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Die Erfindung betrifft eine Laseranordnung zur
Bearbeitung, insbesondere zur Beschriftung von Werkstückoberflächen.
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Laseranordnungen sind in vielfältiger Weise zur
Bearbeitung von Werkstückoberflächen geeignet, wobei
typischerweise von einer Laserquelle emittiertes Licht durch eine
Optik auf ein kleines Flächenelement
der Werkstückoberfläche fokussiert
wird und die Oberflächenbearbeitung
durch die hohe Leistungsdichte im Fokus bewirkt wird. Zur flexiblen Handhabung
solcher Laseranordnungen bei der Bearbeitung von Werkstückoberflächen ist
es bekannt, die Anordnung in ein größeres Versorgungsteil und ein
kleineres, über
eine biegsame Verbindungsleitung mit dem Versorgungsteil verbundenes
Handteil aufzuteilen, wobei die Laserausgangsstufe in dem Handteil
oder dem Versorgungsteil untergebracht sein kann und die Verbindungsleitung
wenigstens ein elektrisches Kabel, häufig auch ein Lichtleitkabel
umfasst.
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Aus der
DE 24 18 064 A1 ist beispielsweise eine
Laseranordnung als Handschneidemaschine bekannt, bei welcher ein
mit zwei Handgriffen ausgestattetes Gerät den Laser enthält und über ein
Kabel mit elektrischer Energie versorgbar ist. An der dem Werkstück zugewandten
Seite des Geräts
ist ein abnehmbarer Tubus angeordnet, welcher die Fokussieroptik
enthält
und auch zugleich als Abstandshalter zum Werkstück dient.
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Die
DE 195 19 150 A1 beschreibt ein Laserstrahlgerät, bei welchem
ein handgeführter
Strahlabgabekopf eine Fokussiereinheit und eine steuerbare Strahlablenkeinrichtung
aufweist. Der Strahlausgangsbereich des Handgeräts ist von einem Abstandshalter
seitlich umgeben, dessen dem Werkstück zugewandte Öffnung je
nach Einsatzfall unterschiedliche Querschnitte aufweisen kann. Der
Abstandshalter ist, z. B. über
eine Bajonettkupplung, auswechselbar an dem Handgerät befestigt.
Die Fokussieroptik kann gleichfalls auswechselbar sein. Der auf
dem Werkstück
aufliegende Rand des Abstandshalters kann umlaufend an dem Werkstück anliegen
und einen Strahlraum zwischen Fokussieroptik und Werkstück dicht
abschließen.
Der Rand des Abstandshalters kann mit Abdichtmitteln wie Gummilippe
oder Teflonaufsatz versehen sein und gleitreibungsmindernde Mittel
wie z. B. Rollen aufweisen. Es können
ferner auswechselbare Abstandshalter vorgesehen sein, deren Rand
an nichtebene Werkstückoberflächen wie
z. B. Rohre angepasst ist. Im Handgerät und insbesondere auch im
Abstandshalter können
Kanäle
zur Zuführung
eines Schutz- oder Prozessgases und/oder zum Absaugen von Abgasen,
welche über
einen Filter geleitet sein können, vorhanden
sein. Ferner kann der Abstandshalter in dem Strahlraum auch noch
optische Sensoren enthalten, welche ein Aufsetzen des Randes des
Abstandshalters auf das Werkstück
detektieren und aus Sicherheitsgründen erst dann die Abgabe von
Laserlicht durch den Strahlraum des Abstandshalters freigeben.
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Optische Sensoren als Teil einer
Sicherheitseinrichtung sind auch bei einem handgeführten Laser-Materialbearbeitungsgerät nach der
DE 100 59 246 A1 vorgesehen,
wobei hier ein in dem abgeschlossenen Strahlraum angeordneter Photosensor bei
nicht ordnungsgemäß auf dem
Werkstück
anliegendem Rand des Abstandshalters von außen eindringendes Licht, welches
Umgebungslicht oder auch von außen
am Rand des Abstandshalters angeordneten Leuchtdioden abgestrahltes
Licht sein kann, feststellt und die Abgabe von Laserlicht in den von
dem Abstandshalter umgebenen Strahlraum verhindert.
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Der vorliegenden Erfindung liegt
die Aufgabe zugrunde, bei einer Laseranordnung mit einem Handteil
dessen sichere Handhabung zu verbessern.
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Erfindungsgemäße Lösungen sind in den unabhängigen Patentansprüchen beschrieben.
Die abhängigen
Ansprüche
enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.
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Die erfindungsgemäßen Maßnahmen führen zu einer sicheren Handhabung
des Handgeräts
sowohl im Hinblick auf eine präzise
und insbesondere während
des Bearbeitungsvorgangs stabile Positionierung des Handgeräts auf der
Werkstückoberfläche als
auch unter dem Gesichtspunkt des Ausschlusses einer Umgebungsgefährdung durch
unkontrolliert austretende Laserstrahlung. Eine erste Variante sieht
hierzu vor, dass eine zumindest in Teilen den Abstandshaltern aus
dem Stand der Technik entsprechende Vorsatzeinrichtung den Strahlraum umgibt,
dass Einrichtungen zur Erzeugung eines Gasstroms durch den Strahlraum
vorgesehen sind und dass ein Gasdrucksensor das Bestehen einer Druckdifferenz
zwischen dem Druck im Strahlraum und dem Umgebungsdruck erfasst.
Die Erfassung einer solchen Druckdifferenz kann sowohl durch die
direkte Überwachung
des Drucks im Strahlraum erfolgen. Es kann aber auch eine mit dem
Druck im Strahlraum korrelierte Größe, z. B. der Druck in einer mit
dem Strahlraum in Verbindung stehenden Kammer und/oder eine vom
Druck im Strahlraum abhängige
andere physikalische Größe überwacht
sein.
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Der Strahlraum, dessen Rand sowie
Zu- und/oder Ableitungen sind dabei hinsichtlich des durch den Strahlraum
fließenden
Gasstroms so aufeinander abgestimmt, dass die ordnungsgemäße Positionierung
der Vorsatzeinrichtung auf dem Werkstück über die Erfassung der Druckdifferenz
von einer nicht akzeptablen Fehlpositionierung oder dem vollständigen Abheben
des Handgeräts
zuverlässig unterscheidbar
ist. Die genaue Dimensionierung hängt vom Einzelfall ab und schließt insbesondere die
Förderkapazität der den
Gasstrom erzeugen den Einrichtungen und die wirksamen Druchlassquerschnitte
von Strömungsöffnungen
in den und aus dem Strahlraum ein, wobei derartige Strömungsöffnungen
auch Leckströme
in die Umgebung oder aus der Umgebung führen können. Strömungsöffnungen für derartige Leckströme zwischen
Strahlraum und Umgebung können
z. B. auch gezielt im Bereich des Randes der Vorsatzeinrichtung
vorgesehen sein. Vorzugsweise wird zumindest der überwiegende
Teil des Gasstroms durch das Handteil zu- und abgeführt.
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Die Einrichtungen zur Erzeugung eines
Gasstroms durch den Strahlraum können
sowohl im Handgerät
als auch in den mit diesem verbundenen Versorgungsteil vorhanden
sein, wobei im letztgenannten die Verbindung zwischen Handteil und
Versorgungsteil auch eine gasführende
Leitung, insbesondere einen ein- oder mehrkanaligen Schlauch umfasst,
der auf Seiten des Handgeräts
sowohl direkt in die Vorsatzeinrichtung als auch in das weitere Komponenten
der Laseranordnung enthaltende Gehäuse geführt sein kann. Der Gasstrom
kann sowohl ein Prozess- oder Schutzgas als auch im einfachsten,
für einen
Beschriftungslaser bevorzugten Fall, Umgebungsluft enthalten.
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Die Einrichtungen zur Erzeugung eines
Gasstroms durch den Strahlraum können Überdruck und/oder
Unterdruck erzeugend ausgebildet sein. Aus dem Strahlraum geführtes abgeleitetes
Gas kann in einer Filtereinrichtung von Abgasanteilen aus dem Bearbeitungsvorgang
gereinigt werden. Die Filtereinrichtung kann vorteilhafterweise
ein Aktivkohlefilter enthalten.
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Vorteilhafterweise ist wenigstens
die Laserlichtquelle, welche vorzugsweise ein Kristall, insbesondere
ein Nd-YAG-Stab ist, im Handgerät
untergebracht und durch einen Kühlgasstrom
gekühlt,
welcher vorteilhafterweise gemeinsam mit dem Gasstrom durch den
Strahlraum und auch wenigstens teilweise mit diesem identisch sein
kann. Ein Teil der in den Strahlraum einströmenden Gasstroms ist vorteilhafterweise
auf die strahlraumseitige Oberfläche der
Fokussieroptik gerichtet, um das Absetzen von im Strahlraum auftretenden
Verunreinigungen auf der Optik zu vermeiden oder zu verringern.
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Eine zweite Variante der Erfindung
zur sicheren Handhabung des Handteils sieht vor, dass im oder am
Handteil Stabilsierungsmittel zur Positionsstabilisierung des Handteils
in dessen Position, in welcher dieses dem Rand der den Strahlraum
umgebenden Vorsatzeinrichtung auf der Werkstückoberfläche aufgesetzt ist.
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Hierfür kann beispielsweise gemäß einer vorteilhaften
Ausführung
vorgesehen sein, dass der auf der Werkstückoberfläche aufgesetzte Rand der Vorsatzeinrichtung
wenigstens abschnittsweise rutschhemmend ausgebildet ist. Der werkstückseitige
Rand der Vorsatzeinrichtung kann wenigstens abschnittsweise mit
selbstklebendem Material, beispielsweise einem Polyurethan versehen
sein.
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Vorteilhafterweise können Mittel
zur eigenständigen
Erzeugung einer das Handteil bzw. den werkstückseitigen Rand der Vorsatzeinrichtung
an die Werkstückoberfläche andrückenden
Kraft, im Regelfall zusätzlich
zu der von dem Benutzer ausgeübten
Andruckkraft vorgesehen sein. Solche Mittel können beispielsweise Einrichtungen
zur Erzeugung eines Unterdrucks im Strahlraum sein. Im Bereich des Randes
der Vorsatzeinrichtung kann eine Magnetanordnung vorgesehen sein,
welche mit Werkstücken aus
magnetisierbarem Material wechselwirkt und eine zusätzliche
Andrückkraft über magnetische
Anziehung bewirkt. Die Magnetanordnung kann auch Elektromagneten
enthalten, welche der Freigabe des Laserstrahls in den Strahlraum
vorausgehend beim Starten des Bearbeitungsvorgangs aktiviert und
nach dem Bearbeitungsvorgang deaktiviert werden. Ein solcher Elektromagnet
kann auch durch eine die Strahlaustrittsöffnung umschließende Spule
gegeben sein.
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Eine weitere Ausführungsform sieht für die Stabilisierungsmittel
eine Kreiselanordnung im Handteil vor. In wieder anderer Ausführung kann
wenigstens ein zusätzliches
Stützelement
vorgesehen sein, welcher von der Vorsatzeinrichtung beabstandet
am Handteil angeordnet ist und in der Betriebsposition auf der Werkstückoberfläche aufliegt.
Vorzugsweise schließt
der Versatz von zusätzlichem
Stützelement und
Vorsatzeinrichtung in zur Werkstückoberfläche paralleler
Richtung einen Griffbereich am Handteil ein, so dass die von einer
Benutzerhand ausgeübte Andruckkraft
durch beidseits des Griffbereichs liegende Abstützpositionen aufgefangen ist.
Das zusätzliche
Stützelement
kann insbesondere zwei seitlich beabstandete Abstützpunkte
besitzen und die bereits zum Rand der Vorsatzeinrichtung geschilderten
Stabilisierungsmittel, insbesondere rutschhemmende, klebende und/oder
magnetische Mittel aufweisen.
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Die Erfindung ist nachfolgend anhand
bevorzugter Beispiele unter Bezugnahme auf die Abbildungen noch
eingehend veranschaulicht. Dabei zeigt:
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1 eine
Seitenansicht eines Handteils,
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2 das
Handteil nach 1 von
hinten,
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3 einen
schematischen inneren Aufbau des Handteils.
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Das in 1 in
Seitenansicht skizzierte Beispiel eines Handteils HT umfasst insbesondere
einen zentralen Hauptkörper
mit Gehäuse
GE, an welchen sich der Werkstückoberfläche zugewandt
eine einen Strahlraum umschließende
Vorsatzeinrichtung VE und ein zusätzliches Abstützelement
ST und dem Werkstück
abgewandt ein Handgriff HG anschließen. Ein Betriebsschalter,
vorzugsweise ein Tastschalter TA ist in Fingerreichweite einer den
Handgriff greifenden Hand angeordnet. Die Vorsatzeinrichtung VE liegt
mit einem Rand RA zum Betrieb auf der Werkstückoberfläche WO auf und umschließt einen Strahlraum,
durch welchen ein Laserstrahl durch die von dem Rand RA umgebene
Strahlaustrittsöffnung AO
hindurch auf die Werkstückoberfläche geführt werden
kann. Die Abstützpunkte
SA (oder Abstützflächen) des
Randes der Vorsatzeinrichtung und SB des zusätzlichen Abstützelements
sind in zur Werkstückoberfläche paralleler
Längsrichtung
LR beabstandet, insbesondere an in Längsrichtung entgegengesetzten
Endbereichen des Gehäuses
GE angeordnet. Der gegenseitige Versatz der Abstützpunkte SA und SB in Längsrichtung
LR schließt
einen Griffbereich GR des Handgriffs HG ein. Der Rand RA der Vorsatzeinrichtung
und/oder Haftelemente HE an dem zusätzlichen Abstützelement
ST können
in besonderer Weise zur Positionsstabilisierung des in Betriebsposition
auf der Werkstückfläche aufgesetzten Handteil
ausgebildet sein, insbesondere durch rutschhemmende und/oder selbstklebende
Materialien und/oder Magnetanordnungen.
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Das Handteil ist über eine Zuleitung ZL mit einem
größeren nicht
in der Skizze dargestellten Versorgungsteil verbunden, wobei die
Zuleitung ZL insbesondere zur elektrischen Versorgung von im Handteil
vorhandenen Einrichtungen vorgesehen ist, aber auch zur Zuleitung
von Pumplicht von einer in dem Versorgungsteil befindlichen Pumplichtquelle
zu einem im Handteil befindlichen optisch gepumpten Laser und/oder
zum Zuführen
oder Abführen
eines Gasstroms eingerichtet sein kann. Die Zuleitung kann hierfür neben
elektrischen Kabeln noch Schläuche,
Lichtleitfasern etc. enthalten. Die Zuleitung kann vorteilhafterweise über einen
Leitungsanschluss LA lösbar
mit dem Handteil gekoppelt sein, so dass ein und dasselbe Handgerät mit unterschiedlichen
Versorgungsteilen, insbesondere verschiedener Pumplichtleistung
verbindbar ist. Die Zuleitung kann in mehrere separate, funktionell
unterschiedliche Teillleitungen aufgeteilt sein, welche einzeln
mit dem Handteil verbunden sind.
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In der Ansicht des Handteils nach 2 von der Seite des Leitungsanschlusses
ist u. a. erkennbar, dass die Vorsatzeinrichtung VE quer zur Längsrichtung
eine wesentlich größere Abmessung
zeigt als in Längsrichtung
LR nach 1. Ein solcher
der Form der Austrittsöffnung
entsprechender Querschnitt kann an den jeweiligen Einsatzfall angepasst und
im skizzierten Beispiel auf das Beschriften von Oberflächen mit
Balkencodes abgestimmt sein. Das Abstützelement zeigt vorteilhafterweise
eine Struktur mit zwei quer zur Längsrichtung beabstandeten,
insbesondere seitlich im wesentlichen symmetrisch zum Handgriff
HG liegenden Abstützpunkten,
gegebenenfalls mit Haftelementen HE.
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Die 3 zeigt
beispielhaft Komponenten eines inneren Aufbaus eines Handteils.
Im skizzierten Beispiel enthält
das Handteil einen durch Pumplicht PL aus dem Versorgungsteil optisch
gepumpten Kristalllaser, z. B. einen Nd-YAG-Laserkristall LK. Dieser ist von einem
Kühlmantel
KM umgeben, durch welchen ein Kühlluftstrom
KG gefördert ist.
Der Kühlluftstrom
KG ist Teil eines Luftstroms LU, welcher über eine Schlauchleitung GZ
aus dem Versorgungsteil kommen oder auch durch einen Ventilator,
ein Gebläse
LG etc. im Handteil selbst erzeugt werden kann. Ein weiterer Teil
des Luftstroms LU wird über
einen Kanal KA, einen Schlauch oder dergleichen als Spülstrom GS
dem von der Vorsatzeinrichtung VE umgebenen Strahlraum SR zugeleitet. Aus
dem Strahlraum SR wird der Spülstrom
GS als Abgas AG über
eine Abgasleitung AL wieder abgeführt und nach Durchlaufen einer
Filteranordnung FI, z. B. eines Aktivkohlefilters über eine
Luftausgangsleitung GA an das Versorgungsteil zurückgeführt oder
an die Umgebung abgegeben. Die Filteranordnung kann auch in dem
Versorgungsteil angeordnet sein oder ganz entfallen. Der den Kühlmantel
KM des Laserkristalls LK verlassende Kühlluftstrom kann, z. B. in
einer nach dem Venturi-Prinzip den Abtransport des Abgases unterstützenden
Düsenan ordnung
VD mit dem Abluftstrom AG zusammengeführt sein. Die beiden Luftströme können aber
auch getrennt abgeleitet sein.
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Das vom Laserkristall LK emittierte
Laserlicht wird über
eine vorzugsweise in zwei Dimensionen über eine Steuereinrichtung
verstellbare Spiegelanordnung US in Richtung des Werkstücks umgelenkt
und gelangt über
eine Fokussieroptik durch den Strahlraum SR auf die Werkstückoberfläche WO.
Die Fokussieroptik kann als Gehäuseoptik
FOG in dem Gehäuse
GE, vorzugsweise auswechselbar, und/oder als Vorsatzoptik FOH in
der Vorsatzeinrichtung VE angeordnet oder, wie im Beispiel angedeutet,
in die beiden Optiken aufgeteilt sein, wobei z. B. die geräteseitige
Optik FOG z. B. eine definierte Ausgangsstrahlform erzeugt und die
Vorsatzoptik auf Form und Dimension der Vorsatzeinrichtung VE und den
Einsatzfall individuell abgestimmt ist. Vorteilhafterweise ist wenigstens
ein Teil LO des in den Strahlraum geleiteten Luftstroms GS auf die
dem Werkstück
nächste
Oberfläche
der Fokussieroptik FOG oder FOH geleitet, um das Absetzen von beim
Bearbeitungsvorgang entstehenden Verunreinigungen auf der Fokussieroptik
zu unterbinden. Dies kann unterstützt werden durch einen zum
Werkstück
hin versetzten Einlass der Abluftleitung AL.
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Die Vorsatzeinrichtung VE liegt mit
einem Rand RA auf der Werkstückoberfläche WO auf.
Der Rand RA kann dabei den Strahlraum zum Werkstück hin luftdicht abschließen oder
auch teildurchlässig sein,
so dass wenigstens ein Teil der Abluft an dieser Stelle austreten
kann. Der zugeführte
Luftstrom GS kann auch über
andere, nicht eingezeichnete Öffnungen
ganz oder teilweise abgeleitet werden. Der Rand RA der Vorsatzeinrichtung
VE kann umlaufend oder abschnittsweise mit seiner mit der Werkstückoberfläche in Kontakt
tretenden Oberfläche
rutschhemmend und/oder selbstklebend ausgeführt sein. Im Bereich des Randes
können
als mechanische Sicherheitsschaltmittel Mikroschalter MS oder dergleichen
angeordnet sein, welche bei ordnungsgemäß auf der Werkstückoberfläche aufgesetzten
Vorsatzeinrichtung VE betätigt
sind. Als weitere Sicherungseinrichtung zur Überwachung des korrekten Aufsetzens
der Vorsatzeinrichtung VE auf die Werkstückoberfläche können in an sich bekannter Weise
optische Sensoren OS in dem Strahlraum SR vorgesehen sein.
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In dem Strahlraum SR ist ferner ein
Gadrucksensor DS2 vorgesehen, welcher eine Druckdifferenz zwischen
dem Gasdruck im Strahlraum und dem Umgebungsdruck erfasst und bei
im Drucksensor eingestellter Druckdifferenzschwelle ein Schaltsignal
oder vorzugsweise ein die erfasste Druckdifferenz quantitativ angebendes
Drucksignal erzeugt und an eine Sicherheitsschalteinrichtung SE
abgibt, welche vorzugsweise auch mit weiteren Sicherheitseinrichtungen
wie den Mikroschaltern MS und dem optischen Sensor OS verbunden
ist und die mehreren Sensorsignale gemeinsam auswertet, um die Abgabe
eines Laserstrahls LS in dem Strahlraum bei nicht ordnungsgemäß auf die
Werkstückoberfläche aufgesetztem
Rand RA der Vorsatzeinrichtung VE zu unterbinden, auch wenn versehentlich
der Betriebsschalter TA betätigt
wird. Die Dimensionen von Zuleitungen und Ableitungen des Luftstroms
durch den Strahlraum und die Förderleitung
des Luftstroms sind so aufeinander abgestimmt, insbesondere durch
Bemessung von Querschnitten von Öffnungen,
dass bei ordnungsgemäß auf der
Werkstückoberfläche aufgesetztem
Rand der Vorsatzeinrichtung VE eine in einem vorgebbaren Bereich
oder zumindest über
einem Schwellwert liegende Druckdifferenz zwischen dem Luftdruck
im Strahlraum SR und dem Umgebungsluftdruck einstellt. Zusätzlich oder
alternativ zu dem Gasdrucksensor DS2 im Strahlraum kann im Verlauf
des Zuleitungskanals KA, gegebenenfalls in einer in diesen eingefügten Messkammer
MK, ein Gasdrucksensor DS1 vorgesehen sein, welcher eine Druckdifferenz
zum Umgebungsdruck erfasst. Anstelle von Druckdifferenzen zum Umgebungsdruck können auch
Druckdifferenzen innerhalb des Luftführungssystems der Laseranordnung
erfasst werden. Druckmessungen an verschiedenen Positionen des Luftfüh rungssystems
können
vorteilhafterweise miteinander verknüpft ausgewertet werden.
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Die vorstehend und die in den Ansprüchen angegebenen
sowie die den Abbildungen entnehmbaren Merkmale sind sowohl einzeln
als auch in verschiedener Kombination vorteilhaft realisierbar.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele
beschränkt,
sondern im Rahmen fachmännischen
Könnens
in mancherlei Weise abwandelbar.