuse 30 und der Absorptionskörper 20 bilden so einen Hohlraum aus, der lediglich durch die Strahleintrittsöffnung 32 geöffnet ist. Im Bereich der Vorderseite 31 ist der Abstand zwischen der Reflektionsfläche 33.1 und der Absorptionsfläche 26 am größten. Durch die schräge Anordnung des Gehäusedeckels 33 verringert sich dieser Abstand stetig bis zum hinteren Abschluss der Hochleistungsstrahlfalle 10. Im hinteren Bereich der Hochleistungsstrahlfalle 10 weisen die keilförmigen Rippen 24 und der Grundkörper 21 des Absorptionskörpers 20 eine Abschrägung auf. Sie bilden so eine Anlageschräge 21.5 aus, an welcher der hintere Abschnitt des Gehäusedeckels 33 anliegt. Zwischen den keilförmigen Rippen 24 ausgebildete, ebenfalls keilförmige Rillen 27 (siehe 2) werden somit endseitig von dem schräg angeordneten Gehäusedeckel 33 abgeschlossen.
Die Laserstrahlung 11 tritt durch die Strahleintrittsöffnung 32 in die Hochleistungsstrahlfalle 10 ein.
2 zeigt in einer Schnittdarstellung den Absorptionskörper 20 der in 1 gezeigten Hochleistungsstrahlfalle 10. Dabei verläuft der Schnitt entlang der in 1 mit IV gekennzeichneten Markierung.
An den Grundkörper 21 des Absorptionskörpers 20 sind seitlich Ansätze 21.1 angeformt. Diese dienen der Auflage der Seitenwände 35 des in 1 gezeigten Gehäuses 30.Das Gehäuse 30 ist somit exakt gegenüber dem Absorptionskörper 20 ausgerichtet.
Die keilförmigen Rippen 24 sind entlang ihrer Längserstreckung in Richtung der Strahlausbreitung der einfallenden Laserstrahlung 11 ausgerichtet. Es ist denkbar, dass die Symmetrielinien der Rippen 24, wie sie bei einem Schnitt quer zur Längserstreckung der Rippen 24 von einer Grundfläche zur Spitze einer jeweiligen Rippe 24 verlaufen, auf einen Fokuspunkt bzw. eine Fokuslinie hin ausgerichtet sind. Die Rippen 24 stehen somit nicht senkrecht auf dem Absorptionskörper 20, sondern sind in Richtung des Fokuspunktes bzw. der Fokuslinie ausgerichtet. Der in 1 gezeigten Reflektionsfläche 33.1 zugewandt sind die keilförmigen Rippen 24 durch jeweils eine scharfe Kante abgeschlossen. Schräg angeordnete Flanken 24.1 der keilförmigen Rippen 24 begrenzen die zwischen den keilförmigen Rippen 24 verlaufenden, keilförmigen Rillen 27. Die keilförmigen Flanken 24.12 benachbart angeordneter, keilförmiger Rippen 27 treffen in einem spitzen Winkel aufeinander. Seitlich der keilförmigen Rippen 24 sind Randkeile 25 an den Grundkörper 21 angeformt. Die Randkeile 25 weisen gegenüber den keilförmigen Rippen 24 eine größere Höhe auf. Sie bilden den keilförmigen Rippen 24 zugewandt schräg verlaufende Randflanken 25.1 aus.
Entlang der keilförmigen Rippen 24 sind Kühlkanäle 41 in die keilförmigen Rippen 24 eingeformt. Die Querschnitte der Kühlkanäle 41 erstrecken sich dabei über den unteren Abschluss der keilförmigen Rillen 27 in den Grundkörper 21 des Absorptionskörpers 20. Die Querschnitte der Kühlkanäle 41 sind an die Geometrie der keilförmigen Rippen 24 angepasst. Sie sind somit zum oberen Abschluss der keilförmigen Rippen 24 hin spitz zulaufende ausgebildet. Die Kühlkanäle 41 stehen in strömungsleitender Verbindung zu dem in 1 gezeigten Kühlmittelzulauf 42 und Kühlmittelablauf 43.
Die Funktion der Hochleistungsstrahlfalle 10 wird nachfolgend anhand der 1 und 2 dargelegt. Zu absorbierende Laserstrahlung 11 tritt durch die Strahleintrittsöffnung 33 in die Hochleistungsstrahlfalle 10 ein. Sie trifft dabei auf die Flanken 24.1 der keilförmigen Rippen 24. Die Flanken 24.1 der keilförmigen Rippen 24 bilden die Absorptionsfläche 26 aus. Sie weisen einen entsprechend hohen Absorptionsgrad auf. Beim ersten Auftreffen der Laserstrahlung 11 wird bereits ein großer Teil der Laserstrahlung 11 absorbiert. Der nicht absorbierte Anteil der Laserstrahlung 11 wird zu einer gegenüberliegenden Flanke 24.1 der keilförmigen Rippen 24 gelenkt. An dieser wird ebenfalls ein Anteil der verbleibenden Laserstrahlung 11 absorbiert. Auf diese Weise erfolgt eine Mehrfachreflektion der Laserstrahlung 11 zwischen 2 benachbart angeordneten, keilförmigen Rippen 24, wodurch ein Großteil der Strahlungsleistung absorbiert wird. Ein nicht absorbierter Anteil der Laserstrahlung 11 wird zu der beabstandet angeordneten Reflektionsfläche 33.1 geleitet. Diese ist vorzugsweise reflektierend ausgebildet und reflektiert somit die auftreffende Laserstrahlung 11 zurück zum Absorptionskörper 20. Hier trifft sie wiederum auf die Flanken 24.1 der keilförmigen Rippen 24 und wird durch die beschriebene Mehrfachreflektion weiter absorbiert. Die höher ausgebildeten Randkeile 25 verhindern, dass ein größerer Anteil der Laserstrahlung 11 auf die Seitenwände 35 des Gehäuses 30 trifft. Durch die schräge Anordnung der Reflektionsfläche 33.1 wird die Laserstrahlung 11 immer weiter ins Innere der Hochleistungsstrahlfalle 10 geleitet. An deren innerem Ende sind die keilförmigen Rippen 24 und die dazwischen angeordneten, keilförmigen Rillen 27 durch die schräg angeordnete Reflektionsfläche 33.1 abgeschlossen. Die verbleibende Laserstrahlung 11 wird bis zum Ende der Hochleistungsstrahlfalle 10 gelenkt und dort in dem spitz zulaufenden Bereich zwischen Reflektionsfläche 33.1 und Absorptionsfläche 26 mehrfach reflektiert und dabei absorbiert. Durch den beschriebenen Aufbau der Hochleistungsstrahlfalle 10 wird somit einfallende Laserstrahlung 11 nahezu vollständig von dieser absorbiert. Dabei führen insbesondere die in Richtung der Strahlausbreitung ausgerichteten, keilförmigen Rippen 24 zu einem sehr hohen Absorptionsvermögen der Hochleistungsstrahlfalle 10.
Über den Kühlmittelzulauf 42 kann den Kühlkanälen 41 eine Kühlflüssigkeit, insbesondere Kühlwasser, zugeführt werden. Die aufgewärmte Kühlflüssigkeit kann über den Kühlmittelablauf 43 wieder abfließen. Entsprechende Zu- und Abführungen für die Kühlflüssigkeit können einfach an dem Einlaufstutzen 22 und dem Auslaufstutzen 23 montiert werden. Durch die Formgebung der Kühlkanäle 41 sind diese bis unmittelbar an die Flanken 24.1 der keilförmigen Rippen 24 herangeführt. Damit sind die Kühlkanäle 41 nur gering beabstandet zu der Absorptionsfläche 26 des Absorptionskörpers 20 angeordnet. Die zwischen der Absorptionsfläche 26 und den Kühlkanälen 41 verbleibende Materialstärke des Absorptionskörpers 20 ist gering. Dadurch kann die durch die Absorption der Laserstrahlung 11 entstehende Wärmeenergie effizient an das in den Kühlkanälen 41 geführte Kühlmittel übertragen werden.
Das Kühlmittel wird über den Kühlmittelzulauf 42 zu den Kühlkanälen 41 und von dort zu dem Kühlmittelablauf 43 geleitet. Vorliegend sind die Kühlkanäle 41 parallel zueinander geschaltet. Dies ermöglicht einen hohen Volumenstrom für das Kühlmittel, sodass eine hohe Kühlleistung erreicht wird. Vorteilhaft ist die Strömungsrichtung des Kühlmittels von der der Strahleintrittsöffnung 32 zugewandten Seite der Kühlkanäle 41 zu deren hinteren Abschlüssen im Bereich des Kühlmittelablaufs 43 hin ausgerichtet. Das Kühlmittel weist somit im vorderen Bereich der Hochleistungsstrahlfalle 10 seine niedrigste Temperatur auf. Dadurch wird im vorderen Bereich der Hochleistungsstrahlfalle 10, in welchem der größte Anteil der Laserstrahlung 11 absorbiert wird, die größte Kühlleistung bereitgestellt. Es ist jedoch auch denkbar, die Strömungsrichtung des Kühlmittels umzukehren. Dies kann sinnvoll sein, wenn aufgrund des Einfallswinkels der Laserstrahlung 11 der größte Anteil der Strahlungsleistung im hinteren Bereich der Hochleistungsstrahlfalle 10 absorbiert wird. Um dies zu erreichen kann das Kühlmittel dem Kühlmittelablauf 43 zugeführt und am Kühlmittelzulauf 42 wieder entnommen werden. Es ist weiterhin denkbar, die Kühlkanäle 41 in Reihe miteinander zu verbinden. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn vergleichsweise geringe Strahlungsleistungen absorbiert werden müssen. Durch in Reihe geschaltete Kühlkanäle 41 kann der Kühlmittelverbrauch gering gehalten werden.
Die Kühlkanäle 41 weisen einen Querschnitt auf, der bis in den Bereich des Grundkörpers 21 des Absorptionskörpers 20 reicht. Dadurch ist ein ausreichend großer Strömungsquerschnitt erreicht, um eine ausreichende Menge an Kühlmittel durch die Kühlkanäle 41 zu leiten.
Der Absorptionskörper 21 ist aus einem Material, welches eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, gefertigt. Dadurch kann die durch die Absorption der Laserstrahlung 11 entstehende Wärmeenergie größtenteils an das Kühlmittel abgeleitet werden, ohne dass sich die Absorptionsfläche 26 des Absorptionskörpers 20 übermäßig aufheizt. Der Absorptionskörper 20 ist einstückig ausgebildet. Dies ermöglicht eine einfache Montage der Hochleistungsstrahlfalle 10. Die Kühlkanäle 41 sind in dem Absorptionskörper 20 integriert und mit dem angeformten Kühlmittelzulauf 42 und Kühlmittelablauf 43 verbunden. Dadurch wird ein mehrteiliger Aufbau, bei welchem ein Kühlkreislauf 40 gut wärmeleitend mit einem Absorptionskörper 20 verbunden werden muss, vermieden. Vorliegend ist der Absorptionskörper 20 als Sinterkörper ausgeführt. Dabei ist der Sinterkörper mittels Lasersintern hergestellt. Das Lasersintern ermöglicht die Herstellung der gezeigten komplexen Geometrien des Absorptionskörpers 20 in einem Fertigungsprozess. Der Absorptionskörper 20 ist vorliegend aus Sintermetall gebildet. Es ist jedoch auch denkbar, den Absorptionskörper 20 aus Sinterkeramik oder Sinterglaskeramik zu fertigen.
Vorliegend weist das Material des Absorptionskörpers 20 einen ausreichend hohen Absorptionsgrad auf, um die Laserstrahlung 11 an der Absorptionsfläche 26 zu absorbieren. Es ist jedoch auch denkbar, den Absorptionskörper 20 im Bereich der Absorptionsfläche 26 mit einer Oberflächenbeschichtung zu beschichten. Dadurch können die Absorptionseigenschaften der Hochleistungsstrahlfalle 10 noch einmal verbessert werden.
Entsprechend einer möglichen Ausführungsvariante der Erfindung weisen die keilförmigen Rippen 24 eine Höhe im Bereich von 5mm bis 10mm auf. Der Abstand zwischen zwei benachbarten keilförmigen Rippen 24 liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 3 und 8 mm. Der Neigungswinkel der Flanken 24.1 gegenüber einer Mittellinie der keilförmigen Rippen 24 liegt vorzugsweise in einem Bereich zwischen 5° und15°. Die Dimensionen können in Abhängigkeit von der erwarteten Laserleistung entsprechend angepasst werden. Durch eine solche Dimensionierung wird ein hoher Absorptionsgrad bei gleichzeitig geringer Baugröße der Hochleistungsstrahlfalle 10 erreicht.
Die Hochleistungsstrahlfalle 10 wird vorzugsweise bei Hochleistungslaserprozessen verwendet, die sensibel gegenüber Schwankungen der Laserleistung sind. Die Hochleistungsstrahlfalle 10 kann dabei als Absorber im Prozess verwendet werden, sodass der Laser zwischen den einzelnen Bearbeitungsschritten nicht ausgeschaltet werden muss. Eine Abschaltung des Lasers kann bei solchen Fertigungsverfahren zu Leistungsschwankungen und damit zum Versagen des Prozesses führen.
Vorteilhaft kann der Gehäusedeckel 33 mit der Reflektionsfläche 33.1 einfach demontiert werden. Dadurch lässt sich einfach Zugang zu den Rippen 24 und Rillen 27 des Absorptionskörpers 20 schaffen. Die Hochleistungsstrahlfalle 10 kann so einfach gereinigt werden. Dabei ermöglichen die linear verlaufenden Rippen 24 und Rillen 27 eine einfache Reinigbarkeit.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010036161 B4 [0003, 0004]
US 4864098 [0004]
DE 202011110151 U1 [0005]

Claims

Hochleistungsstrahlfalle (10), insbesondere für Laserstrahlung (11), mit einem Absorptionskörper (20), der keilförmige Rippen (24) aufweist, welche eine Absorptionsfläche (26) für Strahlung ausbilden, und mit einer beabstandet zu den keilförmigen Rippen (24) angeordneten und der Absorptionsfläche (26) zugewandten Reflektionsfläche (33.1), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest innerhalb eines Teils der keilförmigen Rippen (24) Kühlkanäle (41) angeordnet sind, welche sich in Längserstreckung der keilförmigen Rippen (24) jeweils zumindest über einen Teilbereich der keilförmigen Rippen (24) erstrecken.
Hochleistungsstrahlfalle (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die keilförmigen Rippen (24) entlang ihrer Längserstreckung seitlich zueinander angeordnet sind und/oder dass die keilförmigen Rippen (24) entlang ihrer Längserstreckung in Richtung zu einer Strahleintrittsöffnung (32) der Hochleistungsstrahlfalle (10) hin ausgerichtet sind.
Hochleistungsstrahlfalle (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die keilförmigen Rippen (24) zur Reflektionsfläche (33.1) hin weisend jeweils durch eine spitz zulaufende Kante abgeschlossen sind und dass zwischen den keilförmigen Rippen (24) spitz zulaufende, keilförmige Rillen (ausgebildet sind.
Hochleistungsstrahlfalle (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektionsfläche (32) schräg zu den keilförmigen Rippen (24) verlaufend ausgerichtet ist, dass die Reflektionsfläche (32) im Bereich der Strahleintrittsöffnung (32) den größten Abstand zu den keilförmigen Rippen (24) aufweist und dass sich der Abstand in Ausbreitungsrichtung der Strahlung zum Inneren der Hochleistungsstrahlfalle (10) hin verringert.
Hochleistungsstrahlfalle (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektionsfläche (32) die keilförmigen Rippen (24) gegenüberliegend zu der Strahleintrittsöffnung (32) schräg zulaufend abschließt.
Hochleistungsstrahlfalle (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektionsfläche (32) gerichtet reflektierend ausgeführt ist und/oder dass die Reflektionsfläche (32) teilabsorbierend ausgeführt ist.
Hochleistungsstrahlfalle (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorptionskörper (20) als Sinterkörper, insbesondere als Sinterkeramik, Sinterglaskeramik oder Sintermetall, ausgeführt ist und/oder dass der Absorptionskörper mittels Lasersintern hergestellt ist.
Hochleistungsstrahlfalle (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorptionskörper (20) einen Kühlmittelzulauf (42) und einen Kühlmittelablauf (43) aufweist, welche über die Kühlkanäle (41) in strömungsleitender Verbindung stehen.
Hochleistungsstrahlfalle (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelzulauf (42) der Strahleintrittsöffnung (33) zugewandt und der Kühlmittelablauf (43) der Strahleintrittsöffnung (33) abgewandt an dem Absorptionskörper angeordnet, insbesondere angeformt, sind, dergestalt, dass ein Kühlmittel die Kühlkanäle (41) in Richtung der Strahlausbreitung durchströmt.
Hochleistungsstrahlfalle (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle (41) parallel oder in Reihe miteinander verbunden sind.
Hochleistungsstrahlfalle (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorptionskörper (42) zumindest die keilförmigen Rippen (24), die Kühlkanäle (43), den Kühlmittelzulauf (42) und den Kühlmittelablauf (43) umfasst und dass der Absorptionskörper (42) einteilig ausgeführt ist.
Hochleistungsstrahlfalle (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Kühlkanäle (43) jeweils in ihrem Querschnitt von den keilförmigen Rippen (23) bis in einen Grundkörper (21) des Absorptionskörpers (20), an den die keilförmigen Rippen (23) angeformt sind, erstrecken.
Hochleistungsstrahlfalle (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle (43) auf ihren der Absorptionsfläche (26) zugewandten Seiten jeweils keilförmig ausgebildet sind.
Hochleistungsstrahlfalle (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorptionsfläche (26) eine absorbierende Beschichtung aufweist.