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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft das Gebiet der Schutzvorrichtungen für Laserbearbeitungsanlagen. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Wandelement für eine Schutzvorrichtung zur Abschirmung von Laserstrahlung einer in einem Arbeitsbereich befindlichen Laserstrahlquelle gegenüber einem Außenbereich, sowie eine das Wandelement umfassende Laserbearbeitungsanlage.
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Stand der Technik
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Bei der Materialbearbeitung mittels Laserstrahls spielt der Strahlungsschutz zur Gewährleistung der Arbeitssicherheit eine wichtige Rolle.
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1 zeigt schematisch eine Laserbearbeitungsanlage 100 zur Bearbeitung eines Werkstücks 50. Laserstrahlung 22 wird mittels einer Bearbeitungsoptik eines Laserstrahlwerkzeugs (vgl. Laserstrahlquelle 20) auf das Werkstück 50 gerichtet um dieses, zum Beispiel schweißend oder schneidend, zu bearbeiten. Dabei ist es in der Regel unvermeidbar, dass ein Teil der zur Bearbeitung verwendeten Laserstrahlung 22 unkontrollierbar im Arbeitsbereich 30 der Laserbearbeitungsanlage 100 umherstrahlt, beispielsweise durch Reflexion der Laserstrahlung 22 an der Werkstückoberfläche (vgl. 1, 22R) oder durch Fehlfunktionen des Laserstrahlwerkzeugs (vgl. gepunktete Laserstrahlquelle 20 und gepunkteter Laserstrahl 22).
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In vielen Anwendungsbereichen, beispielsweise bei der Metallbearbeitung, wird mit Laserleistungen im kW-Bereich gearbeitet. Um das Gefahrenpotential durch unkontrollierbare Streustrahlung zu minimieren, sind Laserbearbeitungsanlagen 100 mit einer Schutzumhausung 110 (oder allg. Schutzvorrichtung) umgeben, die verhindern soll, dass Streustrahlung aus dem Arbeitsbereich 30 in den die Laserbearbeitungsanlage 100 umgebenden Außenbereich 40 gelangt.
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Um eine ausreichende Sicherheit zu gewährleisten, muss die Schutzumhausung 110 einem Laserstrahl für eine vorgeschriebene Dauer standhalten. Die vorgeschriebene Standzeit kann situationsbedingt variieren. Beispielsweise kann als Standzeit ein Vielfaches (z.B. das doppelte) der Zeit vorgeschrieben sein, die für eine gesicherte Abschaltung der Anlage nach der Detektion eines Problemfalls benötigt wird. Unter Berücksichtigung diverser weiterer Faktoren (z.B. Reflexionen am Werkstück) sowie bestimmter geltender Normen kann die geforderte Standzeit der Schutzumhausung 110 einer Laserbearbeitungsanlage 100 jedoch situationsbedingt ganz unterschiedlich festgelegt sein.
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Bisher wurden Schutzumhausungen für Laserbearbeitungsanlagen meist aus Blech (zum Beispiel aus Stahl oder Aluminium) oder etwa aus Glasfaserverstärktem Kunststoff gefertigt. Die notwendige Sicherheit gegen das Durchdringen von Laserstrahlung wird dabei durch eine ausreichend große Materialstärke oder durch aktive Sensorik erreicht (vgl., z.B.,
EP 2 153 931 A1 und darin zitierte Druckschriften). Metallplatten (ohne Sensorik) sind aufgrund ihres vergleichsweise hohen Gewichts nur im Bereich geringer Laserleistungen als Strahlschutzvorrichtungen geeignet. Insbesondere in beweglichen Teilen der Schutzumhausung (z.B. bewegliche Teile einer Tür), ist der ausschließliche Einsatz von Metallblechen als Strahlschutz daher nachteilig. Alternative Lösungen, wie etwa der oben beschriebene Einsatz von glasfaserverstärkten Kunststoffen, oder von Sensorik, sind in der Regel mit hohen Kosten verbunden.
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In der
DE 10 2014 118 739 A1 wird eine Schutzwand beschrieben, die einen Sandwich-artigen Aufbau mit zwei Metallblechen und einer dazwischenliegenden Absorptionsschicht aufweist. Die Absorptionsschicht besteht aus einem verkohlbaren Material und weist eine große Dicke von mindestens 40 mm, eher von 80 mm, auf. Beim Auftreffen von Laserstrahlung auf die Schutzwand wird die erste Metallschicht vom Laser aufgeschmolzen. Durch die Erhitzung der Metallschicht beginnt die Absorptionsschicht lokal zu verkohlen. Da die Absorptionsschicht im verkohlten Zustand gute Absorptionseigenschaften aufweist, bietet sie einen guten Strahlschutz.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Stand der Technik zu verbessern. Insbesondere soll eine kostengünstige Lösung für eine Strahlschutzwand bereitgestellt werden, die einen schlanken Aufbau und ein geringes Gewicht aufweist und die auch bei hohen Laserleistungen im kW-Bereich einen ausreichenden Strahlschutz gewährleistet.
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Der Erfindung
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Zur Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt ein Wandelement für eine Schutzvorrichtung zur Abschirmung von Laserstrahlung einer in einem Arbeitsbereich befindlichen Laserstrahlquelle gegenüber einem Außenbereich bereitgestellt. Das Wandelement weist einen mehrschichtigen Aufbau auf und umfasst eine Kernschicht aus einem unschmelzbaren Material.
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Die Formulierung „unschmelzbar“ ist vorliegend so zu verstehen, dass das betreffende Material bei Beaufschlagung mit Laserstrahlung nicht schmilzt, sondern (insbesondere durch Verkohlung) thermisch zersetzt wird.
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Das erfindungsgemäße Wandelement ist insbesondere zum Einsatz in Laserbearbeitungsanlagen zum Trennen und Fügen von, insbesondere metallischen, Werkstücken geeignet. Die in derartigen Anlagen verwendete Laserstrahlung ist dafür optimiert, das zu bearbeitende Material aufzuschmelzen. Beim Auftreffen von Laserstrahlung auf die Kernschicht des erfindungsgemäßen Wandelements wird diese nicht geschmolzen, sondern es beginnt ein thermischer Zersetzungsprozess. Für die thermische Zersetzung der Kernschicht ist deutlich mehr Energie erforderlich als für das Durchschmelzen einer Metallschicht gleicher Dicke. Mit anderen Worten benötigt die Laserstrahlung mehr Zeit, sich durch die Kernschicht durchzuarbeiten als sie benötigen würde, um beispielsweise ein Stahl- oder Aluminiumblech gleicher Dicke zu durchbohren. Somit wird die Standzeit des erfindungsgemäßen Wandelements gegenüber einem herkömmlichen Metallblech erhöht.
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Die Kernschicht kann aus Para-Aramid bestehen. Die Kernschicht kann auch aus anderen, unschmelzbaren Materialien oder Materialzusammensetzung bestehen, die zum Beispiel Para-Aramidfasern oder andere aromatische Polyamidfasern umfassen. Die Kernschicht kann beispielsweise m-Aramidfasern, aromatische Polyimidfasern, aromatische Polyamidimidfasern, Polybenzimidazolfasern, Melamin/Formaldehydharz-Fasern, Phenol/Formaldehydharz-Fasern, preoxidierte PAN-Fasern oder Cellulose/Kieselsäure-Hybridfasern umfassen. Beispielsweise kann als Kernschicht eine herkömmliche Brandschutzmatte verwendet werden. Eine solche Brandschutzmatte kann beispielsweise Preoxidiertes Polyacryl (PAN) als Grundmaterial umfassen. Herkömmliche Brandschutzmatten bieten einen guten Strahlschutz und sind kostengünstig verfügbar. Auch eine Pressspanplatte kann als Kernschicht verwendet werden.
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Die Kernschicht kann eine Dicke zwischen 1 mm und 5 mm aufweisen. Beispielsweise kann die Kernschicht eine Para-Aramid-Filzschicht sein, die eine Dicke von 1,4 mm aufweist.
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Das erfindungsgemäße Wandelement mit der Kernschicht weist im Vergleich mit herkömmlichen Strahlschutzwänden eine geringe Dicke und ein geringes Gewicht, bei gleichzeitig sehr guten Strahlschutzeigenschaften auf.
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Gemäß einer Variante kann das Wandelement eine strahlungsundurchlässige Außenschicht aufweisen, die an einer dem Außenbereich zugewandten Seite der Kernschicht angeordnet ist. Je nach verwendetem Material kann es sein, dass die Kernschicht nicht vollständig Strahlungsundurchlässig ist, sodass eine gewisse Menge an Streu- oder Reststrahlung durch die Kernschicht hindurchdringt. Die Außenschicht dient als zusätzlicher Strahlschutz für Laserstrahlung, die durch die Kernschicht hindurchdringt.
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Die Außenschicht kann vorzugsweise aus einem hitzebeständigen Material bestehen. Ferner kann die Außenschicht eine möglichst geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Somit kann die Wärme aus der Kernschicht besser abgeführt werden.
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Die Außenschicht kann aus Metall, insbesondere aus Stahl oder Aluminium, bestehen. Die Außenschicht kann alternativ aus anderen Materialien oder Materialzusammensetzungen bestehen, die die geforderten Eigenschaften erfüllen.
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Die Außenschicht kann eine Dicke zwischen 0,5 mm und 5 mm, vorzugsweise zwischen 1 mm und 3 mm aufweisen. Dicke und Materialzusammensetzung der Außenschicht hängen insbesondere auch von der verwendeten Laserleistung ab. Wenn die Außenschicht zu dünn ist, leidet der Strahlschutz. Wenn die Außenschicht zu dick ist, wird ihr Gewicht zu hoch.
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Gemäß einer weiteren Variante kann das Wandelement eine strahlungsdurchlässige und sauerstoffundurchlässige Innenschicht umfassen, die an einer dem Arbeitsbereich zugewandten Seite der Kernschicht angeordnet ist. Die Innenschicht kann, mit anderen Worten, aus einem Material aufgebaut sein, durch welches die im Arbeitsbereich verwendete Laserstrahlung transmittiert. Die Innenschicht hat die Aufgabe, die Kernschicht beim Verbrennen durch die Laserstrahlung arbeitsseitig von der Sauerstoffzufuhr abzuschneiden. Eine weitere vorteilhafte Wirkung in Bezug auf die durchsichtige Innenschicht besteht darin, dass eine teilweise Beschädigung der Kernschicht durch Laserstrahlung leicht an Brandspuren bzw. Verfärbungen auf der Kernschicht erkannt werden kann. Die Kernschicht kann dann bei Bedarf ausgetauscht werden.
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Die Innenschicht kann beispielsweise aus Acrylglas oder Polycarbonat bestehen. Geeignete Materialien werden beispielsweise unter den Markennamen Plexiglas® (Acrylglas) oder Makrolon® (Polycarbonat) vertrieben. Derartige Materialien haben ein vergleichsweise geringes Gewicht und sind kostengünstig am Markt verfügbar. Die Innenschicht kann auch aus einem beliebigen anderen Material hergestellt sein, das für die abzufangende Laserstrahlung strahldurchlässig ist (z.B. aus Glas). Eine Einkopplung von Laserstrahlung in die Innenschicht sollte soweit wie möglich unterbunden werden. Grundsätzlich ist es vorteilhaft, wenn die Innenschicht eine möglichst hohe Hitzebeständigkeit aufweist.
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Die Innenschicht kann eine Dicke zwischen 3 mm und 10 mm, vorzugsweise zwischen 5 mm und 8 mm aufweisen. Beispielsweise kann die Innenschicht eine 6 mm dicke Acrylglas-Platte der Marke Plexiglas® sein.
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Ein erfindungsgemäßes Wandelement kann beispielsweise einen zweischichtigen Aufbau mit einer Pressspanplatte als Kernschicht und einer Innenschicht gemäß einer der oben beschriebenen Varianten aufweisen. Da die Pressspanplatte im Wesentlichen strahlungsundurchlässig ist und eine geringe Sauerstoffdurchlässigkeit aufweist, ist eine zusätzliche Außenschicht nicht erforderlich.
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Gemäß einer bevorzugten Variante kann das Wandelement einen dreischichtigen Aufbau mit der Kernschicht, der Außenschicht und der Innenschicht aufweisen. Bei dieser Variante ist es vorteilhaft, wenn auch die Außenschicht sauerstoffundurchlässig ist. Auf diese Weise wird eine sauerstoffdurchlässige Kernschicht (z.B. aus Para-Aramidfasern) sowohl vom Arbeitsbereich her (durch die Innenschicht) als auch vom Außenbereich her (durch die Außenschicht) bei der thermischen Zersetzung von der Sauerstoffzufuhr abgeschnitten. Der Verbrennungsprozess der Kernschicht wird auf diese Weise deutlich verlangsamt. Sauerstoff, der sich dennoch zwischen den Schichten angesammelt hat, z.B. durch Nachfließen von Rändern des Schichtaufbaus, wird durch Gase verdrängt, die bei der thermischen Zersetzung der Kernschicht entstehen. Dadurch wird der Zersetzungsprozess zusätzlich verlangsamt.
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Um die Kernschicht noch effizienter von der Sauerstoffzufuhr abzuschneiden kann eine Dichtung vorgesehen sein, welche gemeinsam mit der Innenschicht und der Außenschicht eine geschlossene, luftdichte Umhausung für die Kernschicht bildet.
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Gemäß einer weiteren Variante können die Kernschicht und die Innenschicht voneinander beanstandet sein, sodass ein Zwischenraum zwischen der Kernschicht und der Innenschicht gebildet wird, wobei das Wandelement Mittel umfasst, die dazu ausgebildet sind, in dem Zwischenraum eine sauerstoffarme oder sauerstofffreie Umgebung zu erzeugen. Der Zwischenraum erschwert die Wärmeübertragung von der Kernschicht auf die Innenschicht. Auf diese Weise soll verhindert werden, dass die Innenschicht durch lokale Erhitzung der Kernschicht aufgeschmolzen wird und somit die Sauerstoffzufuhr vom Arbeitsbereich her wiederhergestellt wird. Um in dem Zwischenraum eine sauerstoffarme oder sauerstofffreie Umgebung zu erzeugen, kann eine Vakuumpumpe vorgesehen sein. Alternativ kann eine Gaszufuhr vorgesehen sein, die den Zwischenraum mit einem Schutzgas befüllt.
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Insgesamt lassen sich durch den geschichteten Aufbau des erfindungsgemäßen Wandelements wesentlich höhere Standzeiten gegen Beschuss durch Laserstrahlung realisieren als durch eine separate Verwendung der jeweiligen Einzelschichten zu erreichen wäre.
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Zur Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe wird gemäß einem zweiten Aspekt eine Schutzvorrichtung zur Abschirmung von Laserstrahlung einer in einem Arbeitsbereich einer Laserbearbeitungsanlage befindlichen Laserstrahlquelle gegenüber einem Außenbereich bereitgestellt, wobei die Schutzvorrichtung wenigstens ein Wandelement gemäß einer der oben beschriebenen Varianten umfasst.
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Die Begriffe „Schutzvorrichtung““ und „Schutzumhausung“ werden im Rahmen dieser Offenbarung synonym verwendet.
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Vorzugsweise kann es vorgesehen sein, dass erfindungsgemäße Wandelemente nur in solchen Bereichen der Schutzumhausung (bzw. der Schutzvorrichtung) vorgesehen sind, die im Betrieb der Laserbearbeitungsanlage reflektierter Laserstrahlung in besonderem Maße ausgesetzt sind, oder in deren Nähe sich besonders häufig Bedienpersonal aufhält. Solche Bereiche können insbesondere einen Dachbereich und/oder einen Türbereich der Schutzumhausung umfassen.
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Zur Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe wird gemäß einem dritten Aspekt eine Laserbearbeitungsanlage bereitgestellt. Die Laserbearbeitungsanlage umfasst einen Arbeitsbereich mit einer Laserstrahlquelle; und eine Schutzvorrichtung gemäß einer der oben beschriebenen Varianten.
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Ausführungsbeispiele
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Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:
- 1 schematisch den Aufbau einer Laserbearbeitungsanlage mit einer Schutzumhausung/Schutzvorrichtung;
- 2 schematisch den Aufbau eines erfindungsgemäßen Wandelements gemäß einer Variante; und
- 3 schematisch den Aufbau eines erfindungsgemäßen Wandelements gemäß einer weiteren Variante.
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Die 1 wurde im Zusammenhang mit dem Stand der Technik bereits genauer beschrieben. Es sei auf die dortigen Ausführungen verwiesen.
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Im Folgenden wird anhand der 2 und 3 der Aufbau eines erfindungsgemäßen Wandelements beschrieben.
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2 zeigt beispielhaft einen dreischichtigen Aufbau eines erfindungsgemäßen Wandelements 10. Das Wandelement 10 umfasst eine Kernschicht 14, die von einer Außenschicht 12 und einer Innenschicht 16 umgeben ist. Die Innenschicht 16 ist an der einem Arbeitsbereich 30 zugewandten Seite der Kernschicht 14 angeordnet und besteht aus einem lichtdurchlässigen und sauerstoffundurchlässigen Material. Die Außenschicht 12 ist auf der einem Außenbereich 40 zugewandten Seite der Kernschicht 14 angeordnet und besteht aus einem lichtundurchlässigen und sauerstoffundurchlässigen Material. Wenn Laserstrahlung 22, 22R, die von einer Laserstrahlquelle 20 im Arbeitsbereich 30 ausgeht, beispielsweise durch Reflexionen oder aufgrund einer Fehlfunktion, das Wandelement 10 erreicht, transmittiert diese durch die Innenschicht 16, ohne diese zu beschädigen und trifft auf die Kernschicht 14. Die Kernschicht 14 besteht aus einem unschmelzbaren Material, beispielsweise aus Para-Aramid, und wird durch die Laserstrahlung langsam thermisch zersetzt bzw. verbrannt. Durch die Innenschicht 16 und die Außenschicht 12 wird verhindert, dass Sauerstoff an die von der Laserstrahlung 22 beaufschlagte Stelle der Kernschicht 14 nachfließt. Dadurch wird der Zersetzungsprozess der Kernschicht 14 erheblich verlangsamt.
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In einem Test wurde ein erfindungsgemäßes Wandelement mit einer 6 mm dicken Innenschicht 16 aus Acrylglas der Marke Plexiglas®, einer 2,1 mm dicken Kernschicht 14 aus einem Para-Aramid-Gewebe (in Form einer Filzmatte) und ein 2 mm dickes Aluminiumblech als Außenschicht 12 verwendet. Dieses Wandelement wurde aus einer Entfernung von 460 mm für eine Dauer von 100 Sekunden mit einem 5,33 kW-Laser beschossen, wobei die Außenschicht 12 über den gesamten Versuchszeitraum unversehrt blieb.
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In 3 ist eine Abwandlung des Wandelements 10 gemäß 2 dargestellt. Die in 3 dargestellte Variante weist zusätzlich einen Zwischenraum 15 zwischen der Kernschicht 14 und der Innenschicht 16 auf. Die Zwischenschicht 15 erschwert die Wärmeübertragung von der Kernschicht 14 auf die Innenschicht 16. Durch die Einkopplung der Laserstrahlung 22 in die Kernschicht 12 wird die Kernschicht stark erhitzt. Die Wärme der Kernschicht 14 überträgt sich auf die angrenzende Innenschicht 16. Um zu verhindern, dass die Innenschicht 16 schmilz und die Sauerstoffzufuhr vom Arbeitsraum 30 her ermöglicht, kann der Zwischenraum 15 als isolierende Schicht vorgesehen sein. Bei einer Variante gemäß 3 muss sichergestellt werden, dass nicht über den Zwischenraum 15 von den Rändern des Wandelements 10 her (vgl. oberer und unterer Rand des Wandelements 10 in 3) die von der Laserstrahlung 22 beaufschlagte Stelle mit Sauerstoff versorgt wird. Um dieser Situation vorzubeugen, kann dem Zwischenraum 15 beispielsweise mittels einer Vakuumpumpe Sauerstoff entzogen und das Wandelement 10 an seinen Rändern durch eine Dichtung luftdicht verschlossen werden. Alternativ kann der Zwischenraum durch entsprechende Mittel mit Schutzgas (z.B. Stickstoff) beaufschlagt werden, welches den Sauerstoff im Zwischenraum verdrängt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Wandelement
- 12
- Außenschicht
- 14
- Kernschicht
- 15
- Zwischenraum
- 16
- Innenschicht
- 20
- Laserstrahlquelle
- 22
- Laserstrahlung
- 22R
- Reflektierte Laserstrahlung
- 30
- Arbeitsbereich
- 40
- Außenbereich
- 50
- Werkstück
- 100
- Laserbearbeitungsanlage
- 110
- Schutzvorrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2153931 A1 [0006]
- DE 102014118739 A1 [0007]
