DE102021126831A1

DE102021126831A1 - Bearbeitungskopf sowie Kühlelement und Kühlverfahren hierfür

Info

Publication number: DE102021126831A1
Application number: DE102021126831.1A
Authority: DE
Inventors: Tobias Kluehspies; Axel Paul; Karsten Scholz; Alexander Huber; Stefan Markus Leinberger; Jenny Domaschke
Original assignee: Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Current assignee: Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Priority date: 2021-10-15
Filing date: 2021-10-15
Publication date: 2023-04-20
Also published as: WO2023061830A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kühlelement für eine Strahlbearbeitungsmaschine, insbesondere eine Laserbearbeitungsmaschine. Durch das Kühlelement erstreckt sich ein mäanderförmig gewundener Kühlkanal (32). Der Kühlkanal (32) kann entlang seines Verlaufs mehrere unstetige, mit anderen Worten sprunghafte, Formänderungen aufweisen. Dabei bleibt die Querschnittsfläche des Kühlkanals (32) näherungsweise konstant. Die Formänderungen können durch vorstehende Stege (56) bewirkt sein, an denen der Kühlkanal (32) entsprechend verbreitert ist.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Kühlelement für einen Bearbeitungskopf einer Strahlbearbeitungsmaschine. Die Erfindung betrifft ferner einen Bearbeitungskopf für eine Strahlbearbeitungsmaschine aufweisend wenigstens ein optisches Element und eine Austrittsdüse für einen Bearbeitungsstrahl. Weiterhin betrifft die Erfindung Verfahren zum Kühlen eines Bearbeitungskopfs einer Strahlbearbeitungsmaschine.
Zur thermischen Materialbearbeitung, beispielsweise zum Schneiden oder Schweißen, werden verbreitet Strahlbearbeitungsmaschinen, die einen Bearbeitungsstrahl auf ein Werkstück berichten eingesetzt. Der Bearbeitungsstrahl kann beispielsweise ein Laserstrahl oder ein Plasmastrahl sein.
Bei der Bearbeitung erwärmen sich solche Bearbeitungsköpfe. Dies geschieht einerseits durch Wärmestrahlung aus dem Bearbeitungsprozess, wobei die Wärmestrahlung insbesondere von dem zur Bearbeitung durch den Bearbeitungsstrahl erwärmten Werkstück ausgesandt wird. Andererseits erwärmen sich beispielsweise Laserbearbeitungsköpfe in Folge von Absorption und Reflektion der Laserstrahlung an optischen Elementen innerhalb des Bearbeitungskopfs. Mit zunehmender (Laser-)Leistung steigt die Belastung des Bearbeitungskopfs, insbesondere seiner optischen Elemente.
Durch Wärmeausdehnungen beispielsweise der optischen Elemente bzw. von deren Fassungen entstehen mechanische Spannungen. Diese können schlimmstenfalls zu einer Beschädigung der optischen Elemente führen. Außerdem kann sich die eingebrachte Wärme negativ auf andere Komponenten des Bearbeitungskopfs, beispielsweise Steuerungsplatinen, Führungen, Schläuche und Verschraubungen, auswirken.
Aus KR2228075B1 sind eine Kühlvorrichtung und ein Verfahren für die Kühlung einer Fokussierlinse in einem Bearbeitungskopf bekannt. Die Linse wird durch ein strömendes Gas gekühlt und der Volumenstrom des Gases wird anhand der um die Linse herum gemessenen Temperatur geregelt.
Aus EP3257616A1 ist es bekannt, optische Elemente wie Spiegel eines Laserbearbeitungskopfs durch Expansion eines Gases in einer hinter dem Spiegel angeordneten Kammer zu kühlen.
Aufgabe der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine effiziente und homogene Kühlung eines Bearbeitungskopfs einer Strahlbearbeitungsmaschine zu ermöglichen.
Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Kühlelement nach Anspruch 1, einen Bearbeitungskopf mit den in Anspruch 12 angegebenen Merkmalen sowie durch Kühlverfahren gemäß den Ansprüchen 14 bis 16. In den jeweiligen Unteransprüchen und der Beschreibung sind vorteilhafte Ausführungsformen bzw. Varianten angegeben.
Erfindungsgemäßes Kühlelement
Erfindungsgemäß ist ein Kühlelement für einen Bearbeitungskopf einer Strahlbearbeitungsmaschine vorgesehen. Die Strahlbearbeitungsmaschine dient grundsätzlich der thermischen Bearbeitung von Werkstücken, d. h., dass bei der Bearbeitung am Werkstück hohe Temperaturen auftreten. Die Strahlbearbeitungsmaschine kann beispielsweise eine Laserbearbeitungsmaschine oder eine Plasmabearbeitungsmaschine sein. Insbesondere kann die Strahlbearbeitungsmaschine eine Laserschneidmaschine oder eine Laserschweißmaschine sein; der Bearbeitungskopf kann entsprechend ein Laserschneidkopf oder ein Laserschweißkopf sein.
Das Kühlelement weist einen mäandrierenden Kühlkanal für Kühlgas auf. Unter einem mäandrierenden bzw. mäanderförmigen Kühlkanal wird ein Kühlkanal verstanden, der sich nicht geradlinig durch das Kühlelement erstreckt. Typischerweise verläuft der Kühlkanal mehrfach gewunden. Durch den mäanderförmigen Verlauf des Kühlkanals kann eine homogene Kühlung bewirkt werden. Zudem erhöht die große Länge eines mäandrierenden Kühlkanals die Wirksamkeit der Kühlung. Ein zur Kühlung durch den Kühlkanal geleitetes Kühlgas kann beispielsweise Luft oder Stickstoff sein.
Erfindungsgemäß ist die Querschnittsfläche des Kühlkanals über seiner Länge im Wesentlichen konstant. Unter einer im Wesentlichen konstanten Querschnittsfläche wird insbesondere verstanden, dass die Flächen eines kleinsten und eines größten Querschnitts des Kühlkanals um maximal 30 %, bevorzugt maximal 20 %, besonders bevorzugt maximal 15 %, von einer mittleren Querschnittsfläche abweichen. Die mittlere Querschnittsfläche kann als ein arithmetisches Mittel bestimmt werden. Durch die näherungsweise konstante Querschnittsfläche wird ein Durchströmungswiderstand des Kühlkanals reduziert. Zudem wird durch den im Wesentlichen gleichbleibenden Querschnitt einer unerwünschten Erwärmung von durch den Kühlkanal geleitetem Kühlgas durch dynamische Kompression entgegengewirkt. Mit anderen Worten wird das Kühlgas beim Durchströmen des Kühlkanals nicht durch etwaige (erhebliche) Verengungen des Kühlkanals erwärmt. Die Kühlwirkung wird dadurch verbessert; zudem wird der Energiebedarf zum Leiten des Gases durch den Kühlkanal verringert.
Die (mittlere) Querschnittsfläche des Kühlkanals beträgt typischerweise wenigstens 10 und/oder höchstens 20 Quadratmillimeter. Die Querschnittsfläche des Kühlkanals wird quer zu einer Hauptdurchströmungsrichtung des Kühlkanals gemessen. Auch weitere Richtungsangaben wie beispielsweise „vor“ oder „hinter“ beziehen sich hier auf die Hauptdurchströmungsrichtung des Kühlkanals, sofern sich aus dem Kontext oder einer expliziten Angabe nichts anderes ergibt.
Das erfindungsgemäße Kühlelement wird beispielsweise im Bearbeitungskopf im Bereich zwischen einer Fokussierlinse oder einem Schutzglas und einer Austrittsdüse für den Bearbeitungsstrahl und ein Prozessgas eingesetzt. Aus der Austrittsdüse kann beispielsweise ein Laserstrahl gemeinsam mit einem Schneidgas zu einem Werkstück hin aus dem Bearbeitungskopf austreten. Im Einbauzustand des Kühlelements verläuft der Kühlkanal typischerweise in einer Ebene, welche senkrecht zum Bearbeitungsstrahl orientiert ist.
Das Kühlgas erwärmt sich mit zunehmend zurückgelegter Wegstrecke. Um in der Kühlkanalebene eine homogene Temperaturverteilung zu erhalten, wird der Kühlkanal vorteilhafterweise so geführt, dass Teilbereiche des Gehäuses des Kühlelements sowohl mit kühlerem als auch mit bereits erwärmtem Gas durchströmt werden. Eine Hauptdurchströmungsrichtung des Kühlkanals kann sich wenigstens einmal um wenigstens 120°, bevorzugt um wenigstens 150°, besonders bevorzugt um ca. 180° (+/-5°), ändern. Insbesondere kann zumindest eine Mäanderschleife einen parallel zueinander verlaufenden Hin- und Rückweg aufweisen, um die Kühlwirkung von kälterem und wärmerem Gas zu homogenisieren.
In Bereichen mit erhöhtem Wärmeeintrag können die Mäanderschleifen außerdem enger geführt sein als in Bereichen mit weniger Wärmeeintrag.
Bevorzugt ist in einer Kanalwand des Kühlkanals wenigstens eine Stufe ausgebildet. Die Stufe bewirkt eine Änderung der Form des Querschnitts des Kühlkanals, lässt dessen Querschnittsfläche jedoch im Wesentlichen unverändert. Durch die Stufe wird die Strömung des Kühlgases durch den Kühlkanal verwirbelt. Insbesondere kann die Stufe eine turbulente Strömung in einem der Stufe nachfolgenden Bereich des Kühlkanals bewirken. Beim Leiten des Kühlgases durch den Kühlkanal nimmt das Kühlgas an der Kanalwand Wärme von einem den Kühlkanal enthaltenden Gehäuse des Kühlelements auf; dadurch wird einerseits das Gehäuse gekühlt und andererseits das Gas zunehmend erwärmt. Durch die Verwirbelungen werden kühlere Anteile des Gases aus einem zentralen Bereich des Kühlkanals zu der Kanalwand geführt; gleichzeitig werden die an der Kanalwand erwärmten Anteile des Gases von der Kanalwand entfernt. Dies verbessert die Wärmeübertragung von dem Gehäuse auf das Kühlgas.
Die Stufe bewirkt vorzugsweise eine unstetige bzw. sprunghafte Formänderung des Kühlkanals im Bereich der Stufe. Insbesondere kann die Stufe rechtwinklig zu der angrenzenden Kanalwand verlaufen. Die Stufe kann eine konstante Höhe besitzen.
Typischerweise weist das Kühlelement mehr als eine Stufe auf. Insbesondere können zwischen zwei und sechs Stufen, beispielsweise vier Stufen, vorgesehen sein. Es versteht sich, dass auch mehr als sechs Stufen vorhanden sein können.
Der Kühlkanal ist vorzugsweise so gestaltet, dass sich beim Betrieb des Bearbeitungskopfs mit dem Kühlelement in Schnittebenen ober- und unterhalb des Kühlkanals eine nahezu homogene Temperaturverteilung einstellt. Dies wird durch den mäanderförmigen Verlauf des Kühlkanals und die vorteilhafte Verwirbelung des Kühlgases an den stufenförmigen Verwirbelungsstellen erreicht, wobei an den Verwirbelungsstellen die Querschnittsfläche des Kühlgaskanals annähernd konstant gehalten wird. So werden Engstellen in der Strömung vermieden, die sich wie eine Drossel auswirken. Die Verwirbelung des Kühlgases erhöht den Wärmeübergang zwischen den Wänden des Kühlkanals und dem Kühlgas.
Besonders bevorzugt ist die Stufe durch einen von der Kanalwand des Kühlkanals vorspringenden Steg gebildet. Der Steg verläuft typischerweise senkrecht zur Hauptströmungsrichtung des Kühlkanals. Ein Kühlkanal mit einem solchen Steg kann einfach gefertigt werden. Zudem bewirkt ein solcher Steg eine wirksame Verwirbelung der Strömung im Kühlkanal. In der Regel weist der Steg eine konstante Höhe auf. Die Kanalwand, von welcher ein jeweiliger Steg vorsteht, kann ein Boden, eine Decke und/oder eine Seitenwand des Kühlkanals sein. Vorzugsweise entspringen alle Stege von derselben Kanalwand des Kühlkanals. Dies ist für eine rationelle Fertigung des Kühlelements vorteilhaft.
Eine Stufenhöhe der Stufe beträgt typischerweise wenigstens ein Viertel, vorzugsweise wenigstens ein Drittel, einer Kanalhöhe des Kühlkanals vor bzw. hinter der Stufe. Die Stufenhöhe beträgt typischerweise höchstens drei Viertel, vorzugsweise höchstens zwei Drittel der Kanalhöhe in der Umgebung der Stufe. Insbesondere kann die Stufenhöhe rund die Hälfte der Höhe des angrenzenden Kühlkanals betragen.
Eine Breite des Kühlkanals kann im Bereich der Stufe größer sein, als eine Breite des Kühlkanals vor bzw. hinter der Stufe. Wenn die Stufe die Kanalhöhe verringert, kann durch die Verbreiterung des Kühlkanals eine näherungsweise gleichbleibende Querschnittsfläche desselben erreicht werden.
Besonders bevorzugt weist der Kühlkanal zumindest bereichsweise einen rechteckigen Querschnitt auf. Ein solcher Kühlkanal kann besonders einfach gefertigt werden, beispielsweise in ein Gehäuseteil des Kühlelements durch Fräsen eingebracht werden.
Das Kühlelement kann ein Unterteil und ein Oberteil aufweisen, welche gemeinsam den Kühlkanal begrenzen. Der Kühlkanal kann dann besonders einfach durch eine Vertiefung in den Unterteil und/oder Oberteil gebildet sein. Vorzugsweise ist die Stufe in dem Unterteil ausgebildet. Der von dem Oberteil begrenzte Teil der Kanalwand kann glatt, insbesondere eben, sein. Derart kann die Herstellung des Kühlelements weiter vereinfacht werden. Es versteht sich, dass das Kühlelement auch einteilig ausgebildet sein kann, wobei das Kühlelement zur Erzeugung des Kühlkanals mittels eines geeigneten generativen Herstellungsverfahrens (3-D Druck) herstellbar ist.
Das Kühlelement kann eine Drossel für in den Kühlkanal eintretendes Kühlgas aufweisen. Die Drossel kann auch als ein Expansionsventil bezeichnet werden. Das in den Kühlkanal eingeleitete Kühlgas, typischerweise Luft oder Stickstoff, wird dadurch vor dem Eintritt in den Kühlkanal expandiert, sodass sich seine Temperatur verringert. Typischerweise besitzt das Gas vor dem Durchtritt durch die Drossel näherungsweise Umgebungstemperatur. Durch die Expansion an der Drossel kann die Temperatur des Gases in energieeffizienter Weise unter die Umgebungstemperatur gesenkt werden. Dadurch verbessert sich die Kühlwirkung weiter. Die Drossel kann in einer Zuleitung für das Kühlgas oder vorzugsweise in dem Gehäuse des Kühlelements ausgebildet sein. Ein Durchmesser der Drossel beträgt dabei bevorzugt zwischen 0,8 mm und 3 mm, beispielsweise ca. 2 mm, um einerseits einen ausreichend hohen Gasdurchfluss mit ausreichender Kühlwirkung zu erreichen und andererseits den Gasverbrauch zu minimieren. Bei höheren Eintrittsdrücken des Kühlgases werden tendenziell kleinere Drosseldurchmesser eingesetzt.
Ein Druck des Kühlgases vor dem Eintritt in das Kühlelement kann zwischen 4 bar und 7 bar betragen, beispielsweise ca. 4,5 bar. Beim Durchtritt durch die Drossel wird das Kühlgas auf einen geringfügig über dem Umgebungsdruck liegenden Druck entspannt. Der verbleibende Druckunterschied zum Umgebungsdruck bewirkt die Durchströmung des Kühlkanals.
Das Kühlelement kann eine Eintrittskammer für das Kühlgas aufweisen, die eine größere Querschnittsfläche aufweist als der Kühlkanal. Die Eintrittskammer ist typischerweise zwischen einer Drossel und dem Beginn des eigentlichen Kühlkanals mit näherungsweise konstantem Querschnitt angeordnet.
Das Kühlgas kann parallel zum Kühlkanal ausgerichtet in den Kühlkanal einströmen und durch die Drossel in den Kanal hinein expandieren. Alternativ kann das Kühlgas unter einem Winkel zwischen 0° und 90° oder senkrecht in den Kühlkanal einströmen. Insbesondere in letzteren Fall ist es vorteilhaft, wenn am Beginn des Kühlkanals eine Eintrittskammer mit vergrößertem Durchmesser für das Kühlgas angeordnet ist. Auf diese Weise hat das Kühlgas ausreichend Platz für eine Ausdehnung und gegebenenfalls den Richtungswechsel.
Das Kühlelement kann einen Temperatursensor aufweisen. Der Temperatursensor kann zur Steuerung des Stroms von Kühlgas durch das Kühlelement ausgewertet werden, um einerseits den Verbrauch von Kühlgas zu minimieren und andererseits eine Überhitzung zu vermeiden. Vorzugsweise ist der Temperatursensor außen an einem den Kühlkanal begrenzenden Bauteil angeordnet. Das den Kühlkanal begrenzende Bauteil kann beispielsweise ein Oberteil oder ein Unterteil des Gehäuses des Kühlelements sein. Unter einer Anordnung außen an diesem Bauteil wird eine Anordnung verstanden, bei der sich der Temperatursensor außerhalb des Kühlkanals befindet. Der Temperatursensor beeinträchtigt dadurch die Durchströmung des Kühlkanals nicht. Der Temperatursensor kann über einen Wärmeleitkörper an das Bauteil angekoppelt sein.
Das Kühlelement kann eine Auslassöffnung zum Auslassen des Kühlgases in die Umgebung aufweisen. Die Auslassöffnung ist vorzugsweise so angeordnet, dass das Kühlgas nicht auf den Bearbeitungsstrahl gerichtet wird, sondern vorzugsweise von diesem weg. An der Auslassöffnung kann ein Dämmelement, vorzugsweise aus poröser Bronze, angeordnet sein. Das Dämmelement kann beim Durchströmen des Kühlkanals bzw. beim Austritt des Kühlgases aus der Austrittsöffnung entstehende Geräusche dämpfen.
Erfindungsgemäßer Bearbeitungskopf
Ebenfalls in den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt ein Bearbeitungskopf für eine Strahlbearbeitungsmaschine. Die Strahlbearbeitungsmaschine kann eine Laserbearbeitungsmaschine oder eine Plasmabearbeitungsmaschine sein. Insbesondere kann die Strahlbearbeitungsmaschine eine Laserschneidmaschine oder eine Laserschweißmaschine sein; der Bearbeitungskopf kann entsprechend ein Laserschneidkopf oder ein Laserschweißkopf sein.
Der Bearbeitungskopf weist wenigstens ein optisches Element auf. Das optische Element kann beispielsweise eine Fokussierlinse oder ein Schutzglas sein.
Ferner weist der Bearbeitungskopf eine Austrittsdüse für einen Bearbeitungsstrahl und vorzugsweise für ein Prozessgas auf. Der in einer Strahlquelle erzeugte Bearbeitungsstrahl tritt im Betrieb durch die Austrittsdüse aus dem Bearbeitungskopf zu einem Werkstück hin aus. Gemeinsam mit dem Bearbeitungsstrahl kann ein Prozessgas durch die Austrittsdüse auf das Werkstück gesichtet werden. Die Strahlquelle kann Teil des Bearbeitungskopfs oder einer Strahlbearbeitungsmaschine mit dem Bearbeitungskopf sein.
Zudem weist der Bearbeitungskopf ein oben beschriebenes, erfindungsgemäßes Kühlelement auf. Das Kühlelement ermöglicht die wirksame und effiziente Kühlung des wenigstens einen optischen Elements des Bearbeitungskopfs sowie der Austrittsdüse. Das Kühlgas und das Prozessgas werden grundsätzlich separat voneinander geführt. Mit anderen Worten ist der Kühlkanal von einem durch die Düse verlaufenden Kanal für das Prozessgas getrennt. Ein Übertritt von Kühlgas in die Austrittsdüse oder von Prozessgas in den Kühlkanal ist innerhalb des Bearbeitungskopf ausgeschlossen.
Vorzugsweise ist das Kühlelement zwischen der Austrittsdüse und einem in Strahlaustrittsrichtung letzten optischen Element des Bearbeitungskopfs angeordnet. Diese Position ermöglicht eine einfache Montage des Kühlelements und erlaubt zugleich eine besonders wirksame Kühlung des optischen Elements und der Austrittsdüse.
Vorzugsweise erstreckt sich der Kühlkanal in einer zu der Strahlaustrittsrichtung senkrechten Ebene. Eine homogene Kühlung des Bearbeitungskopfs kann dadurch weiter begünstigt werden.
Erfindungsgemäße Kühlverfahren
Ebenfalls in den Rahmen der vorliegenden Erfindung fallen Verfahren zum Kühlen eines Bearbeitungskopfs, insbesondere eines oben beschriebenen, erfindungsgemäßen Bearbeitungskopfs, mit einem oben beschriebenen, erfindungsgemäßen Kühlelement.
Bei einer bevorzugten Verfahrensvariante wird ein Volumenstrom des Kühlgases so gewählt, dass eine Differenz zwischen der Temperatur des aus dem Kühlelement austretenden Kühlgases und einer Gehäusetemperatur des Kühlelements höchstens 30 K, vorzugsweise höchstens 20 K, beträgt. Mit anderen Worten werden die Länge des Kühlkanals und der Volumenstrom des Kühlgases so aufeinander abgestimmt, dass die Temperatur des Kühlgases beim Austritt aus dem Kühlkanal knapp unterhalb der Gehäusetemperatur des Kühlelements liegt. Mit anderen Worten kann es besonders bevorzugt sein, dass eine Differenz zwischen der Temperatur des aus dem Kühlelement austretenden Kühlgases und einer Gehäusetemperatur des Kühlelements höchstens 5 K beträgt. Die Gehäusetemperatur kann an einer relevanten Stelle des Gehäuses gemessen werden, beispielsweise an einer Auslassöffnung für das Kühlgas. Alternativ kann die Gehäusetemperatur über das Gehäusevolumen gemittelt werden. Bei dieser Einstellung des Volumenstroms wird die Kühlwirkung des Kühlgases weitestgehend ausgenutzt.
Der Kühlkanal kann mit anderen Worten so lang sein, dass die Kühlgastemperatur beim Austritt nach außen aus dem Bearbeitungskopf annähernd der Temperatur der Wandung des Kühlkanals entspricht. Insbesondere sind Länge und Durchmesser des Kühlgaskanals, der Durchmesser der Drossel und der Volumenstrom des Gases so aufeinander abgestimmt, dass die Differenz zwischen mittlerer Gehäusetemperatur und Kühlgastemperatur am Austritt aus dem Kühlelement maximal 30 K, vorzugsweise maximal 20 K, beträgt. Dies trägt dem Ziel, den Kühlgasverbrauch möglichst gering zu halten Rechnung. Der Volumenstrom kann des Kühlgases hierzu zwischen 130 Nl/min und 200 Nl/min (Normliter pro Minute, bezogen auf einen Normzustand des Kühlgases von 0°C und 1013 mbar) betragen.
Bei einer ebenfalls bevorzugten Verfahrensvariante wird mit dem Einleiten von Kühlgas in den Kühlkanal begonnen, wenn eine Temperatur des Bearbeitungskopfs, insbesondere eine Gehäusetemperatur des Kühlelements, einen oberen Schwellwert erreicht. Eine Kühlung mit dem damit verbundenen Gasverbrauch erfolgt somit nur, wenn sich der Bearbeitungskopf so stark erwärmt hat, dass eine Kühlung erforderlich ist.
Vorzugsweise wird das Einleiten von Kühlgas in den Kühlkanal beendet, wenn die Temperatur des Bearbeitungskopfs, insbesondere die Gehäusetemperatur des Kühlelements, einen unteren Schwellwert erreicht. Der untere Schwellwert ist niedriger als der obere Schwellwert. Der Kühlvorgang und somit der Verbrauch von Kühlgas werden mithin beendet, sobald der Bearbeitungskopf hinreichend stark abgekühlt wurde, sodass der Betrieb zunächst ohne aktive Kühlung fortgesetzt werden kann.
Die Kühlung der Bearbeitungsoptik kann mit anderen Worten geregelt erfolgen. Beim Erreichen des oberen Schwellwertes der Temperatur wird das Kühlgas zugeschaltet. Beim Unterschreiten eines unteren Schwellwertes der Temperatur wird das Kühlgas wieder abgeschaltet. Die Temperatur des Bearbeitungskopfs kann insbesondere durch einen Temperatursensor außen am Kühlkanal gemessen werden.
Wird der obere Schwellwert der Temperatur über einen längeren Zeitraum nicht erreicht, kann sich die Austrittsöffnung des Kühlkanals durch Partikel zusetzen. Um dies zu vermeiden, wird bei längerer Inaktivität der Kühlung das Kühlgas eingeschaltet, um den Kühlkanal zu reinigen. Insbesondere kann mit dem Einleiten von Kühlgas in den Kühlkanal begonnen werden, wenn seit dem letzten Kühlvorgang eine vorbestimmte Zeitspanne vergangen ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Kühlverfahren können die vorstehend beschriebenen Steuerungsaspekte einzeln oder in Kombinationen miteinander umgesetzt werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung. Erfindungsgemäß können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen, zweckmäßigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Figurenliste
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigen:

1 einen erfindungsgemäßen Bearbeitungskopf mit einem erfindungsgemäßen Kühlelement in einer schematischen Seitenansicht;
2 einen schematischen Querschnitt durch das Kühlelement und eine Austrittsdüse des Bearbeitungskopfs von 1;
3 einen weiteren schematischen Querschnitt durch das Kühlelement von 1;
4 ein Unterteil eines Gehäuses des Kühlelements von 1, wobei stegförmige Stufen in einem Kühlkanal zu erkennen sind, in einer schematischen Perspektivansicht;
5 eine Laserschneidmaschine mit einem erfindungsgemäßen Bearbeitungskopf, welcher ein erfindungsgemäßes Kühlelement aufweist, in einer schematischen Perspektivansicht.

1 zeigt einen Bearbeitungskopf 10 für eine Strahlbearbeitungsmaschine, beispielsweise eine Laserschneidmaschine. Der Bearbeitungskopf 10 weist eine Austrittsdüse 12 für einen Bearbeitungsstrahl, hier einen Laserstrahl, und ein Prozessgas, hier ein Schneidgas, auf. Der Laserstrahl und das Prozessgas treten im Betrieb des Bearbeitungskopf 10 in einer Strahlaustrittsrichtung 14 aus der Austrittsdüse 12 aus. Ferner weist der Bearbeitungskopf 10 mehrere (hier verdeckte) optische Elemente, beispielsweise zwei Schutzgläser 16a, 16b und eine Fokussierlinse 18 auf.
Weiterhin weist der Bearbeitungskopf 10 ein Kühlelement 20 auf. Das Kühlelement 20 ist hier zwischen der Austrittsdüse 12 und dem in Strahlaustrittsrichtung 14 letzten optischen Element, hier dem Schutzglas 16a, angeordnet. Zur Kühlung des Bearbeitungskopfs 10 wird ein Kühlgas, beispielsweise Druckluft oder Stickstoff, durch das Kühlelement 20 geleitet. Zum Einleiten des Kühlgases in das Kühlelement 20 ist ein Kühlgasanschluss 22 vorgesehen. Das Prozessgas wird durch einen separaten Prozessgasanschluss 24 in den Bearbeitungskopf 10 eingeleitet. Auch innerhalb des Bearbeitungskopfs 10 werden das Kühlgas und das Prozessgas voneinander getrennt geführt, sodass sie sich nicht vermischen.
2 zeigt einen Querschnitt durch das Kühlelement 20 und die Austrittsdüse 12. In 3 ist ein vergrößerter Querschnitt entlang einer anderen Schnittebene durch das Kühlelement 20 dargestellt. Ein Gehäuse 26 des Kühlelements 20 ist hier mit einem Unterteil 28 und einem Oberteil 30 gebildet. Das Unterteil 28 und das Oberteil 30 können aus Aluminium bestehen. Das Kühlelement 20 weist einen mäanderförmigen Kühlkanal 32 auf, vergleiche insbesondere auch 4, welche das Unterteil 28 zeigt. Der Kühlkanal 32 verläuft hier in einer zu der Strahlaustrittsrichtung 14 orthogonalen Ebene, vergleiche insbesondere 2 und 3.
Von dem Kühlgasanschluss 22 aus wird das Kühlgas durch eine Drossel 34 in eine Eintrittskammer 36 geleitet, siehe 2. Die Drossel 34 kann in einer Zuleitung 38 im Bearbeitungskopf 10 angeordnet sein. Beim Durchströmen der Drossel 34 in die Eintrittskammer 36 hinein entspannt sich das Kühlgas, sodass seine Temperatur sinkt.
Von der Eintrittskammer 36 aus wird das Kühlgas durch den Kühlkanal 32 geführt, bis es an einer Auslassöffnung 40 (siehe 4) in die Umgebung aus dem Kühlelement 10 austritt. An der Auslassöffnung 40 kann ein nicht näher dargestelltes Dämmelement zur Minderung von Betriebsgeräuschen des Kühlelements 20 angeordnet sein. Der Kühlkanal 32 verläuft maändrierend in mehreren gewundenen Schleifen, sodass eine Hauptdurchströmungsrichtung 42 mehrere Richtungswechsel erfährt. Insbesondere kehrt sich die Hauptdurchgangssichtung 42 mehrfach um.
Nach der Eintrittskammer 36 bis vor die Auslassöffnung 40 weist der Kühlkanal 32 eine näherungsweise gleichbleibende Querschnittsfläche auf. Im dargestellten Ausführungsbeispiel weicht die Querschnittsfläche an einer jeden Position entlang des Kühlkanals 32 um maximal 10 % von einer über die Länge des Kühlkanals 32 gemittelten mittleren Querschnittsfläche ab. Die Querschnittsfläche kann senkrecht zur Hauptdurchströmungsrichtung 42 gemessen werden.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel besitzt der Kühlkanal 32 über den Großteil seiner Länge hinweg einen rechteckigen Querschnitt. Der Kühlkanal 32 wird insofern von einer Kanalwand 44 mit vier Abschnitten, nämlich einem Boden 46, zwei Seitenwänden 48, 50 und einer Decke 52, begrenzt, vergleiche insbesondere 3. Die Decke 52 ist hier an dem Oberteil 30 ausgebildet und verläuft in einer einzigen Ebene. Der Boden 46 sowie die beiden Seitenwände 48, 50 sind in dem Unterteil 28 ausgebildet, vergleiche auch 4.
Die Kanalwand 44 weist mehrere Stufen 54 auf. Die Stufen 54 sind hier als Stege 56 ausgebildet, die rechtwinklig von dem Boden 46 vorstehen können, siehe 4. Im Bereich der Stege 56 verringert sich mithin eine Höhe des Kühlkanals 32. Eine Stufenhöhe der Stege 56 kann ca. die Hälfte der Höhe des Kühlkanals 32 jenseits der Stege 56 betragen. Um die Querschnittsfläche des Kühlkanals 32 auch im Bereich der Stufen 54 konstant zu halten, ist an den Stegen 56 jeweils eine Breite des Kühlkanals 32 vergrößert. Die stegartigen Stufen 54 bewirken eine Verwirbelung des durch den Kühlkanal 32 strömenden Kühlgases.
Das Kühlelement 20 weist hier einen Temperatursensor 58 auf, siehe 3. Der Temperatursensor 58 kann über einen Wärmeleitkörper 60, beispielsweise ein Wärmeleitpad, an eines der Gehäuseteile angekoppelt sein. Hier ist der Temperatursensor 58 - vom Kühlkanal 32 aus gesehen - außen am Oberteil 30 angeordnet. Der Temperatursensor 58 erstreckt sich mit anderen Worten nicht in den Kühlkanal 32 hinein.
Der Betrieb des Kühlelement 20 erfolgt derart, dass eine Temperatur des an der Auslassöffnung 40 aus dem Kühlelement 20 austretenden Kühlgases weniger als 20 K über einer Gehäusetemperatur des Kühlelements 20 liegt. Die Gehäusetemperatur kann beispielsweise mit dem Temperatursensor 58 gemessen werden. Die Länge des Kühlkanals und weitere Betriebsparameter, insbesondere ein Gasdruck vor der Drossel 34 und ein Durchmesser der Drossel 34 und folglich ein sich einstellender Volumenstrom des Kühlgases, sind mit anderen Worten derart aufeinander abgestimmt, dass die Kühlwirkung des Kühlgases weitestgehend ausgeschöpft wird.
Eine Aufnahme des aktiven Kühlbetriebs, bei welcher Kühlgas durch das Kühlelement 20 geleitet wird, kann erfolgen, wenn die beispielsweise mit dem Temperatursensor 58 gemessene Gehäusetemperatur einen oberen Schwellwert erreicht. Sobald das durch den Kühlkanal 32 geleitete Kühlgas die Gehäusetemperatur unter einen unteren Schwellwert gesenkt hat, wird die aktive Kühlung beendet, d. h. kein Kühlgas mehr durch den Kühlkanal 32 geleitet.
Ferner kann vorgesehen sein, dass Kühlgas in den Kühlkanal 32 eingeleitet wird, wenn seit der letzten aktiven Kühlphase eine vorbestimmte Zeitspanne vergangen ist. Hierdurch kann der Kühlkanal 32 von allfällig eingedrungenen Verschmutzungen gereinigt werden. Das Einleiten von Kühlgas kann hierbei nach einer vorbestimmten Reinigungsdauer beendet werden.
5 zeigt eine Strahlbearbeitungsmaschine 62, hier in Form einer Laserschneidmaschine. Die in 5 dargestellte Laserschneidmaschine 62 weist exemplarisch einen C02-Laser als Strahlquelle 64 auf. Alternativ kann die Strahlquelle beispielsweise ein Festkörperlaser oder ein Diodenlaser sein. Die Laserschneidmaschine 62 weist weiter einen verfahrbaren Bearbeitungskopf 10 (vergleiche 1) und eine (feststehende) Werkstückauflage 66 auf, auf der ein Werkstück 68 angeordnet ist. In der Strahlquelle 64 wird ein Laserstrahl 70 erzeugt, der von der Strahlquelle 64 zum Bearbeitungskopf 10 geführt wird. Der Laserstrahl 70 wird mittels einer im Bearbeitungskopf 10 angeordneten Fokussieroptik auf das Werkstück 68 gerichtet.
Die Strahlbearbeitungsmaschine 62 ist hier ferner an eine Gasversorgungseinrichtung 72 angeschlossen. Die Gasversorgungseinrichtung 72 stellt einerseits das Prozessgas, hier das Schneidgas, zur Verfügung. Das Prozessgas kann beispielsweise Stickstoff sein. Das Prozessgas kann der Austrittsdüse 12 des Bearbeitungskopfs 10 mit einem Überdruck zwischen 15 bar und 30 bar zugeführt werden.
Die Gasversorgungseinrichtung 72 stellt andererseits das Kühlgas für das Kühlelement 20 zur Verfügung. Auch das Kühlgas kann Stickstoff sein. Alternativ kann das Kühlgas beispielsweise Druckluft sein. Das Kühlgas kann dem Kühlelement 20 mit einem Überdruck zwischen 4 bar und 7 bar, beispielsweise ca. 4,5 bar, zugeführt werden.
Die Laserschneidmaschine 20 weist ferner eine Maschinensteuerung 74 auf, die programmiert ist, den Bearbeitungskopf 10 entsprechend einer Schneidkontur relativ zum, hier beispielhaft ruhenden, Werkstück 68 zu verfahren. Die Maschinensteuerung 74 steuert auch die Leistung der Strahlquelle 64, beispielsweise zur Durchführung eines Schmelzschneidprozesses oder Brennschneidprozesses.
Die Maschinensteuerung 74 ist ferner dazu eingerichtet, den Betrieb des Kühlelements 20 zu steuern. Insbesondere ist die Maschinesteuerung 74 dazu programmiert, den Kühlgasstrom freizugeben, wenn die Temperatur des Bearbeitungskopfs 10 den oberen Schwellwert erreicht. Ferner ist die Maschinesteuerung 74 dazu programmiert, den Kühlgasstrom wieder zu unterbrechen, wenn die Temperatur des Bearbeitungskopf 10 unter den unteren Schwellwert gesunken ist.
Zusammenfassend betrifft die Erfindung ein Kühlelement für eine Strahlbearbeitungsmaschine, insbesondere eine Laserbearbeitungsmaschine.
Durch das Kühlelement erstreckt sich ein mäanderförmig gewundener Kühlkanal. Der Kühlkanal kann entlang seines Verlaufs mehrere unstetige, mit anderen Worten sprunghafte, Formänderungen aufweisen. Dabei bleibt die Querschnittsfläche des Kühlkanals näherungsweise konstant. Die Formänderungen können durch vorstehende Stege bewirkt sein, an denen der Kühlkanal entsprechend verbreitert ist.
Bezugszeichenliste

10: Bearbeitungskopf
12: Austrittsdüse
14: Strahlaustrittsrichtung
16a, 16b: Schutzgläser
18: Fokussierlinse
20: Kühlelement
22: Kühlgasanschluss
24: Prozessgasanschluss
26: Gehäuse
28: Unterteil
30: Oberteil
32: Kühlkanal
34: Drossel
36: Eintrittskammer
38: Zuleitung
40: Auslassöffnung
42: Hauptdurchströmungsrichtung
44: Kanalwand
46: Boden
48, 50: Seitenwände
52: Decke
54: Stufen
56: Stege
58: Temperatursensor
60: Wärmeleitkörper
62: Strahlbearbeitungsmaschine
64: Strahlquelle
66: Werkstückauflage
68: Werkstück
70: Laserstrahl
72: Gasversorgungseinrichtung
74: Maschinensteuerung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

KR 2228075 B1 [0005]
EP 3257616 A1 [0006]

Claims

Kühlelement (20) für einen Bearbeitungskopf (10) einer Strahlbearbeitungsmaschine (62), insbesondere einer Laserbearbeitungsmaschine, wobei das Kühlelement (20) einen mäandrierenden Kühlkanal (32) für Kühlgas aufweist, dessen Querschnittsfläche über seiner Länge im Wesentlichen konstant ist.
Kühlelement (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Kanalwand (44) des Kühlkanals (32) wenigstens eine Stufe (54) ausgebildet ist, vorzugsweise wobei die wenigstens eine Stufe (54) durch einen von der Kanalwand (44) des Kühlkanals (32) vorspringenden Steg (56) gebildet ist.
Kühlelement (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stufenhöhe der Stufe (54) wenigstens ein Viertel, vorzugsweise wenigstens ein Drittel, einer Kanalhöhe vor der Stufe (54) beträgt.
Kühlelement (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Breite des Kühlkanals (32) im Bereich der Stufe (54) größer ist, als eine Breite des Kühlkanals (32) vor der Stufe (54).
Kühlelement (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (32) zumindest bereichsweise einen rechteckigen Querschnitt aufweist.
Kühlelement (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement (20) ein Unterteil (28) und ein Oberteil (30) aufweist, welche gemeinsam den Kühlkanal (32) begrenzen, vorzugsweise wobei die Stufe (54) in dem Unterteil (28) ausgebildet ist und der von dem Oberteil (30) begrenzte Teil der Kanalwand (44) glatt, insbesondere eben, ist.
Kühlelement (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement (20) eine Drossel (34) für in den Kühlkanal (32) eintretendes Kühlgas aufweist.
Kühlelement (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement (20) eine Eintrittskammer (36) für das Kühlgas aufweist, die eine größere Querschnittsfläche aufweist als der Kühlkanal (32).
Kühlelement (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich eine Hauptdurchströmungsrichtung (42) des Kühlkanals (32) wenigstens einmal um wenigstens 120°, bevorzugt um wenigstens 150°, besonders bevorzugt um ca. 180°, ändert.
Kühlelement (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement (20) einen Temperatursensor (58) aufweist, vorzugsweise wobei der Temperatursensor (58) außen an einem den Kühlkanal (32) begrenzenden Bauteil angeordnet ist.
Kühlelement (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement (20) eine Auslassöffnung (40) zum Auslassen von Kühlgas in die Umgebung aufweist, insbesondere wobei an der Auslassöffnung (40) ein Dämmelement, vorzugsweise aus poröser Bronze, angeordnet ist.
Bearbeitungskopf (10) für eine Strahlbearbeitungsmaschine (62), insbesondere eine Laserbearbeitungsmaschine, aufweisend - wenigstens ein optisches Element, - eine Austrittsdüse (12) für einen Bearbeitungsstrahl und vorzugsweise ein Prozessgas und - ein Kühlelement (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, vorzugsweise wobei das Kühlelement (20) zwischen der Austrittsdüse (12) und einem in Strahlaustrittsrichtung (14) letzten optischen Element des Bearbeitungskopfs (10) angeordnet ist.
Bearbeitungskopf (10) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Kühlkanal (32) in einer zu der Strahlaustrittsrichtung (14) senkrechten Ebene erstreckt.
Verfahren zum Kühlen eines Bearbeitungskopfs (10) mit einem Kühlelement (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei Kühlgas durch den Kühlkanal (32) geleitet wird, wobei ein Volumenstrom des Kühlgases so gewählt wird, dass eine Differenz zwischen der Temperatur des aus dem Kühlelement (20) austretenden Kühlgases und einer Gehäusetemperatur des Kühlelements (20), insbesondere einer mittleren Gehäusetemperatur, höchstens 30 K, vorzugsweise höchstens 20 K, beträgt.
Verfahren zum Kühlen eines Bearbeitungskopfs (10) mit einem Kühlelement (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei mit dem Einleiten von Kühlgas in den Kühlkanal (32) begonnen wird, wenn eine Temperatur des Bearbeitungskopfs (10), insbesondere eine Gehäusetemperatur des Kühlelements (20), einen oberen Schwellwert erreicht, und vorzugsweise dass das Einleiten von Kühlgas in den Kühlkanal (32) beendet wird, wenn die Temperatur des Bearbeitungskopfs (10), insbesondere eine Gehäusetemperatur des Kühlelements (20), einen unteren Schwellwert erreicht.
Verfahren zum Kühlen eines Bearbeitungskopfs (10) mit einem Kühlelement (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei mit dem Einleiten von Kühlgas in den Kühlkanal (32) begonnen wird, wenn seit dem letzten Kühlvorgang eine vorbestimmte Zeitspanne vergangen ist.