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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Laserbearbeitungsmaschinen. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Schutzglasanordnung mit einem optikseitigen und einem prozessseitigen Schutzglas für einen Laserbearbeitungskopf, insbesondere einen Laserschneidkopf.
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Stand der Technik
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Optische Elemente in Bearbeitungsköpfen haben eine hohe Anforderung an Positionsgenauigkeit und Sauberkeit. Verschmutzungen eines optischen Elements führen zu erhöhter Absorption der Laserstrahlung und damit zu einer Temperaturerhöhung der Optik sowie zu thermisch induzierten Spannungen. Zum Schutz der sensiblen Optik werden in Laserbearbeitungsanlagen an dem dem Prozess zugewandten Ende (unterhalb der Fokussierlinse von Laserbearbeitungsköpfen) Schutzgläser eingebaut, die die Optik gegenüber dem Bearbeitungsprozess abschirmen (vgl. 2). Bei Anlagen zum Laserbrennschneiden oder Laserschmelzschneiden wird das Schneidgas, welches gemeinsam mit dem Laserstrahl auf das Werkstück gerichtet wird in der Regel erst unterhalb des Schutzglases in den Schneidkopf eingeführt.
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Schutzgläser sind in vergleichsweise hohem Maße Verschmutzungen ausgesetzt (z.B. Spritzer, die bei der Materialbearbeitung durch die Bearbeitungsdüse in den Schneidkopf gelangen, oder andere Schmutzpartikel, die durch das Schneidgas an das Schutzglases gelangen und sich daran anlagern). Verschmutzte Schutzgläser müssen ausgetauscht werden. Beim Tausch eines Schutzglases besteht die Gefahr, dass Schmutzpartikel in die Optik geraten.
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Um den Schutz gegenüber Verschmutzung der Laserbearbeitungsoptik zu erhöhen kann zusätzlich zu einem prozessseitigen Schutzglas ein weiteres, optikseitiges Schutzglas verwendet werden. Das optikseitige Schutzglas ist zwischen dem prozessseitigen Schutzglas und der Bearbeitungsoptik angeordnet und schützt die Optik vor Verschmutzung beim Tausch des prozessseitigen Schutzglases.
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Lösungen zur Verwendung zweier Schutzgläser in einer Laserbearbeitungsoptik sind beispielsweise aus
EP3045258A1 ,
EP3112073A1 ,
DE102018131668A1 oder
WO2020230844A1 bekannt. Die Schutzgläser im vorgenannten Stand der Technik sind teilweise in Kassetten angeordnet, die zum Tausch des entsprechenden Schutzglases seitlich aus einem Laserbearbeitungskopf entnehmbar sind.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde den Stand der Technik zu verbessern. Insbesondere soll der Tausch eines prozessseitigen Schutzglases vereinfacht werden, um es dem Bedienpersonal einer Laserbearbeitungsanlage zu ermöglichen das Schutzglas auf einfache Weise prozesssicher auszutauschen, ohne dabei umliegende Komponenten des Laserbearbeitungskopfes zu beschädigen oder zu verschmutzen. Das prozessseitige Schutzglas soll unabhängig von wenigstens einem weiteren, optikseitigen, Schutzglas möglich sein. Im Falle einer Verschmutzung des optikseitigen Schutzglases (etwa durch unsachgemäßen Tausch des prozessseitigen Schutzglases) muss auch das optikseitige Schutzglas ausgetauscht werden. Der Tausch des optikseitigen Schutzglases hat noch höhere Anforderungen an die Sauberkeit und die präzise Installation und soll durch die Erfindung ebenfalls vereinfacht werden.
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Die Erfindung
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Zur Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt eine Schutzglasanordnung für einen Laserbearbeitungskopf bereitgestellt. Die Schutzglasanordnung kann vorzugsweise für die Verwendung in einem Laserschneidkopf zum Laserbrennschneiden oder Laserschmelzschneiden ausgebildet sein. Gleichwohl kann die Schutzglasanordnung auch für die Verwendung in anderen Laserbearbeitungsköpfen - etwa zum Laserschweißen - geeignet sein.
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Die Schutzglasanordnung umfasst eine, im Wesentlichen hohlzylinderförmige, Hülse und eine, im Wesentlichen hohlzylinderförmige, Patrone, die in die Hülse aufnehmbar ist. Ferner umfasst die Schutzglasanordnung ein erstes, optikseitiges Schutzglas, das auf einem ersten, oberen axialen Ende der Hülse positionierbar ist und ein zweites, prozessseitiges Schutzglas, das auf einem ersten, oberen axialen Ende der Patrone positionierbar ist. Die Schutzgläser können vorzugsweise jeweils als zylinderförmige Planplatten ausgebildet sein. Die Hülse und die Patrone können jeweils vorzugsweise aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere aus Stahl, hergestellt sein.
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Die Formulierung „im Wesentlichen hohlzylinderförmig“ ist im Zusammenhang der vorliegenden Offenbarung so zu verstehen, dass die entsprechenden Komponenten die Form eines Hohlzylinders mit kreisförmiger Innen- und Außenkontur aufweisen können. Ferner sind leichte Abweichungen von dieser Grundform umfasst (z.B. Ecken, Ausnehmungen, Vorsprünge oder Ähnliches).
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Die Hülse weist an ihrem ersten axialen Ende einen radial nach innen ragenden Aufnahmebereich auf. Die Schutzglasanordnung umfasst ferner einen Flachdichtring aus Kunststoff, der an einer Unterseite des Aufnahmebereichs der Hülse angeordnet ist und der einen oberen Anschlag für das zweite Schutzglas bildet. Der Flachdichtring ist dazu ausgebildet einen Zwischenraum, der zwischen dem optikseitigen und dem prozessseitigen Schutzglas ausgebildet ist, gegen das Eindringen von Schmutzpartikeln abzudichten. Der Flachdichtring kann beispielsweise aus einem hochtemperaturbeständigen thermoplastischen Kunststoff bestehen, insbesondere aus Polyetheretherketon (PEEK).
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Angaben wie „oben“, „unten“, „übereinander“, „untereinander“, „auf“, „unter“, „vertikal“, „horizontal“ beziehen sich im Rahmen dieser Offenbarung auf die Lage der entsprechenden Komponenten in einem in einen Laserbearbeitungskopf eingebauten Zustand der Schutzglasanordnung, wobei der Laserstrahl von oben nach unten durch den Laserschneidkopf geleitet wird. Die Schutzglasanordnung ist in einem Laserbearbeitungskopf räumlich zwischen einer Fokussieroptik für den Laserbearbeitungsstrahl und der Öffnung (Düse) des Laserbearbeitungskopfes anordenbar, durch die der Laserbearbeitungsstrahl auf ein zu bearbeitendes Werkstück gerichtet wird. Wenn die Schutzglasanordnung in einem Laserbearbeitungskopf installiert ist, dann ist das prozessseitige Schutzglas näher an der Düse angeordnet und das optikseitige Schutzglas näher an der Fokussieroptik.
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Das optikseitige Schutzglas kann mittels eines Befestigungsrings aus Kunststoff, insbesondere aus PEEK, auf der Hülse befestigbar sein, wobei der Befestigungsring eine reversible Schnappverbindung mit der Hülse bildet. Insbesondere kann der Befestigungsring an seinem oberen Ende einen radial nach innen ragenden Halteabschnitt aufweisen, der dazu ausgebildet ist über das erste Schutzglas zu greifen. Ferner kann der Befestigungsring Verschlusselemente aufweisen, die sich in axialer Richtung außerhalb des ersten Schutzglases erstrecken und in dafür vorgesehene Aussparungen am Außenumfang der Hülse eingreifen, um eine reversible Schnappverbindung zu bilden. Mittels des Befestigungsrings kann die Installation / Deinstallation der Hülse in einem Laserbearbeitungskopf erleichtert werden, indem das erste Schutzglas auf einfache Weise gemeinsam mit der Hülse in den Laserbearbeitungskopf einsetzbar bzw. daraus entnehmbar ist.
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Die Patrone kann an ihrem oberen axialen Ende eine Einfassung zur Aufnahme des zweiten Schutzglases aufweisen. Mit anderen Worten kann die Patrone an ihrem oberen axialen Ende eine Ablagefläche für das zweite Schutzglas bilden mit einem Rand, der sich außerhalb des zweiten Schutzglases über einen Teil der Dicke des zweiten Schutzglases erstreckt. Das zweite Schutzglas kann somit positionsgenau auf der Patrone gelagert werden. Vorzugsweise kann in der Ausnehmung (bzw. auf der Ablagefläche) ein Dichtungsring angeordnet sein. Der Dichtungsring kann dazu ausgebildet sein, gemeinsam mit dem zweiten Schutzglas das Eindringen von Schneidgas in den Optikraum der Schneideinheit bzw. des Schneidkopfes zu verhindern. Der Dichtungsring kann beispielsweise aus einem Elastomer hergestellt sein, beispielsweise mit einer Shore-Härte von 70 Shore A.
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Die Patrone kann im Bereich ihres oberen axialen Endes an ihrem Außenumfang einen konvexen Führungsring aus Kunststoff, vorzugsweise aus PEEK, aufweisen, der am Außenumfang der Patrone radial hervorsteht. Der Führungsring kann insbesondere im oberen Drittel der Patrone angeordnet sein. Die Patrone kann an ihrem Außenumfang eine umlaufende Nut aufweisen, die zur ortsfesten Positionierung des Führungsrings am Außenumfang der Patrone dient. Beim Einsetzen der Patrone in die Hülse kann der Führungsring als Verschleißschutz dienen und verhindern, dass eine Innenfläche der Hülse und/oder eine Außenfläche der Patrone beschädigt werden.
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Die Schutzglasanordnung kann ferner einen Einführring aus Kunststoff, vorzugsweise aus PEEK, umfassen, der an einem zweiten, unteren axialen Ende der Hülse befestigbar ist, und der eine Einführschräge aufweist, die ein Einführen der Patrone in die Hülse erleichtert. Wie auch der Führungsring am Außenumfang der Patrone erfüllt der Einführring insbesondere eine Verschleißschutzfunktion. Beim Einführen der Patrone in die Hülse können durch den Führungsring insbesondere Beschädigungen am Außenumfang der Patrone vermieden werden. In einer bevorzugten Variante, der Schutzglasanordnung, die den Flachdichtring an der Unterseite des Aufnahmebereichs der Hülse, sowie den Führungsring am Außenumfang der Patrone und den Einführring am unteren Ende der Hülse umfasst, kann ein besonders hoher Verschleißschutz sowohl der Hülse als auch der Patrone bei der Installation / Deinstallation der Patrone gewährleistet werden.
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Wie oben erwähnt können einige der Komponenten vorzugsweise aus dem verschleißresistenten Kunststoff PEEK hergestellt sein. Alternativ zu PEEK können auch andere geeignete Kunststoffe, beispielsweise aus den Gruppen der Polyetherketone (PEK) oder der Polyphenylsulfide (PPS) für diese Komponenten verwendet werden. Diese Kunststoffe zeichnen sich insbesondere durch ihre hohe Temperaturbeständigkeit und ihre guten mechanischen Eigenschaften aus.
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Die Patrone kann an ihrer Unterseite eine umlaufende Nut aufweisen, sowie Bohrungen, die sich jeweils von der umlaufenden Nut aus (in axialer Richtung) in der Wand der Patrone erstrecken und an einer Wandinnenseite der Patrone münden. Die Umlaufende Nut kann in einer Auflagefläche an der Unterseite der Patrone angebracht sein. In einem in einen Laserschneidkopf eingebauten Zustand kann die umlaufende Nut mit einem Anschluss für Prozessgas / Schneidgas verbunden sein. Das Schneidgas wird unter Druck in die Nut geleitet, von wo aus es über die Bohrungen in den Innenraum der Patrone gelangt. Vom Innenraum der Patrone aus gelangt das Prozessgas über einen Düsenkörper zur Schneiddüse, an der es gemeinsam mit dem Laserstrahl aus dem Laserschneidkopf austritt. Um einen sicheren Schneidprozess zu gewährleisten ist es wichtig, dass die Schutzglasanordnung lateral und nach oben hin gegen eine Schneidgasleckage abgedichtet ist. Nach oben hin sorgen der Dichtungsring für das zweite Schutzglas und (zumindest teilweise) der Flachdichtring für eine Abdichtung. Zur Überprüfung der Dichtheit der Patrone kann eine Sensorik vorgesehen sein, die Druckänderungen in einem ringförmigen Zwischenraum zwischen der Patrone und der Hülse (also radial zwischen Patrone und Hülse). Im Falle einer Leckage von Schneidgas kann es vorgesehen sein, einen laufenden Laserschneidprozess zu unterbrechen und den Laser abzuschalten.
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Die Wand der Patrone kann vorzugsweise im Querschnitt eine Keilform aufweisen, sodass die Patrone innenseitig trichterförmig ausgebildet ist.
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Die Patrone kann an ihrem Außenumfang ferner eine Vielzahl von Einbuchtungen aufweisen, die sich in Längsrichtung der Patrone erstrecken und die vorzugsweise in gleichmäßigen Abständen am Außenumfang der Patrone angeordnet sind. Diese länglichen Einbuchtungen erleichtern das Einführen der Patrone in die Hülse bzw. ihre Entnahme aus der Hülse, indem ein Luftaustausch zwischen dem Innenraum der Hülse und der Umgebung am unteren Ende der Hülse erleichtert wird. Zudem kann durch eine großvolumige Gestaltung dieser länglichen Einbuchtungen ein großes Luftvolumen bei niedriger Strömungsgeschwindigkeit ausgetauscht werden. Dies ist wichtig, um einem Einsaugen von Partikeln aus der Umgebung in die Patrone entgegenzuwirken.
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Zur Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe wird gemäß einem zweiten Aspekt ein Laserbearbeitungskopf, insbesondere ein Laserschneidkopf, bereitgestellt, der die Schutzglasanordnung gemäß einer der oben beschriebenen Varianten umfasst. Der Laserschneidkopf kann insbesondere zum Laserbrennschneiden oder Laserschmelzschneiden ausgebildet sein und eine Schneidgaszuführleitung aufweisen, die mit der umlaufenden Nut am unteren Ende der Patrone koppelbar ist.
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Ausführungsbeispiele
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Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung.
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Es zeigen:
- 1 eine Laserschneidanlage in einer perspektivischen Gesamtansicht;
- 2 eine schematische Darstellung einer Laserschneidvorrichtung in Form eines Laserschneidkopfs einer Anlage gemäß 1;
- 3a-b Ansichten einer Schutzglasanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung;
- 4 eine Schnittansicht einer ersten Baugruppe mit einer Hülse und einem ersten Schutzglas zur Verwendung in einer erfindungsgemäßen Schutzglasanordnung;
- 5 eine Schnittansicht einer zweiten Baugruppe mit einer Patrone und einem zweiten Schutzglas zur Verwendung in einer erfindungsgemäßen Schutzglasanordnung; und
- 6 ausschnittsweise einen Laserschneidkopf mit einer erfindungsgemäßen Schutzglasanordnung.
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1 zeigt eine Laserschneidanlage 20, in der eine erfindungsgemäße Schutzglasanordnung eingesetzt werden kann.
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Die Laserschneidanlage 20 weist einen Laserstrahlerzeuger 21 auf (z.B. für einen CO2 Laser oder einen Festkörperlaser). Sie weist einen verfahrbaren Laserschneidkopf 22 und eine Werkstückauflage 23 auf, auf der das Werkstück 28 angeordnet ist. Im Laserstrahlerzeuger 21 wird der Laserstrahl 29 erzeugt und mittels eines (nicht gezeigten) Lichtleitkabels oder (nicht gezeigten) Umlenkspiegeln vom Laserstrahlerzeuger 21 zum Laserschneidkopf 22 geführt. Der Laserstrahl 29 wird mittels einer im Laserschneidkopf 22 angeordneten Fokussieroptik auf das Werkstück 28 gerichtet. Die Laserschneidanlage 20 wird darüber hinaus mit Schneidgasen 24, beispielsweise Sauerstoff und/oder Stickstoff, versorgt. Das Schneidgas 24 wird einer Schneidgasdüse 25 des Laserschneidkopfes 22 zugeführt, aus der es zusammen mit dem Laserstrahl 29 austritt. Die Laserschneidanlage 20 umfasst ferner eine Umschaltoptik 26 (beispielsweise ein diffraktives optisches Element oder einen adaptiven Spiegel) zum Umschalten zwischen einem größeren und einem kleineren Fokusdurchmesser des Laserstrahls 29 oder eine im Laserschneidkopf 22 angeordnete, aus mehreren Linsen bestehende Zoom-Optik zur Variation von Fokuslage und Fokusdurchmesser des Laserstrahls 29, sowie eine Maschinensteuerung 27, die programmiert ist, sowohl den Laserschneidkopf 22 samt seiner Schneidgasdüse 25 entsprechend der Schneidkontur relativ zum Werkstück 28 zu verfahren als auch die Umschaltoptik 26 oder die Zoom-Optik anzusteuern. Die Umschaltoptik 26 muss nicht zwangsläufig im Laserschneidkopf 22 angeordnet sein, sondern kann sich auch im oder am Strahlerzeuger 21 vor einem Lichtleitkabel oder an anderer Stelle in der Strahlführung befinden.
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2 zeigt einen beispielhaften Aufbau eines Laserbearbeitungskopfs in Form eines Laserschneidkopfs 22, der an einer Laserschneidanlage 20 zum Einsatz kommen kann, mit einem Gehäuse 32, in das der Laserstrahl 29 über eine Transportfaser 34 eingekoppelt wird. Der Laserstrahl 29 trifft divergent auf eine erste Linse 35 mit kurzer Brennweite und wird über einen Zwischenfokus 36 auf eine zweite Linse 37 abgebildet. Der durch die zweite Linse 37 kollimierte Laserstrahl 29 wird über eine (ortsfeste) weitere, durch eine Halterung 46 gehaltene Linse 38, die als Fokussieroptik dient, auf eine Werkstückoberfläche 39 zur Lasermaterialbearbeitung fokussiert.
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Zur Einstellung von Fokuslage und Fokusdurchmesser des Laserstrahls 29 sind jeweils Linsen-Halterungen 43, 44 für die erste Linse 35 bzw. die zweite Linse 37 mittels Fokuseinstelleinrichtungen 40, 42 (gesteuert durch von einer Steuerung vorgegebene Steuersignale) entlang der optischen Achse 31 des Laserstrahls 29 verschiebbar. Es versteht sich, dass die oben beschriebene Linsen-Anordnung nach dem Prinzip eines Keppler-Teleskops alternativ durch eine Galileo-Teleskop-Anordnung ersetzt werden kann.
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Die Linsen-Halterungen 43, 44 zur Führung der ersten bzw. zweiten Linse 35, 37 weisen Überströmungskanäle 33 auf, die für einen Druckausgleich zwischen den Kammern 47, 48, 49 beim Bewegen der Linsen 35, 37 sorgen.
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In Strahlausbreitungsrichtung der Fokussieroptik nachgeordnet, weist der Bearbeitungskopf 22 ein durch eine Halterung 46 gehaltenes Schutzglas/Druckfenster 30 auf. Ein nicht näher gezeigter Kollisionsschutz sieht dabei vor, dass eine kollisionsbedingte Trennung in dem Bereich 41a zwischen Fokussieroptik und Schutzglas/Druckfenster 30 erfolgen kann. Ein um diesen Bereich 41a an dem Gehäuse 32 der Strahlformungseinheit angebrachter Faltenbalg 41 verhindert in einem solchen Fall das Eindringen von Schmutzpartikeln, die sich im ungünstigsten Fall direkt an der Fokussieroptik absetzen könnten.
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Die erfindungsgemäße Schutzglasanordnung kann anstelle des schematisch dargestellten Schutzglases 30 in einem Laserschneidkopf 22 gemäß 2 angeordnet sein.
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Im Zusammenhang mit den 3a und 3b werden im Folgenden Aspekte einer erfindungsgemäßen Schutzglasanordnung näher beschrieben.
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3a zeigt eine Schutzglasanordnung 100 in einer isometrischen Darstellung. 3b zeigt einen Längsschnitt durch die gleiche Schutzglasanordnung 100. Die Schutzglasanordnung 100 umfasst eine hohlzylinderförmige Hülse 210 in die eine ebenfalls hohlzylinderförmige Patrone 310 aufgenommen ist.
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An einem ersten, oberen axialen Ende 212 der Hülse 210 ist ein erstes, optikseitiges Schutzglas 220 auf einem Dichtungsring 240 gelagert, der in einer Nut an der Oberseite der Hülse 210 aufgenommen ist. Das erste Schutzglas 220 ist mittels eines Befestigungsrings 230 an der Hülse 210 befestigt. Der Befestigungsring 230 besteht aus Polyetheretherketon (PEEK) oder einem vergleichbaren hochtemperaturbeständigen Kunststoff. An seinem oberen Ende weist der Befestigungsring 230 einen Halteabschnitt 232 auf, der sich, vorzugsweise mit einer vorgebbaren Neigung, radial nach innen erstreckt. Der Halteabschnitt 232 greift über das erste Schutzglas 220. Genauer gesagt liegt der Halteabschnitt 232 des Befestigungsrings 230 an einer umlaufenden Fase des ersten Schutzglases 220 an, die an einer oberen Außenkante des ersten Schutzglases 220 ausgebildet ist. Durch die Fase und den geneigten Halteabschnitt 232 des Befestigungsrings 230 lässt sich das erste Schutzglas 220 positionsgenau auf der Hülse 210 anbringen und im Strahlengang eines Laserbearbeitungskopfes auf einfache Weise zentrieren.
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Der Befestigungsring 230 weist ferner Verschlusselemente 234 und Gegenhalteelemente 236 auf, die in gleichmäßigen Abständen am Umfang des Befestigungsrings 230 angeordnet sind und die sich außerhalb des ersten Schutzglases 220 in axialer Richtung nach unten erstrecken. Die Verschlusselemente 234 weisen jeweils ein längliches Verschlussteil mit einem keilförmigen Haken auf, sowie ein längliches Öffnungsteil, das durch einen Zwischenraum in Umfangsrichtung des Befestigungsrings 230 von dem Verschlussteil beabstandet ist. Die Verschlusselemente sind dazu ausgebildet in dafür vorgesehene Ausnehmungen 216 am oberen Ende 212 der Hülse 210 einzugreifen und einen reversiblen Schnappverschluss mit der Hülse 210 zu bilden. Durch den Schnappverschluss wird das erste Schutzglas 220 auf der Hülse 210 fixiert und kann gemeinsam mit der Hülse 210 in den Strahlengang eines Laserbearbeitungskopfes eingesetzt und daraus entnommen werden.
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Die Gegenhalteelemente 236 weisen an ihrem unteren Ende jeweils eine Ausstülpung auf, die sich radial nach innen erstreckt, um unter das erste Schutzglas 220 zu greifen und dieses in dem Befestigungsring 230 zu halten. Mithilfe der Gegenhalteelemente 236 kann der Befestigungsring 230 auf das erste Schutzglas 220 geklippt und gemeinsam mit dem ersten Schutzglas 220 mittels der Verschlusselemente 234 auf der Hülse 210 befestigt werden. Dies erleichtert die Installation / Deinstallation des ersten Schutzglases 220 zusätzlich.
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Der Befestigungsring 230 weist vorzugsweise etwa den gleichen Außendurchmesser auf wie die Hülse 210. Damit die Gegenhalteelemente 236 beim Aufsetzen auf die Hülse 210 nicht mit der Hülse 210 kollidieren, weist die Hülse 210 an ihrem oberen Ende 212 ferner Ausnehmungen 218 auf, in die die Gegenhalteelemente 236 hineinragen können, ohne mit der Hülse 210 zu kollidieren.
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Die Hülse 210 weist an ihrem oberen Ende 212 einen radial nach innen ragenden Aufnahmebereich 250 auf. An der Unterseite des Aufnahmebereichs 250 ist ein Fachdichtring 260 aus Kunststoff, beispielsweise aus PEEK angeordnet. Der Flachdichtring 260 bildet einen oberen Anschlag für ein zweites, prozessseitiges Schutzglas 320, das auf der Patrone 310 angeordnet ist.
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Das zweite Schutzglas 320 ist in einer Einfassung am oberen Ende 312 der Patrone 310 positioniert. Die Einfassung bildet am oberen Ende 312 der Patrone 310 einen schmalen, umlaufenden Rand, der das zweite Schutzglas 320 umgibt, sodass es exakt zentriert auf der Patrone 310 positionierbar ist. Zur Abdichtung des Innenraums der Patrone 310 gegen ein Entweichen von Schneidgas / Prozessgas in den Optikraum ist das zweite Schutzglas 320 auf einem Dichtungsring 340 gelagert, der in einer Nut in der Einfassung am oberen Ende 312 der Patrone 310 aufgenommen ist.
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Kurz unterhalb des oberen axialen Endes 312 der Patrone 310 ist ein Führungsring 350 mit einer konvexen Außenfläche am Außenumfang der Patrone 310 angebracht. Der Führungsring 350 besteht aus PEEK oder einem vergleichbaren Hochleistungs-Kunststoff. Der Führungsring 350 ist in eine dafür vorgesehene Nut am Außenumfang der Patrone 310 befestigt und ragt mit seiner konvexen Außenfläche radial über den Außenumfang der Patrone 310 hinaus.
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Am unteren Ende 213 der Hülse 210 ist ein Einführring 270 angeordnet, der eine umlaufende Einführschräge für die Patrone 310 bildet. Wie der Befestigungsring 230, der Flachdichtring 260 und der konvexe Führungsring 350 besteht der Einführring 270 aus einem Hochleistungskunststoff, insbesondere aus PEEK. Durch den Einführring 270 am unteren Ende 214 der Hülse, sowie den konvexen Führungsring 350 am Außenumfang der Patrone 310 und den Flachdichtring 260 unterhalb des Aufnahmebereichs 250 der Hülse 210 kann die Installation / Deinstallation der Patrone 310 in der Hülse 210 besonders verschleißarm durchgeführt werden. Zum Wechseln des zweiten Schutzglases 320 muss die Patrone 310 nach unten aus der Hülse 210 entnommen werden. Bei der manuellen Entnahme, wie auch beim anschließenden Einsetzen der Patrone 310 mit einem ausgetauschten Schutzglas 320 können Berührungen zwischen der Außenseite der Patrone 310 und der Innenseite der Hülse 210 praktisch nicht vermieden werden. Sowohl die Hülse 210 als auch die Patrone 310 sind aus Metall, beispielsweise aus Stahl, gefertigt. Kollisionen zwischen Patrone 310 und Hülse 210 können zu Beschädigungen an der Innenseite der Hülse 210 und/oder der Außenseite der Patrone 310 führen. Durch die Kunststoffelemente 260, 350 und 270 können derartige Beschädigungen weitestgehend vermieden werden. Beim Einsetzen der Patrone 310 in die Hülse 210 wird die Patrone 310 durch die Einführschrägen des Einführrings 270 in die Öffnung an der Unterseite der Hülse 210 geleitet. Beim weiteren Einführen der Patrone 310 in die Hülse 210, wird die Patrone 310 einerseits mittels des konvexen Führungsrings 350 und andererseits mittels des Einführrings 270 geführt, bis das zweite Schutzglas 320 an dem Flachdichtring 260 anliegt.
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Die Wand der Patrone 310 weist einen keilförmigen Querschnitt auf, sodass ein trichterförmiger Strahlengang im Innenraum der Patrone 310 gebildet wird. An ihrem unteren Ende 314 weist die Patrone 310 eine umlaufende Nut 360 auf. Von der Nut 360 aus erstrecken sich in axialer Richtung Bohrungen 362 in der Wand der Patrone 310, die an einer Wandinnenseite der Patrone 310 münden. Die Nut 360 und die Bohrungen 362 dienen der Zufuhr von Schneidgas / Prozessgas zum Laserschneiden. Das Schneidgas wird über einen Gasanschluss an der Unterseite der Patrone 310 in die Nut 360 eingeleitet. Das eingeleitete Schneidgas, insbesondere Stickstoff oder Sauerstoff, verteilt sich auf dem gesamten Umfang der Nut 360 und gelangt über die Bohrungen 362 in den Patroneninnenraum. Von dort aus wird es nach unten hin zu einer Schneiddüse geleitet, an der es gemeinsam mit dem Laserstrahl aus dem Laserschneidkopf austritt, in den die Schutzglasanordnung einsetzbar ist.
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Am Außenumfang der Patrone 310 sind mehrere, z.B. 7 oder mehr, längliche Einbuchtungen 370 ausgebildet. Die Einbuchtungen 370 sind in Umfangsrichtung der Patrone 310 vorzugsweise in gleichmäßigen Abständen zueinander angeordnet und erstrecken sich jeweils in Längsrichtung der Patrone 310. Die Einbuchtungen 370 sollen den Luftaustausch beim Einsetzen der Patrone 310 in die Hülse 210 bzw. bei der Entnahme der Patrone 310 aus der Hülse 210 zwischen dem Hülseninnenraum und der Umgebung erleichtern. Dadurch wird das Herauszeihen bzw. das Einschieben der Patrone 310 erleichtert. Ebenso wird durch eine voluminöse Gestaltung der Einbuchtungen die Ein- bzw. Ausströmgeschwindigkeit der Luft reduziert, wodurch die Gefahr der Partikeleinsaugung reduziert wird.
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4 zeigt im Längsschnitt eine erste Baugruppe 200 umfassend eine Hülse 210 mit einem ersten, optikseitigen Schutzglas 220 zur Verwendung in einer erfindungsgemäßen Schutzglasanordnung 100. Die in 4 dargestellte Hülse 210, sowie das erste Schutzglas 220 und der Befestigungsring 230 entsprechen der Hülse 210, dem Schutzglas 220 und dem Befestigungsring 230 gemäß den Darstellungen in den 3a und 3b. Es sei daher auf die dortige Beschreibung verwiesen. Der Einfachheit halber wurde in 4 auf eine Darstellung des Flachdichtrings 260 und des Einführrings 270 (vgl. 3b) verzichtet. Die Lage des Flachdichtrings 260 und des Einführrings 270 an der Hülse 210 ergeben sich aus den Darstellung gemäß 3b und 6.
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In 5 ist eine zweite Baugruppe 300 im Längsschnitt dargestellt, die eine Patrone 310 mit einem zweiten, prozessseitigen Schutzglas 320 umfasst und die zur Verwendung in einer erfindungsgemäßen Schutzglasanordnung 100 ausgebildet ist. Die in 5 dargestellte Patrone 310 mit dem zweiten Schutzglas 320 entspricht der Darstellung gemäß den 3a und 3b. Es sei daher auf die dortige Beschreibung verwiesen.
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6 zeigt ausschnittsweise einen erfindungsgemäßen Laserbearbeitungskopf 22 in Form eines Laserschneidkopfes 22. In dem Laserschneidkopf 22 ist unterhalb der Fokussieroptik mit der Linse 38 (vgl. auch 2) eine erfindungsgemäße Schutzglasanordnung 100 angeordnet. Die Hülse 210 der Schutzglasanordnung 100 wird von unten in eine dafür vorgesehene Aussparung in dem Laserschneidkopf 22 eingesetzt, sodass der Haltebereich 232 des Befestigungsrings 230 gegen eine entsprechende Aufnahmefläche des Laserschneidkopfes 22 gedrückt wird. An ihrem unteren Ende 214 wird die Hülse 210 mit geeigneten Befestigungsmitteln (z.B. Schrauben) im Laserschneidkopf 22 befestigt. Die Patrone 310 wird von unten in die Hülse 210 eingesetzt, sodass das zweite Schutzglas 320 gegen den Flachdichtring 260 gedrückt wird. Im eingebauten Zustand ragt das untere Ende 314 der Patrone 310 nach unten aus der Hülse 210 hinaus. Nach unten hin grenzt die Patrone 310 an einen Düsenkörper 400 des Schneidkopfes 22. An der Oberseite des Düsenkörpers 400 ist ein Kanalabschnitt ausgebildet, der eine Gasleitung für die Zufuhr von Schneidgas mit der umlaufenden Nut 360 der Patrone 310 verbindet. Wie exemplarisch durch einen gestrichelten Pfeil dargestellt, gelangt das Schneidgas von der Gasleitung über die Bohrungen 362 in den Patroneninnenraum. Von dort aus wird es über die Schneiddüse am unteren Ende des Düsenkörpers 400 gemeinsam mit dem Laserstrahl auf ein zu bearbeitendes Werkstück gerichtet. Die Patrone 310 kann mit dem Düsenkörper 400, etwa mittels einer Schraubverbindung, verbunden sein.
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Zur Detektion der Dichtheit des Patroneninnenraumes kann eine Sensorik (in den Figuren nicht dargestellt) vorgesehen sein, die Druckänderungen in dem radialen Zwischenraum zwischen der Patrone 310 und der Hülse 210 erfasst. Bei einer Druckänderung die auf eine Undichtheit der Patrone 310 hinweist kann eine automatische Abschaltung des Lasers vorgesehen sein, um Beschädigungen des Laserschneidkopfes 22 vorzubeugen.
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Wenn das zweite Schutzglas - etwa durch Schmutzpartikel oder Spritzer, die beim Laserschneiden über die Schneiddüse in den Schneidkopf gelangen - beschädigt wird, kann die Patrone 310 mitsamt des Düsenkörpers 400 nach unten aus der Hülse 210 entnommen werden. Das beschädigte zweite Schutzglas 320 kann nun ausgetauscht und gemeinsam mit der Patrone 310 und dem Düsenkörper 400 wieder in die Hülse 210 eingesetzt werden. Die Schneidoptik wird während des Austauschs des zweiten Schutzglases 320 weiter durch das erste Schutzglas 220 geschützt. Durch die Kunststoffkomponenten (insbesondere Flachdichtring 260, konvexer Führungsring 350 und Einführring 270) können die Patrone 310 und die Hülse 210 auch bei unvorsichtiger Handhabung vor Beschädigungen während des Schutzglaswechsels geschützt werden. Durch die gemeinsame Entnahme der Patrone 310 mit dem Düsenkörper 400 liegt die Schneidgasleitung beim Schutzglaswechsel nur an einem Ende des Kanalabschnitts an der Oberseite des Düsenkörpers 400 offen. Dadurch können die Eintrittsmöglichkeiten für Schmutzpartikel aus der Umgebung geringgehalten werden.
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Bezugszeichenliste
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- 20
- Laserschneidanlage
- 21
- Laserstrahlerzeuger
- 22
- Laserschneidkopf
- 23
- Werkstückauflage
- 24
- Schneidgas
- 25
- Schneidgasdüse
- 26
- Umschaltoptik
- 27
- Maschinensteuerung
- 28
- Werkstück
- 29
- Laserstrahl
- 30
- Schutzglas / Druckfenster
- 31
- Optische Achse
- 32
- Gehäuse
- 33
- Überströmungskanäle
- 34
- Transportfaser
- 35
- Erste Linse
- 36
- Zwischenfokus
- 37
- Zweite Linse
- 38
- Gehaltene Linse
- 39
- Werkstückoberfläche
- 40, 42
- Fokuseinstelleinrichtung
- 41
- Faltenbalg
- 41a
- Bereich für eine Verkippung des unteren Teils des Laserschneidkopfs im Kollisionsfall
- 43, 44, 45
- Linsen-Halterungen
- 46
- Schutzglas-Halterung
- 47, 48, 49
- Kammern
- 100
- Schutzglasanordnung
- 200
- Erste Baugruppe
- 210
- Hülse
- 212
- Erstes, oberes axiales Ende der Hülse
- 214
- Zweites, unteres axiales Ende der Hülse
- 216
- Ausnehmung für Schnappverschluss
- 218
- Ausnehmung für Gegenhalteelement
- 220
- Erstes, optikseitiges Schutzglas
- 230
- Befestigungsring
- 232
- Halteabschnitt
- 234
- Verschlusselement
- 236
- Gegenhalteelement
- 240
- Dichtungsring
- 250
- Aufnahmebereich
- 260
- Flachdichtring
- 270
- Einführring
- 300
- Zweite Baugruppe
- 310
- Patrone
- 312
- Erstes, oberes axiales Ende der Patrone
- 314
- Zweites, unteres axiales Ende der Patrone
- 320
- Zweites, prozessseitiges Schutzglas
- 340
- Dichtungsring
- 350
- Konvexer Führungsring
- 360
- Umlaufende Nut
- 362
- Bohrungen
- 370
- Einbuchtung
- 400
- Düsenkörper
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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 3045258 A1 [0005]
- EP 3112073 A1 [0005]
- DE 102018131668 A1 [0005]
- WO 2020230844 A1 [0005]
