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Die Erfindung betrifft eine Laserstrahlreinigungsdüse zum Reinigen einer Oberfläche eines Werkstücks, mit einem Gehäuse und einem von einer Strahlquelle emittierter und durch das Gehäuse entlang einer Längsrichtung verlaufenden Laserstrahl, wobei das Gehäuse an einem der Strahlquelle entgegengesetzten Ende eine Öffnung ausbildet zum Austritt des Laserstrahls auf die Oberfläche des Werkstücks.
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Beim Laserreinigen werden organische Verschmutzungen durch die Wärmeenergie der Laserimpulse verdampft bzw. sublimiert. Die abgetragene Verschmutzungsschicht wird dabei in feine Partikel fragmentiert und kann dann im Anschluss beispielsweise über ein Absaugsystem aufgenommen und abtransportiert werden. Der sehr leistungsstarke, aber kurze Laserimpuls verursacht nur eine sehr geringe thermische Einwirkung auf das Basismaterial bzw. das Werkstück. Unter Verwendung optimaler Laserstrahlparameter werden nur eine eventuell vorhandene Beschichtung, eine Oxidschicht oder andere ungewollte Rückstände von der Oberfläche des Basismaterials ohne Beschädigung entfernt.
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Mit dem Reinigungsverfahren mittels Laserimpulse wird ein gegenüber anderen Verfahren herausragender Reinigungsgrad erreicht. Ferner ist das Laserreinigen sehr umweltfreundlich, da kein chemischer Abfall oder ungebundener Staub entsteht. Mittels Laserreinigen können viele Reinigungsaufgaben schnell erledigt werden, sei es das Entfernen von Lacken, Beschichtungen oder Oxiden. Aber auch das Entfernen von Oberflächenrückständen wie Fett, Öl, Staub oder Schmutz ist einfach möglich.
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Das Laserreinigen gewinnt insbesondere infolge der zunehmenden Verarbeitung von Aluminium, insbesondere durch das Laserschweißen von Aluminium, im Automobilbau an Bedeutung. Laserschweißen von Aluminium rückt vor allem wegen dem geringen thermischen Verzug an den Werkstücken, kurzen Prozesszeiten und einer hohen Schweißqualität in den Vordergrund. Beim Laserschweißen von Aluminium ist eine Voraussetzung für eine gute Schweißqualität und eine hohe Prozessstabilität eine saubere Bauteiloberfläche. Daher ist es unabdingbar, dass die Fügepartner vor dem Schweißprozess gereinigt werden. Ein Laserreinigen der Bauteiloberflächen bietet sich hier als effizienter und umweltschonender Weg an. Als weiterer Einsatzort bietet sich das Laserreinigen beispielsweise bei der Entlackung in der Batterietechnik an.
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Geeignete Strahlquellen und Optiken zum Laserreinigen sind bereits bekannt und werden von Herstellern angeboten. Neben Strahlquelle und Optik ist ein geeignetes Absaugsystem entscheidend für ein gutes Reinigungsergebnis. Als Stand der Technik sei hier exemplarisch auf die
DE 101 13 494 A1 verwiesen, in der ein Absaugschlauch zum Absaugen des abgetragenen Materials beschrieben wird. Insgesamt kann die dort beschriebene Lösung allerdings als nicht ausreichend bezeichnet werden. Die teils stark ölhaltigen Dämpfe können nicht nur eine Gefährdung für die Gesundheit und die physische Arbeitsumgebung darstellen, sondern können auch zur erneuten Kontamination des Werkstücks führen. So können bei mangelhafter Absaugung zumindest einige der sublimierten Partikel sich durch Kondensation erneut auf der Werkstückoberfläche absetzen oder die Absaugvorrichtung kontaminieren und somit ggf. die Absaugleistung beeinträchtigen.
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Ausgehend hiervon besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Laserstrahlreinigungsdüse bereitzustellen, in die eine wirkungsvolle Absaugung integriert ist.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Laserstrahlreinigungsdüse zum Reinigen einer Oberfläche eines Werkstücks, mit einem Gehäuse und einem von einer Strahlquelle emittierten und durch das Gehäuse entlang einer Längsrichtung verlaufenden Laserstrahl, wobei das Gehäuse an einem der Strahlquelle entgegengesetzten Ende eine Öffnung ausbildet, zum Austritt des Laserstrahls auf die Oberfläche des Werkstücks und in dem Gehäuse eine in Querrichtung zu der Längsrichtung verlaufende strömungsgeschwindigkeitsbasierte Gasstromstrecke ausgebildet ist, die von einer Gaseintrittsöffnung in dem Gehäuse zu einer Gasaustrittsöffnung in dem Gehäuse verläuft und sich an die Gasaustrittsöffnung zu der Gasstromstrecke fluchtend ein Absaugtrichter anschließt.
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Bei der Gasstromstrecke handelt es sich erfindungsgemäß um ein Luftvolumen innerhalb des Gehäuses, in dem eine erhöhte Strömungsgeschwindigkeit erzeugt und aufrechterhalten wird, der über einer Strömungsgeschwindigkeit in benachbarten Bereichen des Gehäuses liegt. Bei dem Gas kann es sich zweckmäßigerweise um Luft handeln. Bedarfsweise kann aber auch ein übliches Schutzgas vorgesehen werden. Der erfindungsgemäßen Gasstromstrecke kommt verglichen mit herkömmlichen Laserschweißvorrichtung ebenfalls die Aufgabe des dort üblichen Cross-jets zu, nur dass erfindungsgemäß die Gasstromstrecke nicht unmittelbar vor dem die Optik vor Scheißspritzern oder sonstigen Verunreinigungen schützenden Schutzglas angeordnet ist, sondern im Wesentlich in direkter Umgebung, d.h. nur wenig aufwärts der Gehäuseöffnung, bezogen auf den Verlauf des Laserstrahls, angeordnet ist. Die Öffnung weist zweckmäßigerweise eine Düsenform auf. Diese Anordnung der Gasstromstrecke erlaubt es nicht nur den beim Laserreinigen entstehenden Schmauch - verdampfte Verunreinigungen, Oxide, Lacke - von dem Schutzglas fernzuhalten, sondern sie erzeugt auch einen Unterdruckbereich in dem Gehäusebereich zwischen der Gasstromstrecke und der Öffnung des Gehäuses, durch welche der Laserstrahl zum Werkstück hinaustritt. Der beim Laserreinigen entstehende Schmauch wird nun zunächst in den Unterdruckbereich angesagt und hierdurch entgegen der Strahlrichtung von der Werkstückoberfläche wegbewegt, so dass er sich dort nicht erneut absetzen kann. Sobald der Schmauch den Unterdruckbereich durchquert hat, gelangt er in den Einflussbereich der Gasstromstrecke, die in Querrichtung zu der Längsrichtung des Gehäuses verläuft und von der der Schmauch aufgenommen wird und aus dem Gehäuse heraus in den Absaugtrichter transportiert wird. Die Unterdruckströmung wir über die Strömungsgeschwindigkeit erzeugt (Venturi-Effekt). Der höhere Druck wird bei Eintritt in das Gehäuse von der Flachdüse in Strömungsgeschwindigkeit umgesetzt. Durch diesen Gasstrom, der mit erhöhte Strömungsgeschwindigkeit quer zur Ansaugöffnung strömt, entsteht ein Differenzdruck zwischen der Gasstromstrecke und der Öffnung des Gehäuses, durch welche der Laserstrahl zum Werkstück hinaustritt. Insgesamt ergibt sich also bei der erfindungsgemäßen Laserreinigungsdüse in vorteilhafter Weise ein Zusatznutzen durch die bezogen auf das Werkstück benachbarte Anordnung der Gasstromstrecke in dem Gehäuse, so dass über die Gasstromstrecke ein wirkungsvoller Abtransport des bei der Laserreinigung entstehenden Schmauchs erfolgen kann.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass an der Gaseintrittsöffnung eine Gaseinblasung mit einer sich in das Gehäuse öffnenden Flachdüse angeordnet ist. Mit einer Flachdüse kann ein besonders gut gerichteter und scharf umrissener Absaugstrom erzeugt werden. Insbesondere kann die Flachdüse entweder bezüglicher ihrer Düsenform adaptiv gestaltet sein oder sie kann austauschbar ausgeführt sein, so dass bedarfsweise die Flachdüse variiert werden kann.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Absaugtrichter Teil einer Gasabsaugung ist. Hierbei kann die Gasabsaugung in vorteilhafter Weise ein Gebläse umfassen, dass aus dem Absaugtrichter, und damit aus dem Gehäuse, ein Luftvolumen absaugt. Hierdurch stellt sich in dem Absaugtrichter ein Unterdruckbereich bzw. eine Unterdruckströmung ein, der bzw. die sich unmittelbar an die Gasstromstrecke anschließt. Hierdurch wird der Abtransport des Schmauchs begünstigt bzw. unterstützt. In einer konkreten Ausgestaltung ist eine mit der Gaseinblasung und der Gasabsaugung verbundene Steuereinheit vorgesehen, zur Steuerung des jeweiligen Gasvolumenstroms der Gaseinblasung und der Gasabsaugung. Hier kann der Gesamtluftstrom und die jeweiligen Teilluftströme derart eingestellt werden, dass sich ein größerer Volumenabluftstrom ergibt als ein Volumenzuluftstrom.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass eine Vorschubeinrichtung vorgesehen ist, zum Ausprägen einer Relativbewegung auf die Laserstrahlreinigungsdüse gegenüber dem Werkstück. Hierdurch lässt sich die Laserreinigungsdüse automatisiert einsetzen, z.B. als Teil eine Gesamtanlage.
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Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren zum Laserreinigen einer Oberfläche eines Werkstücks, bei dem ein von einer Strahlquelle und durch ein Gehäuse entlang einer Längsrichtung verlaufender Laserstrahl emittiert wird, der aus einer an einem der Strahlquelle entgegengesetzten Ende angeordneten Öffnung des Gehäuses austritt, wobei in dem Gehäuse über eine in Querrichtung zu der Längsrichtung verlaufende strömungsgeschwindigkeitsbasierte in das Gehäuse eintretende und wieder austretende Gasstromstrecke eine Unterdruckströmung von der Gehäuseöffnung in die Gasstromstrecke erzeugt wird.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden zwei Effekte erzielt: Zum einen entsteht im Gehäuseinneren zwischen Gehäuseöffnung und Gasstromstrecke ein Unterdruck gegenüber dem Umgebungsdruck, durch den der entstehende Schmauch von der Werkstückoberfläche durch die Gehäuseöffnung in die gerichtete Strömung der Gasstromstrecke - Cross-jet - transportiert wird. Von dieser gerichteten Strömung wird der Schmauch aus dem Gehäuse über bevorzugt einen Absaugtrichter abtransportiert. Zum anderen bleibt die Funktionalität des Cross-jets erhalten und das Schutzglas der Optik wird vor Beschädigungen durch ggf. vorhandene größere und/oder schwere Partikeln geschützt.
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Bevorzugt ist das Verfahren so ausgestaltet, dass in der Gasstromstrecke eine erhöhter Strömungsgeschwindigkeit induziert wird.
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Bevorzugt ist das Verfahren so ausgestaltet, dass über eine Gasaustrittsöffnung ein Volumenstrom aus der Gasstromstrecke abgesaugt wird, der größer ist als ein über eine Gaseintrittsöffnung in die Gasstromstrecke geförderter Volumenstrom.
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Die Erfindung wird nachfolgend mit weiteren Merkmalen, Einzelheiten und Vorteilen anhand der beigefügten Figuren erläutert. Die Figuren illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung. Hierin zeigen
- 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Laserreinigungsdüse;
- 2 eine zweite Ausgestaltung der Laserreinigungsdüse gemäß 1 und
- 3 eine weitere Ausgestaltung der Laserreinigungsdüse gemäß 1.
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Die 1 zeigt in schematischer und nicht maßstabsgetreuer Darstellung eine erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Laserreinigungsdüse 10. Die Laserreinigungsdüse 10 weist ein Gehäuse 20 auf, in dem in einem oberen Bereich eine Strahlquelle 12 angeordnet ist. Die Strahlquelle 12 umfasst ferner eine nicht näher dargestellte Optik. Strahlquelle kann auch über einen Faser in das Gehäuse 20 eingekoppelt werden. Das Gehäuse 20 bildet in seinem Inneren einen Längsrichtung 14, in dem ein von der Strahlquelle 12 emittierter Laserstrahl 16 verläuft. Die Strahlquelle 12 und die Optik sind nach unten hin von einem Schutzglas 18 gegen Verschmutzung, welche während eines Vorgangs des Laserreinigens in dem Gehäuse 20 gelangt sein kann, geschützt. Das Gehäuse 20 bildet an einem der Strahlquelle 12 entgegengesetzten Ende eine Öffnung 28 aus, zum Austritt des Laserstrahls 16 auf eine Oberfläche 4 eines Werkstücks 2, beispielsweise eines in einem späteren Verarbeitungsschritt zu verschweißenden Blechteils. In der 1 ist eine auf der Oberfläche 4 des Werkstücks 2 befindliche Oberflächenschmutzschicht 6 dargestellt, die es mittels der Laserreinigungsdüse 10 zu entfernen gilt und deren Rückstände nach dem Reinigungsprozess anzuführen sind. Die Oberflächenschmutzschicht 6 kann aus öligen/fettigen Ablagerungen, Oxiden oder Lacken bestehen, je nach Art der Vorbehandlung des Werkstücks 2. Über den Pfeil V ist eine mögliche Vorschubrichtung der Laserreinigungsdüse 10 bezüglich des Werkstücks 2 symbolisiert.
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Zusätzlich zu der Öffnung 28, durch die der Laserstrahl 16 in Richtung Werkstück 2 austritt, sind eine Gaseintrittsöffnung 22 und eine Gasaustrittsöffnung 24 vorgesehen, wobei diese erfindungsgemäß auf der gleichen oder annähernd gleichen Höhe bezogen auf die Öffnung 20 angeordnet sind. An die Gasaustrittsöffnung 24 schließt sich ein Absaugtrichter 26 an. Innerhalb des Gehäuses 20 wird zwischen der Gaseintrittsöffnung 22 und der Gasaustrittöffnung 24 eine Gasstromstrecke 30 gebildet. Hierbei handelt es sich um eine überdruckbasierte Gasstromstrecke 30, wobei zur Erzeugung eines erhöhten Drucks gegenüber dem Umgebungsdruck eine Gaseinblasung 32 an bzw. vor der Gaseintrittsöffnung 22 vorgesehen ist. Die Gaseinblasung 32 erzeugt einen Überdruck in der Gasstromstrecke 30, der im Wesentlichen über den Querschnitt des Gehäuses 20 erhalten bleibt und sich über die Gasaustrittsöffnung 24 abbaut. Der Überdruck der Gasstromstrecke 30 induziert außerdem ein Unterdruck in dem Volumenabschnitt 38 des Gehäuses 20, das sich zwischen der Gasstromstrecke 30 und der unteren Öffnung 28 befindet. Dieser Unterdruck ist bestrebt sich über die Öffnung 28 abzubauen, so dass über den Unterdruck eine Luftströmung durch die Öffnung 28 in das Gehäuse 20 entsteht. Über die Luftströmung wiederum wird der bei der Laserreinigung entstehende Schmauch unmittelbar durch die Öffnung 28 in das Gehäuse 20 abgesaugt. Sobald der Schmauch in der gerichteten Überdruckströmung der Gasstromstrecke 30 angelangt ist, wird er von dieser durch die Gasaustrittsöffnung 24 abtransportiert. Der Schmauch kann somit nicht weiter in dem Gehäuse 20 nach oben steigen und sich an dem Schutzglas 18 absetzen.
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Die 2 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Laserreinigungsdüse 10, bei der nach der Gaseinblasung 32 im Bereich der Gaseintrittsöffnung 22 eine Flachdüse 34 angeordnet ist, die den Luftstrom in die Gasstromstrecke 30 bezüglich der Höhe des Gehäuses 20 flach richtet und den Luftstrom in der Tiefe des Gehäuse 20 breit auffächert. Durch die bei der Ausgestaltung vorgesehen Flachdüse 34 entsteht in der Gasstromstrecke 30 ein Cross-jet, durch den Schmauch noch effektiver daran gehindert wird, nach oben in das Gehäuse 20 an das Schutzglas 18 zu gelangen.
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Die 3 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Laserreinigungsdüse 10, bei der in dem Absaugtrichter 26 eine Gasabsaugung 36 vorgesehen, um aktiv den in den Absaugtrichter 26 eingetretenen Luftstrom mit dem aufgenommenen Schmauch abzusaugen. Weiterhin ist zweckmäßigerweise eine Steuereinheit 40 vorgesehen, die in geeigneter Weise den momentanen Luftstrom sowohl in der Gaseintrittsöffnung 22 als auch der Gasaustrittsöffnung 24 erfasst und die Gaseinblasung 32 und die Gasabsaugung 36 derart ansteuert, dass der in die Gasstromstrecke 30 zugeführte Volumenstrom kleiner ist, als der aus der Gasstromstrecke 30 abgeführte Volumenstrom.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Werkstück
- 4
- Oberfläche
- 6
- Oberflächenschmutzschicht
- 10
- Laserstrahlreinigungsdüse
- 12
- Strahlquelle
- 14
- Längsrichtung
- 16
- Laserstrahl
- 18
- Schutzglas
- 20
- Gehäuse
- 22
- Gaseintrittsöffnung
- 24
- Gasaustrittsöffnung
- 26
- Absaugtrichter
- 28
- Öffnung
- 30
- Gasstromstrecke
- 32
- Gaseinblasung
- 34
- Flachdüse
- 36
- Gasabsaugung
- 38
- Volumen
- 40
- Steuereinheit
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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