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Die Erfindung betrifft eine Laserdüse, eine Düsenaufnahme, eine Düsenkupplung und eine Werkzeugmaschine.
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Insbesondere betrifft die Erfindung eine Laserdüse nach Anspruch 1, eine Düsenaufnahme nach Anspruch 6, eine Düsenkupplung nach Anspruch 11 und eine Werkzeugmaschine nach Anspruch 16.
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Eine Werkzeugmaschine dient zur Herstellung und Bearbeitung von Werkstücken unter Verwendung von Werkzeugen. Als Werkzeugmaschinen werden hier beispielsweise Laserbearbeitungsmaschinen, insbesondere Laserschneidmaschinen angesehen. Laserbearbeitungsmaschinen können darüber hinaus auch zum Gravieren, Strukturieren, Schweißen, Wärmebehandeln wie zum Beispiel Randschichthärten und Beschichten sowie für volumenaufbauende Verfahren wie zum Beispiel Rapid Prototyping bzw. selektives Sintern eingesetzt werden.
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Bei Laserbearbeitungsmaschinen ist eine Laserdüse zur Führung des Laserstrahls auf das Werkstück vorgesehen. Die Laserdüse kann ausgewechselt werden und ist daher über eine Düsenaufnahme an der Werkzeugmaschine befestigt. Die Laserdüse und die Düsenaufnahme bilden eine Düsenkupplung.
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Bei Laserbearbeitungsmaschinen ist für eine gute und reproduzierbare Bearbeitungsqualität eine präzise Ausrichtung der Laserdüse bzw. der Düsenkupplung wichtig. In gewissen Fällen, insbesondere bei Laserdüsen mit kleiner Strahlaustrittsöffnung, kann eine schneidprozessstabile Verbindung zwischen Laserdüse und Düsenaufnahme teilweise nicht gewährleistet werden. Aufgrund von inneren Störgrößen wie einem pulsierenden Schneidgasdruck oder einer thermisch-mechanischen Wechselwirkung auf einen Dichtungsring und äußeren Störgrößen wie einem Reinigungsvorgang an der Laserdüse, mechanische Stößen oder Vibrationen kann die Laserdüse bezüglich der Laserstrahlachse dezentriert werden, was folglich zu einem unbefriedigenden Schneidresultat oder sogar zu einem Strahlabriss führen kann.
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EP 2 110 198 A2 offenbart eine Düsenkupplung für eine Laserbearbeitungsmaschine mit Verriegelungsbolzen, welche in Schlitze eingreifen, und mit einem Dichtungsring.
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US 6 025 571 offenbart eine Düsenkupplung mit einer Schraubverbindung.
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JPH0452092 A offenbart eine Düse, welche elastisch gelagert ist, um im Fall einer Kollision den Schaden zu begrenzen.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden und eine verbesserte Laserdüse bereitzustellen. Alternative Aufgaben liegen darin eine verbesserte Düsenaufnahme, eine verbesserte Düsenkupplung oder eine verbesserte Werkzeugmaschine bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Laserdüse gemäß Anspruch 1, eine Düsenaufnahme nach Anspruch 6, eine Düsenkupplung nach Anspruch 11 beziehungsweise eine Werkzeugmaschine nach Anspruch 16.
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Die erfindungsgemäße Laserdüse eingerichtet für eine Laserbearbeitungsmaschine, umfasst eine Außenkontur eingerichtet zum Einführen in eine Innenkontur einer Düsenaufnahme, wobei die Außenkontur einen konischen Bereich und eine Verriegelungsnut eingerichtet zur kraftschlüssigen Anlage eines Verriegelungsbolzens der Düsenaufnahme aufweist.
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Die erfindungsgemäße Laserdüse hat den Vorteil einer verbesserten Prozessstabilität durch einen spielarmen Sitz der Düse, was durch die Kombination des konischen Bereichs und der kraftschlüssige Verriegelungsnut erreicht wird. Weiterhin wird eine bessere Zentriergenauigkeit erreicht. Zudem ist die vorgeschlagene Lösung kostengünstig.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Außenkontur, insbesondere der konische Bereich und die Verriegelungsnut, rotationssymmetrisch in Bezug auf eine Düsenachse sind. Dies vereinfacht die Herstellung und erleichtert das Einsetzen oder Einführen der Laserdüse in eine Halterung. Die Verriegelungsnut kann dementsprechend eine ringförmig umlaufende Nut sein. Es können auch mehrere Nuten oder Ausnehmungen, die über den Umfang der Außenkontur verteilt sind, vorgesehen sein. Dann kann je eine Nut oder Ausnehmung für ein Verriegelungselement wie zum Beispiel ein Bolzen vorgesehen sein.
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Es kann ferner vorgesehen sein, dass der konische Bereich in einer Einführrichtung der Laserdüse vor der Verriegelungsnut angeordnet ist. Auf diese Weise kann der konische Bereich einfach und zuverlässig in eine Klemmung gebracht werden. Die Verriegelungsnut kann direkt an den konischen Bereich angrenzen oder kann in diesem ausgebildet sein.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Verriegelungsnut eine in einer Einführrichtung der Laserdüse vordere Anlagefläche für den Verriegelungsbolzen aufweist. Dies optimiert eine kraftschlüssige Verbindung zwischen der Verriegelungsnut bzw. der Laserdüse und einem Verriegelungsbolzen bzw. einer Düsenaufnahme. Durch die definierte Anlage des Verriegelungsbolzens an einer Fläche kann der Druck exakt und reproduzierbar eingestellt werden.
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Es kann ferner vorgesehen sein, dass die vordere Anlagefläche der Verriegelungsnut gegenüber der Düsenachse in einem Winkel von 25° - 35°, insbesondere 28° bis 32°, geneigt ist. Mittels dieses Winkels kann eine besonders gute kraftschlüssige Verbindung erzielt werden.
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Die erfindungsgemäße Düsenaufnahme eingerichtet für eine Laserbearbeitungsmaschine, mit einer Innenkontur eingerichtet zur Aufnahme einer Laserdüse, sieht vor, dass die Innenkontur einen konischen Bereich und mindestens einen in einer Bolzenführung geführten Verriegelungsbolzen eingerichtet zur kraftschlüssigen Anlage in einer Verriegelungsnut der Laserdüse aufweist. Es gelten die gleichen Vorteile und Modifikationen wie zuvor beschrieben.
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Es kann ferner vorgesehen sein, dass der mindestens eine Verriegelungsbolzen mit mindestens einer Feder nach radial innen hin vorgespannt ist. Es kann eine Feder vorgesehen sein, welche vorzugsweise entgegen der Einführrichtung auf vorzugsweise sämtliche Verriegelungsbolzen wirkt. Die Vorspannung mittels einer Feder in Richtung der Verriegelungsnut erlaubt einen einfachen und zuverlässigen Befestigungsmechanismus.
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Es kann vorgesehen sein, dass eine Federkraft der mindestens einen Feder senkrecht zu einer Einführrichtung der Düsenaufnahme ausgebildet ist. Auf diese Weise können eine oder vorzugsweise mehrere Federn, höchst vorzugsweise eine Feder pro Verriegelungsbolzen, vorgesehen sein. Die senkrecht zu der Einführrichtung, das heißt radial, wirkende Federkraft bzw. Ausrichtung der Feder(n) erlaubt eine direkte Kraftwirkung genau in Richtung der Bewegung der Verriegelungsbolzen. So kann der Kraftfluss vereinfacht werden.
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Es kann ferner vorgesehen sein, dass der mindestens eine Verriegelungsbolzen über mindestens ein Elastomerelement nach radial innen vorgespannt ist. Das Elastomerelement, zum Beispiel in Form eines Ringes, kann mit einem einfachen konstruktiven Aufbau den oder die Verriegelungsbolzen zuverlässig in Richtung der Verriegelungsnut vorspannen.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Bolzenführung in einem Winkel von 45° bis 50°, insbesondere 47° zur Achse der Düsenaufnahme geneigt ist. Mittels dieses Winkels kann eine besonders gute kraftschlüssige Verbindung erzielt werden.
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Die erfindungsgemäße Düsenkupplung für eine Laserbearbeitungsmaschine umfasst eine Laserdüse wie zuvor beschrieben und eine Düsenaufnahme wie zuvor beschrieben. Die erfindungsgemäße Düsenkupplung schlägt ein gezieltes, paarweises Zusammenspiel zwischen der Außengeometrie der Schneiddüse und der Innengeometrie der Düsenaufnahme in Kombination mit einem Verriegelungsmechanismus vor, um eine schneidprozessstabile Verbindung zwischen Schneiddüse und Düsenaufnahme zu gewährleisten. Es gelten die gleichen Vorteile und Modifikationen wie zuvor beschrieben.
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Es kann vorgesehen sein, dass der konische Bereich und die Verriegelungsnut derart ausgebildet sind, dass bei eingeführter und verriegelter Laserdüse die beiden konischen Bereiche im Eingriff sind. Durch den Eingriff wird die Düse einfach und zuverlässig fixiert, so dass eine gute Bearbeitungsqualität gewährleistet ist.
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Es kann ferner vorgesehen sein, dass die beiden konischen Bereiche bei eingeführter und verriegelter Laserdüse eine Dichtung bilden. Dies erspart einen Dichtungsring und vereinfacht somit den Aufbau der Kupplung. Durch den Wegfall eines elastischen Elements, nämlich des Dichtungsringes, kann eine spielarme und prozessstabilere Zentrierung erreicht werden. Zudem wird die Zuverlässigkeit erhöht, da die Düsen beim Auswerfen nicht mehr an einem Dichtungsring haften bleiben. Die konischen Flächen weisen vorzugsweise eine niedrige Rauheit auf, so dass eine Abdichtung gewährleistet ist. Die Rauheit kann auf ein verwendetes Fluid, wie zum Beispiel ein Schneidgas, abgestimmt sein.
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Es kann vorgesehen sein, dass die konischen Bereiche und die Verriegelungsnut derart ausgebildet sind, dass bei Einführung der Laserdüse in die Düsenaufnahme der mindestens eine Verriegelungsbolzen zunächst von der Außenkontur weg und dann in die Verriegelungsnut bewegbar ist und dass der in der Verriegelungsnut befindliche Verriegelungsbolzen die beiden konischen Bereiche aneinander presst. Entsprechend kann die Laserdüse durch eine Kraft in Einführrichtung, zum Einführen, bzw. entgegen der Einführrichtung, zum Entnehmen, bewegt werden. Die Verriegelung erfolgt automatisch, das heißt ohne weitere aktive Betätigung.
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Es kann ferner vorgesehen sein, dass ein in Einführrichtung vorn liegender Bereich der Bolzenführung bei eingeführter und verriegelter Laserdüse mit der vordere Anlagefläche der Verriegelungsnut unter Bildung eines Differentialwinkels von 15° bis 25° abschließt. Der Differentialwinkel wird zwischen dem Bereich und der Anlagefläche gebildet bzw. zwischen den beiden Winkeln a und b. Mittels dieses Winkels bzw. dieser beiden Winkel kann eine besonders gute kraftschlüssige Verbindung erzielt werden.
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Die verfassungsgemäße Werkzeugmaschine, insbesondere eine Laserbearbeitungsmaschine, mit einem Laser zur Bearbeitung eines Werkstücks, sieht vor, dass mindestens eine Düsenkupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche vorgesehen ist, wobei die Düsenkupplung eine Laserdüse eingerichtet zur Durchführung eines Laserstrahls aufweist. Es gelten die gleichen Vorteile und Modifikationen wie zuvor beschrieben. Im Betrieb der Laserbearbeitungsmaschine erlaubt die Düsenkupplung eine stabile Strahlführung und damit gute Schneidergebnisse. Beim Rüsten der Laserbearbeitungsmaschine erlaubt die Düsenkupplung ein schnelles und zuverlässiges Wechseln der Düse.
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Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
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Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
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Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
- 1 eine Schnittdarstellung einer Laserdüse;
- 2 eine Schnittdarstellung einer Düsenaufnahme;
- 3 eine Schnittdarstellung einer Düsenkupplung bestehend aus der Laserdüse und der Düsenaufnahme;
- 4 eine Detaildarstellung von 3 betreffend die kraftschlüssige Verbindung der Düsenkupplung; und
- 5 eine schematische perspektivische Darstellung einer Werkzeugmaschine.
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1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Laserdüse 100. Die Laserdüse 100 hat hier einen kreisförmigen oder ovalen Querschnitt, prinzipiell sind aber auch andere Querschnitte wie zum Beispiel quadratische Rohrquerschnitte möglich. Die Laserdüse 100 ist zudem rotationssymmetrisch um eine Mittelachse A aufgebaut.
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Die Laserdüse 100 hat einen Grundkörper 102 mit einer Außenkontur 104 und einem Innenraum 106. Der Innenraum 106 endet in Richtung eines Werkstückes in einer Düsenöffnung 108. Durch den Innenraum 106 und die Düsenöffnung 108 wird ein Laserstrahl und gegebenenfalls ein Fluid wie zum Beispiel ein Schneidgas geführt.
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Zur Aufnahme und Befestigung der Laserdüse 100 in einer Düsenaufnahme sind an der Außenkontur 104 ein konischer Bereich 110 und eine Verriegelungsnut 112 angeordnet. Idealerweise sind der konische Bereich 110 und die Verriegelungsnut 112 Bestandteil der Außenkontur 104, das heißt direkt in dieser ausgebildet. In einer Einführrichtung E, welche parallel zu der Mittelachse A verläuft, kann die Laserdüse 100 in eine Düsenaufnahme eingebracht werden. Die Einführrichtung E verläuft entgegengesetzt zu der Strahlführung in der Laserdüse 100.
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Der konische Bereich 110 ist in Einführrichtung E vorne angeordnet, das heißt an dem von einem Werkstück entfernten Ende 114 der Laserdüse 100. In der Darstellung von 1 ist der konische Bereich 110 oben angeordnet. In Einführrichtung E weiter hinten liegend als der konische Bereich 110 ist die Verriegelungsnut 112 angeordnet. Anders ausgedrückt ist die Verriegelungsnut 112 zwischen dem konischen Bereich 110 und der Düsenöffnung 108 angeordnet. In diesem Beispiel sind sowohl der konische Bereich 110 als auch die Verriegelungsnut 112 umlaufend und rotationssymmetrisch ausgebildet.
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Der konische Bereich 110 erstreckt sich bis zu dem zweiten Ende 114 der Laserdüse 100 und verjüngt sich in diese Richtung. Verjüngt bedeutet, dass der Durchmesser des konischen Bereichs 110 an dem zweiten Ende 114 geringer ist als in dem dahinterliegenden Bereich.
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Die Verriegelungsnut 112 hat in Richtung des zweiten Endes 114 eine Anlagefläche 116, wodurch die Verriegelungsnut 112 beziehungsweise die Anlagefläche 116 eingerichtet ist zur kraftschlüssigen Anlage eines Verriegelungsbolzens einer Düsenaufnahme beziehungsweise einer Werkzeugmaschine. Die Anlagefläche 116 der Verriegelungsnut 112 ist mit einem Winkel a von 25° - 35°, insbesondere 28° bis 32°, hier von 30°, gegenüber der Düsenachse A geneigt. Durch diese Konstruktion kann ein an der Anlagefläche 116 angreifender Verriegelungsbolzen die Laserdüse 100 mit ihrem konischen Bereich 110 in eine Düsenaufnahme pressen und dort fixieren.
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2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Düsenaufnahme 200, welche zur Aufnahme der in 1 dargestellten Laserdüse 100 eingerichtet ist. Die Düsenaufnahme 200 hat einen Grundkörper 202 mit einer Innenkontur 204. Die Innenkontur 204 bildet zumindest teilweise die Begrenzung eines Innenraumes 206. Der Innenraum 206 dient zur Aufnahme der Laserdüse 100 und gegebenenfalls zur Durchführung eines Laserstrahls und optional eines Schneidgases. An einem dem Werkstück zugewandten Ende beziehungsweise in Einführrichtung E vorne liegend öffnet sich der Innenraum in einen Kragen 208, um eine Aufnahme der Laserdüse 100 zu erleichtern.
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In der Innenkontur 204 oder als Teil der Innenkontur 204 ist ein konischer Bereich 210 ausgebildet. Dieser konische Bereich 210 ist komplementär zu dem konischen Bereich 110 der Laserdüse 100 ausgebildet. In Einführrichtung E vor dem konischen Bereich 110 sind mehrere Verriegelungsbolzen 212 angeordnet, von denen hier einer beispielhaft dargestellt ist. Die Verriegelungsbolzen 212 sind beweglich gelagerte, zylindrische Bolzen. Diese sind zwischen einer Verriegelposition und einer Entriegelposition verschiebbar. In der hier dargestellten Verriegelposition ragt zumindest ein Teil des Verriegelungsbolzens 212 über die Innenkontur 204 hinaus in den Innenraum 206. In dieser Verriegelposition halten die Verriegelungsbolzen 212 die Düse 100 in der Düsenaufnahme 200. In der Entriegelposition befinden sich die Verriegelungsbolzen 212 innerhalb des Grundkörpers 202 und ragen damit nicht über die Innenkontur 204 in den Innenraum 206 hinein.
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Außen an der Düsenaufnahme 200 ist eine Hülse 214 angeordnet, welche mit den Verriegelungsbolzen 212 in Eingriff gebracht werden kann. Zusätzlich werden die Verriegelungsbolzen 212 mittels einer Feder 216 in Richtung der Verriegelungsposition gedrückt. Ein Zwischenelement 218 kann für eine gleichmäßige Kraftübertragung zwischen der Feder 216 und den Verriegelungsbolzen 212 sorgen.
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Der oder die Verriegelungsbolzen 212 sind in einer Bolzenführung 220 angeordnet, aus welcher die Verriegelungsbolzen 212 teilweise in die Verriegelungsnut der Laserdüse eindringen können. Die Bolzenführung 220 ist in einem Winkel b zur Achse A' der Düsenaufnahme 200 geneigt. Der Winkel b beträgt 45° bis 50°, bevorzugt 47°.
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3 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Düsenkupplung 300, bestehend aus der Laserdüse 100 und der Düsenaufnahme 200. In 3 ist die Düsenkupplung 300 in gekuppeltem Zustand dargestellt, das heißt, dass die Laserdüse 100 in der Düsenaufnahme 200 fixiert ist.
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Die konischen Bereiche 110 und 210 sowie die Verriegelungsnut 112 und die Verriegelungsbolzen 212 sind derart ausgebildet, dass bei Einführung der Laserdüse 100 in die Düsenaufnahme 200 der mindestens eine Verriegelungsbolzen 212 zunächst von der Außenkontur 104 weg und dann in die Verriegelungsnut 112 bewegbar ist. In der Verriegelposition presst der teilweise in der Verriegelungsnut 112 befindliche Verriegelungsbolzen 212 die beiden konischen Bereiche 110, 210 vorzugsweise dichtend aneinander. Dabei liegt der Verriegelungsbolzen 212 lediglich in kraftschlüssiger Anlage an der Anlagefläche 116 an.
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Zur Entnahme der Laserdüse 100 aus der Düsenaufnahme 200 wird die Hülse 214 nach oben gedrückt, wodurch die Feder 216 entspannt wird. Dann kann die Laserdüse 100 entgegen der Einführrichtung E durch Zug entnommen werden.
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4 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung eines Bereichs der Düsenkupplung, in dem ein Verriegelungsbolzen in die Verriegelungsnut eingreift. Anhand von 4 werden die Winkelverhältnisse zwischen der Bolzenführung 220 und der vorderen Anlagefläche 116 der Verriegelungsnut beschrieben.
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Ein in Einführrichtung E vorn liegender Bereich der Bolzenführung 220 schließt bei eingeführter und verriegelter Laserdüse 100 mit der vordere Anlagefläche 116 der Verriegelungsnut 112 unter Bildung eines Differentialwinkels d ab. Der Differentialwinkel d kann berechnet werden als Differenz des Winkels b minus des Winkels a. Der Winkel b beträgt 45° bis 50°, bevorzugt 47°. Der Winkel a beträgt 25° - 35°, insbesondere 28° bis 32°, hier 30°. Entsprechend beträgt der Differentialwinkel d 15° bis 25°, vorzugsweise 17°.
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5 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung einer Werkzeugmaschine 500 wie einer Laserbearbeitungsmaschine insbesondere einer Laserschneidmaschine mit einem Laserschneidkopf 502. Der Laserschneidkopf 502 umfasst die Düsenkupplung 300. Der Laserschneidkopf 502 ist an einer verfahrbaren Brücke 504 angeordnet, so dass er mindestens in x und y Richtung verfahrbar ist. Eine Laserquelle 506 erzeugt Laserlicht und führt dieses über einen Lichtleiter 508 dem Laserschneidkopf 502 zu. Ein Werkstück 510, zum Beispiel ein Blech, wird durch den Laserstrahl geschnitten.
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Die hier vorgestellte Laserdüse 100, Düsenaufnahme 200, Düsenkupplung 300 beziehungsweise Werkzeugmaschine 500 erlaubt eine einfache und stabile Positionierung und Fixierung der Laserdüse 100, wodurch die Bearbeitungsqualität verbessert wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2110198 A2 [0006]
- US 6025571 [0007]
