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Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem für zumindest ein druckgesteuertes optisches Element, im Speziellen für zumindest einen adaptiven Laserspiegel, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Laseranlage zur maschinellen Werkstückbearbeitung mit einer angetrieben bewegbaren, insbesondere drehangetriebenen Anlageneinheit und mit einem an der Anlageneinheit angeordneten, druckgesteuerten optischen Element, im Speziellen mit einem adaptiven Laserspiegel, sowie mit einem eingangs genannten Kühlsystem für das optische Element.
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Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise durch die
DE 39 00 467 C2 bekannt geworden.
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Wenn ein Laserstrahl auf ein optisches Element einer Laseranlage, wie z. B. einen Umlenkspiegel, trifft, kann dieses durch den Laserstrahl erheblich erwärmt werden. Um die eingebrachte Wärme abzuführen, weist eine Laseranlage i. d. R. ein Kühlsystem auf, in dem z. B. Wasser als Kühlmedium zwischen den optischen Elementen und einem Kühlaggregat zirkuliert. Beispielsweise muss im Falle von Laseranlagen zur maschinellen 3D-Bearbeitung von Werkstücken das Kühlwasser relativ lange Wege innerhalb der Laserbearbeitungsanlage überwinden, um von dem Kühlaggregat zu den zu kühlenden optischen Elementen und wieder zurück zu gelangen.
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Neben der Kühlung von optischen Elementen dient Kühlwasser in verschiedenen Laseranwendungen auch zur Drucksteuerung spezieller optischer Elemente, deren optische Eigenschaften mit Hilfe eines anliegenden Steuerdruckes eingestellt werden können.
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Ein Beispiel für eine solche Laseranlage in Form einer Laserschneidmaschine wird durch die
EP 0 680 805 B1 beschrieben. Durch den anliegenden Kühlwasserdruck wird die Wölbung der Spiegelfläche eines sogenannten adaptiven Umlenkspiegels verändert. Zur Einstellung des Wasserdrucks, der an dem Spiegel anliegt, dienen mehrere parallel geschaltete Drosselventile oder ein Druckregelventil, welche das zirkulierende Kühlwasser passiert, bevor es dem adaptiven Spiegel zugeführt wird. Der Wasserdruck am Spiegel wird folglich durch Ändern des Druckverlustes erzielt, den das Wasser vor Erreichen des Spiegels erfährt. Mit dem Ändern des Druckverlustes ändern sich gleichzeitig z. B. die Strömungsgeschwindigkeit bzw. die Durchflussmenge des Kühlwassers und damit die Kühlwirkung.
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Aus der
DE 196 13 252 A1 ist ebenfalls ein Laserbearbeitungsgerät bekannt, welches einen adaptiven Spiegel umfasst. Die Wölbung der Spiegelfläche wird in diesem Fall mit Hilfe von Druckluft variiert. Der an dem adaptiven Spiegel anliegende Steuerdruck der Druckluft kann durch ein elektropneumatisches Ventil stufenlos eingestellt werden.
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Bei der eingangs genannten
DE 39 00 467 C2 liegt Kühlwasser an der Rückseite eines randseitig gefassten Laserspiegels an, um durch den Kühlwasserdruck den Spiegel nach Bedarf ein- oder auszubeulen.
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DE 692 10 513 T2 offenbart ein gegenüber einem Roboterarm verdrehbares Roboter-Handgelenk mit Laserspiegeln, welche von einem flüssigen Kühlmittel gekühlt werden.
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DE 10 2012 205 870 B3 offenbart eine Kühlanordnung zur Kühlung von Lasergas für einen Gaslaser. Die Kühlanordnung umfasst einen ersten Kühlkreislauf mit einem ersten Kühlaggregat und mit einem ersten Wärmetauscher zur Kühlung von Lasergas, welches von einem Gebläse zu einem Resonator des Gaslasers strömt, sowie einen zweiten, vom ersten unabhängigen Kühlkreislauf mit einem zweiten Kühlaggregat und mit einem zweiten Wärmetauscher zur Kühlung von Lasergas, welches vom Resonator zum Gebläse strömt. Bei der Kühlanordnung weist der zweite Kühlkreislauf einen weiteren Wärmetauscher zur zusätzlichen Kühlung des vom Gebläse zum Resonator strömenden Lasergases auf.
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Weiterhin offenbart
DE 43 04 059 A1 eine Laser-Spiegeleinrichtung mit einem deformierbaren Spiegelelement und einem topfartigen Gehäuse, das zum Festhalten des Spiegelelements vorgesehen ist. Das Gehäuse weist einen Vorraum mit einem Wärme-Übertragungsfluid für die Verlustwärme im Spiegelelement auf. Zu diesem Zweck ist im Gehäuse ein Kühlraum vorgesehen, der vom Vorraum durch ein Trennelement aus wärmeleitendem Material räumlich getrennt und von einem Kühlmedium durchströmt ist. Der Druck im Kühlraum bleibt somit ohne Auswirkung auf die gerade eingestellte Auswölbung der Spiegelfläche, welche vom aktuellen Fluiddruck im Vorraum hervorgerufen wird.
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EP 1 087 476 A1 offenbart schließlich einen frequenzangeregten Gaslaser für die Materialbearbeitung mit einem außengekühlten Entladungsraum, der zwischen zwei Anregungselektroden zur Energieeinkopplung in Form zylindrischer Elektrodenrohre liegt. An ihren von dem Entladungsraum abgewandten Seiten tragen die Elektrodenrohre jeweils eine schraubenförmig verlaufende Kühlleitung, die an eine Kühlmittelquelle angeschlossen ist. Als Kühlmittel dient Wasser, das mittels einer Umwälzpumpe über Zufuhrleitungen den Kühlleitungen zu- und über Rücklaufleitungen aus den Kühlleitungen abgeführt wird.
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Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gesetzt, die Gestaltungsfreiheit eines Kühlsystems für ein optisches Element einer Laseranlage zu erhöhen.
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Erfindungsgemäß gelöst wird die Aufgabe durch ein Kühlsystem mit den Merkmalen von Anspruch 1 und eine Laseranlage mit den Merkmalen von Anspruch 10.
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Im Sinne der Erfindung ist die statische Fluiddruckkomponente des zirkulierenden Element-Kühlfluids des Kühlsystems mit Hilfe einer Drucksteuereinrichtung einstellbar. Der resultierende Druck an dem optischen Element setzt sich aus einer statischen und gegebenenfalls einer dynamischen Druckkomponente zusammen. Mittels der Drucksteuereinrichtung erfolgt die Änderung der statischen Druckkomponente insbesondere, indem das Element-Kühlfluid mittels der Drucksteuereinrichtung unterschiedlich stark komprimierbar ist, z. B. indem das für das Element-Kühlfluid zur Verfügung stehende Volumen änderbar ist. Beispielsweise erfolgt die Änderung der statischen Druckkomponente durch einen Druckkolben, der auf das Element-Kühlfluid einwirkt. Auf diese Weise kann die statische Fluiddruckkomponente beeinflusst werden, ohne dass sich dadurch die Strömungsgeschwindigkeit des Element-Kühlfluids wesentlich ändert. So sind der Druck des Kühlfluids, durch den die optischen Eigenschaften des optischen Elements eingestellt werden, und die Durchflussgeschwindigkeit des Kühlfluids, die die Kühlleistung bestimmt, nahezu unabhängig voneinander steuerbar.
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Erfindungsgemäß steht das Element-Kühlfluid zur Drucksteuerung mit einem von dem Element-Kühlfluid verschiedenen Drucksteuerfluid in Wirkverbindung. Das Kühlsystem weist folglich eine Drucksteuereinrichtung auf, mittels derer der Fluiddruck des Element-Kühlfluids, welcher im optischen Element anliegt, einstellbar ist, indem das Element-Kühlfluid mit einem von dem Element-Kühlfluid verschiedenen Drucksteuerfluid in Wirkverbindung steht. Im Speziellen handelt es sich bei der Drucksteuereinrichtung um eine Druckregeleinrichtung. Diese bevorzugte Ausführungsform ermöglicht eine hochgenaue Drucksteuerung bzw. -regelung, insbesondere, wenn das Drucksteuerfluid gasförmig ist.
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Vorteilhafterweise steht das Element-Kühlfluid außerdem zur Wärmeabfuhr mit einem separat im Kühlsystem zirkulierenden Anlagen-Kühlfluid in Wirkverbindung. Das Kühlsystem weist demzufolge einen Wärmeüberträger auf, mittels dessen Wärme von dem Element-Kühlfluid abführbar ist, indem das Element-Kühlfluid mit einem separat im Kühlsystem zirkulierenden Anlagen-Kühlfluid in Wirkverbindung steht.
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In der bevorzugten Ausführungsform weist das erfindungsgemäße Kühlsystem also zusätzlich zum Element-Kühlfluid mindestens ein weiteres Fluid bzw. einen weiteren Fluidkreislauf für bestimmte Aufgaben im Kühlsystem auf. Durch diese erfindungsgemäße Maßnahme wird die Gestaltungsfreiheit des Kühlsystems erhöht. Indem einzelne Funktionen des Kühlsystems auf separate Fluide bzw. Fluidkreisläufe aufgeteilt werden, d. h. indem eine Funktionstrennung auf verschiedene Wirkmedien erfolgt, können die Fluide bzw. Fluidkreisläufe für den jeweiligen Zweck optimiert gestaltet werden. Durch die Funktionstrennung wirken sich Fehlfunktionen bzw. Schwankungen im Bereich des anderen Fluides bzw. des anderen Fluidkreislaufes nicht unmittelbar auf den Element-Kühlkreislauf aus.
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Beispielsweise besteht bei einer herkömmlichen Laseranlage durch die relativ großen, eventuell variierenden Strecken und Höhenunterschiede, über welche das Kühlmedium umgewälzt werden muss, die Gefahr, dass sich Druckschwankungen im Kühlmediumkreislauf ergeben, die ein präzises Einstellen des Fluiddrucks am optischen Element erschweren. Zum einen entstehen solche Druckschwankungen durch strömungstechnische Effekte, wie z. B. Rückstaudrücke, in den langen Kühlmedium-Leitungen. Zum anderen ergeben sich die Druckschwankungen, wenn beispielsweise Leitungsabschnitte bei den Arbeitsbewegungen der Laseranlage mitbewegt werden und dadurch erhebliche Beschleunigungskräfte auf das Kühlmedium darin wirken, die dann unerwünschten Einfluss auf den Fluiddruck nehmen.
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Dank eines von dem Kühlsystem getrennten Drucksteuersystems bzw. dank eines von dem Element-Kühlfluidsystem getrennten Anlagen-Kühlfluidsystems, insbesondere eines Anlagen-Kühlkreislaufes, wirken sich solche Druckschwankungen nicht unmittelbar auf das Element-Kühlfluidsystem aus. Der Fluiddruck an dem optischen Element kann präziser und stabiler eingestellt werden.
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Im Speziellen dient das Element-Kühlsystem vorzugsweise zur Kühlung und Drucksteuerung von einem einzigen optischen Element. Je nach Bauart der Laseranlage ist aber auch eine Variante der Erfindung von Vorteil, bei welcher das Element-Kühlsystem, insbesondere der Element-Kühlkreislauf, zur Kühlung und ggfs. zur Drucksteuerung von einem oder mehreren zusätzlichen optischen Elementen und/oder einem oder mehreren zusätzlichen nicht-optischen Elementen bzw. Bauteilen der Laseranlage dient, während andere zu kühlende optische bzw. nichtoptische Elemente der Laseranlage mittels eines separaten Kühlkreislaufes, insbesondere direkt oder indirekt mittels des Anlagen-Kühlkreislaufes, gekühlt werden können.
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In diesem Zusammenhang sei erwähnt, dass ein Kühlsystem einen (zentralen) Anlagen-Kühlkreislauf und mehrere Element-Kühlkreisläufe aufweisen kann. Zusätzlich zu den oben erläuterten Vorteilen durch die erfindungsgemäße Abkopplung, ergibt sich bei einer derartigen Variante einer Laseranlage zudem die Möglichkeit zur Energieeinsparung, indem das Element-Kühlfluidsystem nur betrieben wird, wenn die zugeordneten optischen bzw. nicht-optischen Elemente gekühlt bzw. druckgesteuert werden müssen.
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Darüber hinaus bietet die Verwendung eines von dem Element-Kühlfluid verschiedenen Drucksteuerfluids die Möglichkeit, ein für den Einsatz als Drucksteuerfluid besonders geeignetes Fluid zu verwenden, das aber nicht selbst zur Verwendung als Kühlmedium besonders geeignet sein muss. Gleichzeitig kann als Element-Kühlfluid ein Fluid ausgewählt werden, das in erster Linie eine effiziente Wärmeabfuhr ermöglicht.
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Bei einer besonders bevorzugten Variante der Erfindung ist das Element-Kühlfluid flüssig, was sich vor allem aufgrund der höheren Wärmeleitfähigkeit und -kapazität von Flüssigkeiten im Vergleich zu Gasen als vorteilhaft erweist. Besonders kostengünstig und umweltfreundlich ist die Verwendung von Wasser als Element-Kühlfluid. Entsprechendes gilt für die Verwendung einer Flüssigkeit, insbesondere Wasser, als Anlagen-Kühlfluid.
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Es ist aber auch vorstellbar, dass das Element-Kühlfluid gelartig und insbesondere thixotrop ist. Insbesondere in diesem Fall kann der Wärmetransport durch das Element-Kühlfluid überwiegend durch Wärmeleitung bewerkstelligt werden, da die hohe Viskosität des gelartigen Element-Kühlfluids eine Konvektion verhindert. In anderen Fällen wird der Wärmetransport aber zumindest in erheblichem Maße durch eine Zirkulation/Umwälzung des Element-Kühlfluids im Element-Kühlfluidsystem bewirkt. Es handelt sich dann folglich bei dem Element-Kühlfluidsystem um einen Element-Kühlkreislauf. Je nach Bauart des Element-Kühlkreislaufs kann sich die Umwälzung allein durch Temperaturunterschiede und dadurch bewirkte Dichteunterschiede im Element-Kühlkreislauf einstellen oder durch ein Fluidfördermittel, wie beispielsweise eine Umwälzpumpe, bewerkstelligt werden.
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Vorzugsweise ist das Drucksteuerfluid gasförmig. Das Einstellen eines Steuerdruckes in einem gasförmigen Drucksteuerfluid ist insbesondere dank der hohen Kompressibilität eines Gases einfacher und genauer als bei einer Flüssigkeit. Außerdem ist die Verwendung eines gasförmigen Drucksteuerfluids von Vorteil, da eine Gasdrucksteuereinrichtung kostengünstiger ist, kleiner baut und weniger wiegt als eine vergleichbare Einrichtung für Flüssigkeiten. Im Speziellen stellt Luft eine billige und umweltfreundliche Variante eines Drucksteuerfluids dar.
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Als gasförmiges Drucksteuerfluid kommen aber auch Stickstoff oder andere Gase in Frage, die in Laseranlagen mit einem Laserbearbeitungskopf als Prozessgas ohnehin zur Verfügung stehen. Die Nutzung eines Prozessgases als Drucksteuerfluid bietet den Vorteil, dass bereits vorhandene Versorgungsleitungen für das Prozessgas auch für die Versorgung mit dem Drucksteuerfluid genutzt werden können. Im Speziellen kann sich im Zusammenhang mit einem eventuell vorgesehenen Drucksteuerfluid-Reservoir eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ergeben, die weiter unten noch detaillierter erläutert wird.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird das Element-Kühlfluid an zumindest einer Druckeinspeisekammer mehr oder weniger stark komprimiert bzw. mit Druck beaufschlagt. In der zumindest einen Druckeinspeisekammer stehen beispielsweise das Drucksteuerfluid und das Element-Kühlfluid miteinander in Wirkverbindung, um den Druck von dem Drucksteuerfluid auf das Element-Kühlfluid zu übertragen.
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Durch eine einfache Bauform zeichnet sich eine Variante aus, bei welcher das Element-Kühlfluid und das Drucksteuerfluid zur Drucksteuerung unmittelbar miteinander in Wirkverbindung stehen. Beispielsweise ist die unmittelbare bzw. direkte Wirkverbindung realisierbar, indem ein flüssiges Element-Kühlfluid und ein gasförmiges Drucksteuerfluid in einer Druckeinspeisekammer zusammengeführt werden. Aufgrund des Dichteunterschiedes bildet sich eine flüssige Phase mit dem Element-Kühlfluid und darüber eine gasförmige Phase mit dem Drucksteuerfluid. Die flüssige Kühlmedium-Phase ist an das Kühlfluidsystem angeschlossen. Die gasförmige Drucksteuerfluid-Phase ist an eine Gasdrucksteuereinrichtung angeschlossen. Über die Phasengrenze hinweg überträgt das Drucksteuergas den eingestellten Gasdruck auf das flüssige Element-Kühlfluid. Um einem Vermischen der beiden Fluide entgegenzuwirken sowie ein Volllaufen der Druckeinspeisekammer mit Kühlflüssigkeit zu verhindern, erfolgt die Druckeinspeisung an der geodätisch obersten Stelle des Element-Kühlfluidsystems.
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Eine alternative Bauart zeichnet sich durch eine besonders wirkungsvolle Vermeidung eines Vermischens von Element-Kühlfluid und Drucksteuerfluid aus. In diesem Fall stehen die beiden Fluide über ein, insbesondere fluidundurchlässiges, Druckeinspeiseelement miteinander in Wirkverbindung. Beispielsweise kann als Druckeinspeiseelement eine Sperrflüssigkeitsschicht vorgesehen sein, welche in der Druckeinspeisekammer zwischen der Element-Kühlfluid-Phase und der Drucksteuerfluid-Phase ausbildet ist.
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Besonders bevorzugt ist eine Variante, bei welcher ein Druckeinspeiseelement in Form einer Membran oder eines Druckkolbens vorgesehen ist. Insbesondere ist die Membran bzw. der Druckkolben unmittelbar zwischen den beiden Fluiden angeordnet, d. h. das Drucksteuerfluid liegt an einer Seite der Membran bzw. des Druckkolbens an und das Element-Kühlfluid an der gegenüberliegenden Seite.
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Eine besonders kompakte Baueinheit aus optischem Element und Drucksteuereinrichtung ergibt sich, indem eine Druckeinspeisekammer der Drucksteuereinrichtung an dem optischen Element angeordnet ist, insbesondere in einem Gehäuse des optischen Elements angeordnet ist. Die Dynamik der Drucksteuerung erhöht sich, da die Druckeinstellung direkt am optischen Element erfolgt.
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Gemäß einer weiteren Variante der Erfindung weist die Drucksteuereinrichtung ein Drucksteuerfluid-Reservoir auf. Diese Variante zeichnet sich durch den Vorteil aus, dass z. B. keine Druckleitung von einer zentralen Druckversorgungsanlage erforderlich ist. Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung dieser Variante wird das Drucksteuerfluid-Reservoir zum Be- bzw. Nachfüllen an eine Prozessgas-Leitung für einen Laserbearbeitungskopf angeschlossen. Eine ohnehin vorhandene Prozessgas-Leitung wird in vorteilhafter Weise für einen zusätzlichen Zweck genutzt.
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Um die erforderliche Umwälzung des Element-Kühlfluids im Element-Kühlfluidsystem bzw. im Element-Kühlkreislauf sicherzustellen, ist im Falle einer Erfindungsvariante das Kühlsystem mit zumindest einer Umwälzpumpe versehen, mittels derer das Element-Kühlfluid in dem Element-Kühlfluidsystem bzw. Element-Kühlkreislauf zirkulierbar ist.
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Alternativ oder ergänzend kann das Kühlsystem derart gestaltet sein, dass eine Umwälzung des Element-Kühlfluids im Element-Kühlkreislauf nach Art eines Thermosyphons erfolgt. Das am optischen Element erwärmte Element-Kühlfluid steigt aufgrund seiner niedrigeren Dichte im Element-Kühlkreislauf nach oben. Dort kühlt es ab, um dann anschließend aufgrund seiner nun höheren Dichte wieder zum optischen Element zurück nach unten abzusinken.
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Häufig ist es erforderlich, mittels des Element-Kühlkreislaufs relativ große Wärmemengen von dem optischen Element abtransportieren zu können. Aus diesem Grunde weist das Kühlsystem vorzugsweise zumindest einen Wärmeüberträger auf. Die Wärme von dem Element-Kühlfluid kann dabei auf ein flüssiges oder gasförmiges Fluid übertragen werden. Besonders bevorzugt ist eine Variante mit einem indirekten Wärmeüberträger, bei welcher die Fluidströme über ein wärmeübertragendes Bauteil in Wirkverbindung stehen.
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Alternativ oder ergänzend kann eine Wärmeabfuhr von dem Element-Kühlfluid zu einem wärmeaufnehmenden Bauteil der Laseranlage, wie z. B. einem Stahlträger der Laseranlage, erfolgen. Insbesondere kann eine Wärmeabfuhr zumindest weitgehend oder sogar ausschließlich von dem optischen Element an angrenzende Bauteile der Laseranlage erfolgen.
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Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel stehen das Element-Kühlfluid und das Anlagen-Kühlfluid über das Gehäuse des optischen Elementes als Wärmeüberträger in Wirkverbindung.
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Das erfindungsgemäße Kühlsystem, insbesondere nach den vorstehend erläuterten Fort- bzw. Weiterbildungen, kann zur Kühlung eines optischen Elementes einer beliebigen Laseranlage dienen. Beispielsweise kann es bei einer Laseranlage verwendet werden, welche im Wesentlichen „nur“ durch ein Laseraggregat, einen Laserresonator bzw. eine Laserquelle gebildet wird. Besonders bevorzugt ist aber die Verwendung des erfindungsgemäßen Kühlsystems an einer Laseranlage, welche wenigstens eine Antriebsachse, d. h. zumindest eine angetrieben bewegbare Anlageneinheit umfasst.
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Die Erfindung betrifft daher auch eine Laseranlage zur maschinellen Werkstückbearbeitung, mit einer angetrieben bewegbaren, insbesondere drehangetriebenen, Anlageneinheit und mit einem an der Anlageneinheit angeordneten druckgesteuerten optischen Element, im Speziellen mit einem adaptiven Laserspiegel, sowie mit einem Kühlsystem gemäß den vorstehenden Ausführungen mit einem entsprechenden Element-Kühlfluidsystem.
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Erfindungsgemäß ist das geschlossene Element-Kühlfluidsystem an der angetrieben bewegbaren Anlageneinheit der Laseranlage angeordnet.
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Das Element-Kühlfluidsystem ist insofern als geschlossenes Element-Kühlfluidsystem auf der bewegbaren Anlageneinheit angeordnet, als es vollständig auf der bewegbaren Anlageneinheit angeordnet ist, d. h. das Element-Kühlfluid strömt nur in Leitungen bzw. Kanälen, die auf der Anlageneinheit befestigt sind. Das Element-Kühlfluid muss also die Bewegungsachse der Anlageneinheit nicht überqueren, sondern nur eventuell vorhandene Bewegungsachsen innerhalb der Anlageneinheit. Vorzugsweise überquert das Element-Kühlfluid in dem Element-Kühlfluidsystem aber keine Bewegungsachse der Laseranlage. Zwischen Leitungsabschnitten, die einerseits auf der Anlageneinheit und andererseits auf einer Trägereinheit für die Anlageneinheit angeordnet sind, können aufwändige und störungsanfällige Anschlussmittel entfallen.
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Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn die Anlageneinheit relativ zu der Trägereinheit drehangetrieben ist, da besonders störanfällige und aufwändige Drehdurchführungen eingespart werden können. Im Speziellen handelt es sich bei der Anlageneinheit vorzugsweise um eine frei drehbare Einheit, d. h. nach einer 360° Drehung ergibt sich wieder der Ausgangszustand, so dass die Einheit nicht wieder zurück gedreht werden muss bzw. beliebig oft um 360° weiter gedreht werden kann.
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Durch den Aufbau der Anlageneinheit ergibt sich eine Anlageneinheit mit einem kompakt bauenden, wartungsarmen und präzise steuerbaren Kühlsystem.
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Die Anlageneinheit ist angetrieben bewegbar an einer Trägereinheit der Laseranlage gelagert. Beispiele für eine Trägereinheit sind ein feststehender Maschinenkörper der Laseranlage oder auch ein Schlitten einer Bewegungseinheit, welche z. B. selbst an einem Maschinenkörper der Laseranlage gelagert ist.
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Im Falle einer bevorzugten Variante der Erfindung ist wenigstens teilweise ein Wärmeüberträger für das Element-Kühlfluid an derselben bewegbaren Anlageneinheit wie das Element-Kühlfluidsystem angeordnet.
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Eine baulich vorteilhafte Variante ergibt sich, wenn ein Anlagen-Kühlkreislauf für ein mit dem Element-Kühlfluid in Wirkverbindung stehendes Anlagen-Kühlfluid zumindest teilweise an einer Trägereinheit angeordnet ist, an welcher die Anlageneinheit angetrieben bewegbar, insbesondere drehangetrieben gelagert ist.
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Durch eine effiziente Wärmeübertragung von dem Element-Kühlfluid auf das Anlagen-Kühlfluid zeichnet sich eine Weiterbildung der Erfindung aus, bei welcher ein mit dem Element-Kühlfluid in thermischem Kontakt stehendes Wärmeabgabeelement an der Anlageneinheit angeordnet ist. Außerdem ist ein mit dem Anlagen-Kühlfluid in thermischem Kontakt stehendes Wärmeaufnahmeelement an der Trägereinheit angeordnet. Ein achsübergreifender Wärmeüberträger wird auf diese Weise gebildet. Das Wärmeabgabe- und das Wärmeaufnahmeelement sind derart ausgebildet und angeordnet, dass eine Wärmeabfuhr von dem Wärmeabgabeelement an das Wärmeaufnahmeelement erfolgen kann. Die beiden Elemente können sich zur Wärmeübertragung berühren bzw. aneinander gleiten. Vorzugsweise ist zwischen ihnen ein Spalt vorgesehen, wenn auch ein sehr schmaler Spalt, über welchen hinweg die Wärmeübertragung im Wesentlichen berührungsfrei erfolgt. Die beiden Elemente sind relativ zueinander bewegbar, insbesondere drehbar, so dass die Bewegungsmöglichkeiten der Anlageneinheit relativ zu der Trägereinheit nicht durch den achsübergreifenden Wärmeüberträger eingeschränkt sind.
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Ein besonders kompakt bauender Wärmeüberträger über eine Drehachse hinweg bildet sich, indem das Wärmeabgabeelement und das Wärmeaufnahmeelement ringförmig oder zumindest ringsegmentartig ausgebildet sind und wenigstens nahezu konzentrisch zu der Drehachse angeordnet sind, um welche die Anlageneinheit relativ zu der Trägereinheit drehangetrieben ist. Vorzugsweise ist der Wärmeüberträger derart ausgebildet, dass in jeder Relativstellung zwischen Anlageneinheit und Trägereinheit eine Wärmeübertragung erfolgen kann. Die ring- bzw. ringsegmentförmigen Elemente können axial versetzt zueinander angeordnet sein. Vorzugsweise ist eines der Elemente zumindest teilweise radial innerhalb des anderen Elementes angeordnet.
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Im Falle einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist eine Drucksteuereinrichtung, mittels derer der Fluiddruck des Element-Kühlfluids einstellbar ist, welcher im optischen Element anliegt, an derselben Anlageneinheit wie das Element-Kühlfluidsystem angeordnet. Es versteht sich, dass es von besonderem Vorteil ist, wenn die Drucksteuereinrichtung gemäß den weiter oben und unten angeführten Aspekten weitergebildet ist.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist das Element-Kühlfluidsystem an der Anlageneinheit derart ausgebildet, dass das Element-Kühlfluid beim Betrieb des optischen Elementes im optischen Element verbleibt, d. h. ein Gehäuse des optischen Elementes nicht verlässt. Das Element-Kühlfluidsystem. d. h. das Aufnahmevolumen bzw. die Kanäle für das Element-Kühlfluid sind also vollständig durch das Gehäuse des optischen Elementes umfasst. Es ergibt sich eine kompakte Baueinheit. Ein separates Kühlleitungssystem o. ä. für das Element-Kühlfluid kann entfallen. Die dadurch reduzierte Menge an erforderlichem Element-Kühlmedium erhöht die Dynamik, mit welcher der Fluiddruck des Element-Kühlmediums einstellbar ist.
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Dieser Vorteil ergibt sich in noch größerem Maße, wenn zusätzlich auch noch die bereits erwähnte Integration einer Druckeinspeisekammer der Drucksteuereinrichtung, mittels derer der in dem optischen Element anliegende Fluiddruck des Element-Kühlfluids einstellbar ist, in das Gehäuse des optischen Elements erfolgt.
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In der Druckeinspeisekammer steht das Element-Kühlfluid beispielsweise wiederum unmittelbar mit einem, insbesondere gasförmigen, Drucksteuerfluid in Wirkverbindung. Alternativ kann die Drucksteuerung aber auch mittels eines Druckeinspeiseelements, z. B. mittels einer Membran oder eines Druckkolbens, erfolgen.
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Das Druckeinspeiseelement kann mittels eines rein mechanischen Aktuators angetrieben sein. In diesem Fall ist ein separates Drucksteuerfluid zur Drucksteuerung des Element-Kühlfluids nicht vorgesehen. So kann das Druckeinspeiseelement z. B. unmittelbar mittels eines Elektromotors verstellbar sein. Vorzugsweise ist der Aktuator, z. B. der Elektromotor, an dem Gehäuse des optischen Elementes angebracht bzw. Teil der Baueinheit des optischen Elements.
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Um ein möglichst präzises Einstellen des Fluiddrucks des Element-Kühlmediums zu gewährleisten, ist es vorteilhaft, wenn der Aktuator jedoch über ein zwischengeschaltetes Drucksteuerfluid auf das Element-Kühlfluid einwirkt. Im Speziellen ist folglich ein hydraulisches bzw. pneumatisches Zusatzaggregat vorgesehen, das die Steuerdruckkennlinie abflacht. Das Zusatzaggregat weist z. B. eine Membran oder einen Druckkolben auf, die mittels eines Aktuators verstellbar sind. Mittels der Membran bzw. des Druckkolbens wird der Druck des Drucksteuerfluids einstellt, das in einem Aufnahmevolumen des Zusatzaggregats, wie beispielsweise einem Druckzylinder, aufgenommen ist. Das Drucksteuerfluid steht wiederum mit dem Element-Kühlfluid im optischen Element unmittelbar oder über ein Druckeinspeiseelement (z. B. eine weitere Membran oder einen weiteren Druckkolben) in Wirkverbindung.
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Vorzugsweise sind das Zusatzaggregat und der Aktuator an dem Gehäuse des optischen Elementes angebracht.
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Zur Wärmeabfuhr kann das optische Element derart ausgebildet sein, dass die Wärme von dem Element-Kühlfluid ausschließlich an die umgebenden Bauteile abgeführt wird. Es kann aber auch wiederum ein separates Anlagen-Kühlfluid zur zumindest ergänzenden Wärmeabfuhr vorgesehen sein. Dieses kann, wie oben beschrieben, über das Gehäuse des optischen Elementes mit dem Element-Kühlfluid in Wirkverbindung stehen, z. B. mittels eines Kühlfluidkanals in einem angrenzenden Bauteil, oder sogar mit dem Element-Kühlfluid in Wirkverbindung stehen, indem sogar eine Anlagen-Kühlfluidleitung durch das Gehäuse des optischen Elements selbst geführt ist.
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Der Wärmetransport im Element-Kühlfluid kann beispielsweise derart gestaltet sein, dass eine Umwälzung des Element-Kühlfluids in dem Element nach Art eines Thermosyphons, wie weiter oben bereits erläutert, erfolgt.
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Weitere mögliche Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmalen. Dabei wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der Erfindung hinzufügen.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand schematischer Zeichnungen erläutert. Im Einzelnen zeigen:
- 1: eine Laserbearbeitungsanlage zur maschinellen 3D-Bearbeitung von Werkstücken,
- 2: den prinzipiellen Aufbau eines Kühlsystems zur Kühlung eines adaptiven Spiegels der Laserbearbeitungsanlage gemäß 1,
- 3: den prinzipiellen Aufbau eines drehangetriebenen Dreh-/Schwenkarms der Laserbearbeitungsanlage gemäß 1,
- 4: den prinzipiellen Aufbau eines Kühlsystems zur Kühlung eines adaptiven Spiegels der Laserbearbeitungsanlage gemäß 1 nach einer zweiten Bauart,
- 5: den prinzipiellen Aufbau eines Kühlsystems zur Kühlung eines adaptiven Spiegels der Laserbearbeitungsanlage gemäß 1 nach einer dritten Bauart,
- 6: den prinzipiellen Aufbau eines Kühlsystems zur Kühlung eines adaptiven Spiegels der Laserbearbeitungsanlage gemäß 1 nach einer vierten Bauart, und
- 7: den prinzipiellen Aufbau eines Kühlsystems zur Kühlung eines adaptiven Spiegels der Laserbearbeitungsanlage gemäß 1 nach einer fünften Bauart.
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Gemäß 1 weist eine Laserbearbeitungsanlage 1 einen feststehenden Maschinenkörper 2, drei Trägerschlitten 3, 4, 5 sowie einen Dreh-/Schwenkarm 6 auf. Die Trägerschlitten 3, 4, 5 sind jeweils entlang einer Linearachse 7, 8, 9 angetrieben bewegbar. Die drei Linearachsen 7, 8, 9 verlaufen senkrecht zueinander. Der Dreh-/Schwenkarm 6 ist um eine vertikale Drehachse 10 drehangetrieben an dem Trägerschlitten 5 gelagert. Der Trägerschlitten 5 bildet folglich eine Trägereinheit für den Dreh-/Schwenkarm 6.
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Der Dreh-/Schwenkarm 6 umfasst einen Laserbearbeitungskopf 11, welcher im Dreh-/Schwenkarm um eine horizontale Schwenkachse 12 drehbar gelagert ist (3). Der Laserbearbeitungskopf 11 kann zur Abstandsregelung einer Laserbearbeitungsdüse 13 (3) gegenüber einem Werkstück 14 eine weitere, nicht gezeigte, lineare Antriebsachse aufweisen.
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Mittels des Laserbearbeitungskopfes 11 kann das Werkstück 14 entlang einer nahezu beliebigen 3-D-Kontur lasergeschnitten und/oder -geschweißt werden. Zur Lagerung des Werkstücks 14 während der Bearbeitung weist die Laserbearbeitungsanlage 1 einen Werkstücktisch 15 auf.
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Der in 1 gezeigte Aufbau der Laserbearbeitungsanlage 1 stellt einen beispielhaften Aufbau einer Laserbearbeitungsanlage 1 zur maschinellen 3D-Bearbeitung von Werkstücken 14 dar. Es sind aber auch andere Bauarten der Laserbearbeitungsanlage 1 mit mehr oder weniger Bewegungsachsen für die Bearbeitungsoptik, einer anderen Anordnung der Bewegungsachsen zueinander sowie mit weiteren Bewegungsachsen für das Werkstück 14 denkbar.
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Der Laserstrahl 16 wird in einem nur angedeuteten Laseraggregat 17 erzeugt, welches Teil einer z. B. neben dem Maschinenkörper 2 aufgestellten Versorgungseinheit 18 ist. Um den Laserstrahl 16 von dem Laseraggregat 17 zu dem Bearbeitungskopf 11 zu leiten, aber auch um den Laserstrahl 16 zu formen bzw. die Fokuslage des Laserstrahls 16 einzustellen, ist eine Strahlführung 19 mit mehreren optischen Elementen, wie z. B. Laserspiegel, Linsen, Filter usw. vorgesehen. In 1 ist beispielhaft lediglich ein Umlenkspiegel 20 gezeigt.
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Des Weiteren weist die Laserbearbeitungsanlage 1 eine Vielzahl von Versorgungsleitungen 21 auf, um z. B. elektrischen Strom, verschiedene Gase, aber auch Steuerbefehle usw. innerhalb der Laserbearbeitungsanlage 1 zu transportieren. Die Versorgungsleitungen 21 sind in 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nur prinzipiell angedeutet.
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Insbesondere weist die Laserbearbeitungsanlage 1 ein Kühlsystem 22 auf, um die optischen Elemente, welche durch den Laserstrahl 16 erwärmt werden können, zu kühlen. Es weist ein Anlagenkühlsystem, insbesondere einen Anlagen-Kühlkreislauf 23 (2) auf, in welchem Anlagen-Kühlwasser als Anlagen-Kühlfluid zirkuliert. Ein zentrales Kühlaggregat 24 dient zur Kühlung des Anlagen-Kühlwassers, welches mittels einer nicht gezeigten Pumpe umgewälzt wird. Das Kühlaggregat 24 kann beispielsweise Teil der beim Maschinenkörper 2 aufgestellten Versorgungseinheit 18 sein. Es kann aber auch separat von der übrigen Laserbearbeitungsanlage 1 aufgestellt sein. Beispielsweise kann es sogar in einem anderen Stockwerk der Maschinenhalle untergebracht sein. Eventuell kann das Kühlaggregat 24 auch Anlagen-Kühlwasser für mehrere Laserbearbeitungsanlagen 1 liefern.
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Das Anlagen-Kühlwasser steht beim Verlassen des Kühlaggregats 24 z. B. unter einem Betriebsausgangsdruck von maximal ca. 4.5 bar und wird mittels Druckwasserleitungen den zu kühlenden optischen und ggfs. zu kühlenden nicht-optischen Elementen der Laserbearbeitungsanlage 1 zugeführt. Ein Teil des Anlagen-Kühlkreislaufes 23 befindet sich auch auf dem Trägerschlitten 5, an welchem der Dreh-/Schwenkarm 6 gelagert ist. Zur Veranschaulichung sind beispielhaft in 1 zwei Druckwasserleitungen 25 darstellt, die in den Schlitten 5 führen.
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Zur Kühlung eines adaptiven Umlenkspiegels 26 und gegebenenfalls weiterer optischer Elemente, die auf dem Dreh-/Schwenkarm 6 angeordnet sind, weist das Kühlsystem 22 ein Element-Kühlsystem, insbesondere einen Element-Kühlkreislauf 27 auf, der in sich geschlossen auf dem Dreh-/Schwenkarm 6 angeordnet ist. In dem Element-Kühlkreislauf 27 zirkuliert ein von dem Anlagen-Kühlwasser separates Element-Kühlwasser als Element-Kühlfluid. Auf diese Weise können Wasserdrehdurchführungen eingespart werden, welche erhebliche technische Nachteile, wie ein hohes Reibmoment, begrenzte Lebensdauer usw. aufweisen sowie höhere Kosten mit sich bringen.
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Der prinzipielle Aufbau einer Variante eines Element-Kühlkreislaufes 27 wird im Folgenden anhand 2 und 3 erläutert. Der Element-Kühlkreislauf 27 ist an den adaptiven Spiegel 26 und zusätzlich an einen weiteren Umlenkspiegel 28 (3) auf dem Dreh-/Schwenkarm 6 angeschlossen.
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Der adaptive Spiegel 26 weist z. B. eine verformbare Metallmembranscheibe 29 und ein Gehäuse 40 auf. In dem Gehäuse ist eine Druckkammer 44 für das Element-Kühlwasser vorgesehen. Eine Seite der Metallmembranscheibe 29 bildet eine Spiegelfläche für den auf den adaptiven Spiegel 26 treffenden Laserstrahl 16. Die andere Seite der Metallmembranscheibe 29 wird von dem Element-Kühlwasser in der Druckkammer 44 druckbeaufschlagt. Zum einen dient das Element-Kühlwasser zum Abtransport von Wärme, die durch den Laserstrahl 16 der Metallmembranscheibe 29 zugeführt wird. Zum anderen kann durch Änderung des Druckes (bzw. der statischen Druckkomponente) des Element-Kühlwassers in der Druckkammer 44, die Wölbung der Metallmembranscheibe 29 verändert werden und dadurch die optischen Eigenschaften der Spiegelfläche verändert bzw. eingestellt werden. Die Veränderung der optischen Eigenschaften wird in der Laserbearbeitungsanlage 1 zur gezielten Formung und Fokuslagenänderung des Laserstrahls 16 genutzt. Eine präzise und dynamische Steuerung des Element-Kühlwasserdruckes im adaptiven Spiegel 26 hat daher entscheidenden Einfluss auf das Bearbeitungsergebnis der Laserbearbeitungsanlage 1.
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Diese hohen Anforderungen werden insbesondere dadurch erfüllt, dass der Element-Kühlkreislauf 27 mit einer Drucksteuereinrichtung 30, im Speziellen mit einer Druckregeleinrichtung, versehen ist, mittels derer der Druck des Element-Kühlfluids über ein Drucksteuerfluid steuerbar bzw. regelbar ist. Zum Ändern des Drucks in der Druckkammer 44 wird die statische Druckkomponente des Element-Kühlfluids variiert. Als Drucksteuerfluid dient z. B. Druckluft, die beispielsweise von einem zentralen Druckluftsystem der Laserbearbeitungsanlage 1 zugeführt wird. Zwar macht dies eine Fluiddrehdurchführung beim Übergang vom Trägerschlitten 5 auf den Dreh-/Schwenkarm 6 erforderlich. Eine Drehdurchführung für Druckluft weist jedoch geringere Dichtigkeitsanforderungen, kleinere Reibmomente und eine längere Lebensdauer auf als eine Drehdurchführung für Druckwasser. Bei Druckwasser-Drehdurchführungen ist häufig zudem eine Ummantelung der Drehdurchführung mit einer Sperrgaseinheit erforderlich, um eine Leckage sicher auszuschließen. Auch das Erfordernis einer solchen Sperrgaseinheit entfällt. Des Weiteren muss das Druckwasser bei herkömmlichen Systemen wieder zurückgeführt werden. Eine Rückführung des Drucksteuerfluids ist bei dem Kühlsystem 22 nicht erforderlich und demnach auch nicht vorgesehen.
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Im Falle einer Alternative kann auf dem Dreh-/Schwenkarm 6 auch ein nicht gezeigter Druckerzeuger (Kompressor) und/oder ein Drucksteuerfluid-Reservoir 46 vorgesehen sein, welches von Zeit zu Zeit aufgefüllt werden muss. Zum Be- bzw. Nachfüllen kann das Reservoir 46 mit einer in 2 angedeuteten Versorgungsleitung 47 für Prozessgas verbunden sein, welche zu dem Laserbearbeitungskopf 11 führt. Darüber hinaus können auch nicht gezeigte Anschlussmittel vorgesehen sein, um von Zeit zu Zeit Element-Kühlwasser nachzufüllen.
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Eine Druckeinspeisekammer 31 dient zur Einspeisung des mittels eines Gasdruckreglers 45 eingestellten Luftdruckes auf das Element-Kühlwasser. Auf diese Weise wird die statische Druckkomponente des Element-Kühlwassers geändert. Im geodätisch unteren Teil der Druckeinspeisekammer 31 sammelt sich das schwerere Element-Kühlwasser, während im geodätisch oberen Teil der Druckeinspeisekammer 31 sich die leichtere Druckluft ansammelt. An der Phasengrenze 32 stehen die beiden Fluide zur Drucksteuerung in unmittelbarer Wirkverbindung. Um die Phasenbildung zu unterstützen, ist die Druckeinspeisekammer 31 vorzugsweise am geodätisch obersten Punkt des Element-Kühlkreislaufes 27 angeordnet.
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Besonders bei einer hohen Umwälzrate des Element-Kühlwassers kann die Gefahr bestehen, dass sich die beiden Fluide in der Druckeinspeisekammer 31 zu stark vermischen bzw. zu viel Druckluft von dem Element-Kühlwasser mitgerissen wird. Dies kann dadurch verhindert werden, dass die Fluide durch ein Druckeinspeiseelement 33, wie z. B. eine Sperrflüssigkeit, eine verformbare Membran oder einen Kolben, getrennt sind, aber zur Druckeinspeisung bzw. -Übertragung weiterhin in Wirkverbindung stehen.
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Beispielsweise weist die Druckluft im zentralen Druckluftsystem der Laserbearbeitungsanlage 1 einen Betriebsdruck von ca. 6 bar auf. Die Drucksteuereinrichtung 30 kann den Luftdruck in einem Bereich von 0 bis 3,5 bar hochpräzise einstellen.
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An dem geodätisch obersten Punkt des Element-Kühlkreislaufes 27, also ggfs. bei der Druckeinspeisekammer 31, können auch Mittel zur gelegentlichen Entgasung des Element-Kühlwassers vorgesehen sein.
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Gemäß 2 weist der Element-Kühlkreislauf 27 des Weiteren eine Umwälzpumpe 34 auf, mittels derer das Element-Kühlwasser im Element-Kühlkreislauf 27 umgewälzt wird. Alternativ oder ergänzend kann der Element-Kühlkreislauf 27 derart ausgebildet sein, dass die Umwälzung des Element-Kühlwassers nach Art eines Thermosyphons erfolgt.
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Schließlich weist das Kühlsystem 22 einen Wärmeüberträger 35 für das Element-Kühlwasser auf. An dem Wärmeüberträger 35 steht das Element-Kühlfluid zur Wärmeabfuhr mit dem separat im Kühlsystem 22 zirkulierenden Anlagen-Kühlwasser in Wirkverbindung, ohne dass Druckschwankungen im Anlagen-Kühlkreislauf auf den Element-Kühlkreislauf durchschlagen können. Weitere Details des Wärmeüberträgers 35 werden später anhand 3 erläutert.
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Es sei erwähnt, dass alternativ oder ergänzend zu einem Wasser/Wasser-Wärmeüberträger 35 auch ein Wasser/Luft-Wärmeüberträger, ein elektrisches Kühlelement, wie z. B. ein Peltier-Element, und/oder eine Wärmeabfuhr durch einen thermischen Kontakt mit einem die Wärme aufnehmenden Bauteil der Laserbearbeitungsanlage 1, z. B. einem Stahlträger, vorgesehen sein kann. Im Unterschied zu einem Wasser/Wasser- oder Wasser/Luft-Wärmeüberträger 35, wird die vom dem Bauteil aufgenommene Wärme nicht gezielt an ein anderes Kühlmedium übertragen, sondern im Bauteil gespeichert, abgeleitet bzw. allmählich an die Umgebung abgegeben.
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3 ist eine stark schematische Schnittdarstellung des Dreh-/Schwenkarms 6 mit einem Kühlsystem 22 gemäß 2 zu entnehmen. Der Dreh-/Schwenkarm 6 ist mittels eines Drehlagers 36 an dem Trägerschlitten 5 gelagert. Er kann frei um die Drehachse 10 gedreht werden, insbesondere beliebig oft in beiden Drehrichtungen um 360° gedreht werden.
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An dem Dreh-/Schwenkarm 6 sind der adaptive Spiegel 26 und der Umlenkspiegel 28 angeordnet, welche den vom Schlitten 5 in den Dreh-/Schwenkarm 6 geleiteten Laserstrahl 16 zu der Laserbearbeitungsdüse 13 des Laserbearbeitungskopfes 11 führen. Der Teil des Dreh-/Schwenkarms 6, auf welchem der Umlenkspiegel 28 befestigt ist, ist gegenüber dem Teil, auf welchem der adaptive Spiegel 26 befestigt ist, um die horizontale Schwenkachse 12 drehangetrieben.
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Die Wasserleitungen 37 des Element-Kühlkreislaufes 27 sind allesamt auf dem Dreh-/Schwenkarm 6 befestigt. Der Element-Kühlkreislauf 27 ist folglich geschlossen auf dem Dreh-/Schwenkarm 6 angeordnet. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die Leitungen 37 in 3 lediglich abschnittsweise angedeutet. Die Leitungslänge des Element-Kühlkreislaufes 27 ist relativ kurz ausgeführt, so dass ein Entstehen von Druckschwankungen aufgrund dynamischer Achsbewegungen der Laserbearbeitungsanlage 1 oder aufgrund von strömungstechnischen Effekten deutlich herabgesetzt ist.
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Ebenfalls sind die Umwälzpumpe 34, die Drucksteuereinrichtung 30 und die Druckeinspeisekammer 31 auf dem Dreh-/Schwenkarm 6 befestigt und in 3 zur Vereinfachung zusammengefasst als eine Einheit 38 dargestellt. Die einzelnen Elemente können aber auch getrennt oder in anderer Weise auf dem Dreh-/Schwenkarm 6 angeordnet sein. Wie bereits erläutert, ist aber zumindest die Druckeinspeisekammer 31 vorzugsweise am geodätisch obersten Punkt des Element-Kühlkreislaufes 27 angeordnet.
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Zur Ansteuerung sowie zur Strom- und Gasversorgung usw. der Bauteile auf dem Dreh-/Schwenkarm 6 sind eine bzw. mehrere Drehdurchführungen 39 für Versorgungsleitungen 21 von der Versorgungseinheit 18 vorgesehen.
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Der Wärmeüberträger 35 für das Element-Kühlfluid ist teilweise an dem Dreh-/Schwenkarm 6 und teilweise an dem Trägerschlitten 5 befestigt. Ein ringförmiges Wärmeabgabeelement 41 steht mit dem Element-Kühlfluid in thermischem Kontakt, indem es z. B. einen spiralförmigen Kanal aufweist, durch welchen das Element-Kühlwasser strömt. Das ringförmige Wärmeabgabeelement 41 ist konzentrisch zur Drehachse 10 an dem Dreh-/Schwenkarm 6 befestigt.
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Ein ringförmiges Wärmeaufnahmeelement 42 ist ebenfalls konzentrisch zur Drehachse 10 an dem Schlitten 5 befestigt. Es steht mit dem Anlagen-Kühlwasser in thermischem Kontakt. Das Wärmeaufnahmeelement 42 kann zu diesem Zweck beispielsweise auch einen spiralförmigen Kanal aufweisen, der von dem Anlagen-Kühlwasser durchströmt wird.
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Das Wärmeaufnahmeelement 42 umgreift das Wärmeabgabeelement 41. Das Wärmeabgabe- und Wärmeaufnahmeelement 41, 42 sind aber nicht fest miteinander verbunden, sondern relativ zueinander frei drehbar. Zwischen den beiden Elementen 41, 42 befindet sich ein Ringspalt 43, der aber mit z. B. ca. 0,02 mm relativ schmal ausgebildet ist, um eine ausreichende Wärmeübertragung von dem Wärmeabgabeelement 41 auf das Wärmeaufnahmeelement 42 zu gewährleisten.
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Wärmeabgabe- und Wärmeaufnahmeelement 41, 42 sind beispielsweise als Kreiszylinder aus Kupfer oder einer Aluminiumlegierung hergestellt. Der jeweilige spiralförmige Kanal verläuft um die Längsachse des Kreiszylinders. Die Kreiszylinder können jeweils aus mehreren aufeinander gestapelten Metallringen aufgebaut sein, die Ausnehmungen aufweisen, die im gestapelten Zustand den jeweiligen spiralförmigen Kanal bilden. Am Eingang und Ausgang der Kanäle ist jeweils eine Gewindedruckbuchse eingepresst, mittels derer die Anlagen-Kühlwasserleitungen bzw. die Element-Kühlwasserleitungen angeschlossen werden können.
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Bei einer Drehbewegung des Dreh-/Schwenkarms 6 relativ zu dem Schlitten 5 führen auch die beiden Elemente 41, 42 zwangsläufig eine entsprechende Relativdrehbewegung aus. Dabei sind die beiden Elemente 41, 42 derart ausgebildet, dass in jeder Relativdrehstellung eine ausreichende Wärmeübertragung sichergestellt ist. Es ergibt sich ein drehachsenübergreifender Wärmeüberträger 35, der nachteilige Wasserdrehdurchführungen überflüssig macht. Im Wärmeüberträger 35 mit feststehender und rotierender Seite ist die Wärmetauscherfunktion zusammen mit der Abtrennung der beiden fluiden Medien einbezogen.
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Alternativ können die Elemente 41, 42 auch im Wesentlichen den gleichen Durchmesser aufweisen und axial versetzt zueinander angeordnet sein. Die Wärmeübertragung erfolgt bei dieser Variante über die einander zugewandten Stirnflächen der Elemente 41, 42.
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Ein vergleichbarer achsübergreifender Wärmeüberträger kann auch für den Fall vorgesehen sein, dass ein zu kühlendes und eventuell druckgesteuertes optisches Element auf einer Anlageneinheit angeordnet ist, die entlang einer linearen Antriebsachse gegenüber einer Trägereinheit für die Anlageneinheit bewegbar ist. Bei dieser Variante müssen das Wärmeabgabe- und Wärmeaufnahmeelement entlang der linearen Antriebsachse zueinander bewegbar sein.
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In 4 ist der schematische Aufbau einer zweiten Variante eines Kühlsystems 122 gezeigt. Gleiche oder ähnliche Bauteile sind im Vergleich zu dem Kühlsystem nach 2 mit um 100 erhöhten Bezugszeichen versehen.
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Das Kühlsystem 122 umfasst wiederum einen adaptiven Umlenkspiegel 126 mit einer Metallmembranscheibe 129, an welcher der Laserstrahl 116 reflektiert wird. Des Weiteren weist der Umlenkspiegel 126 ein Gehäuse 140 auf, welches eine Druckkammer 144 für das Element-Kühlfluid, insbesondere das Element-Kühlwasser, umschließt. In der Druckkammer 144 sind ringförmige Kanäle für das Kühlfluid angeordnet, wie in der 4 skizziert ist. Die sich im Betrieb ergebende Zirkulation des Element-Kühlwassers in den Kanälen der Druckkammer 144 nach Art eines Thermosyphons ist in 4 durch die Pfeile 150 angedeutet.
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An der dem Laserstrahl 116 abgewandten Seite der Metallmembranscheibe 129 wird das Element-Kühlfluid durch die von dem Laserstrahl 116 eingetragene thermische Energie erwärmt. Dadurch erniedrigt sich die Dichte des Element-Kühlwassers. Es steigt in der Druckkammer 144 nach oben und oben von der Metallmembranscheibe 129 weg. In dem von der Metallmembranscheibe 129 entfernten Teil der Druckkammer 144 wird das Element-Kühlwasser abgekühlt, indem die Wärme über das Gehäuse des Umlenkspiegels 126 an ein angrenzendes Bauteil 151 abgegeben wird. Der Wärmefluss wird durch die Pfeile 152 angedeutet. Die Wärme wird dort gespeichert, abgeleitet bzw. allmählich an die Umgebung abgegeben. Eventuell kann das angrenzende Bauteil 151 unterstützend auch von einem nicht gezeigten Kühlfluidkanal für ein Anlagen-Kühlfluid eines Anlagen-Kühlfluidsystems, durchdrungen werden.
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Das abgekühlte Element-Kühlwasser sinkt aufgrund der nun erhöhten Dichte nach unten und strömt schließlich wieder unten zu der Metallmembranscheibe 129.
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Im Unterschied zu dem Umlenkspiegel 26 gemäß 2, verlässt das Element-Kühlwasser den Umlenkspiegel 126 nicht, sondern zirkuliert ausschließlich innerhalb des Gehäuses 140 des Umlenkspiegels 126.
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Um den (statischen) Druck des Element-Kühlwassers einzustellen, ist an dem Gehäuse 140 eine Druckeinspeisekammer 131 angeordnet. Prinzipiell kann die Druckeinspeisekammer 131 bzw. können die übrigen Bauteile der Drucksteuereinrichtung 130 entsprechend der Variante gemäß 2 aufgebaut sein und es wird auf die dortigen Ausführungen verwiesen. Insofern kann das, insbesondere gasförmige, Drucksteuerfluid auch bei der Variante gemäß 4 unmittelbar über eine Phasengrenze 132 oder über ein Druckeinspeiseelement 133, z. B. in Form einer Membran oder eines Druckkolbens, mit dem Element-Kühlwasser in Wirkverbindung stehen.
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In 5 ist der schematische Aufbau einer dritten Variante eines Kühlsystems 222 gezeigt. Gleiche oder ähnliche Bauteile sind im Vergleich zu dem Kühlsystem nach der 2 mit um 200 erhöhten Bezugszeichen versehen.
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Die Variante gemäß 5 entspricht überwiegend der Variante nach 4. Auf die dortigen Ausführungen wird daher verwiesen. Der wesentliche Unterschied zwischen den beiden Varianten besteht in der Gestaltung der Druckkammer 244 des Umlenkspiegels 226. Die Druckkammer 244 weist keine Kühlfluid-Kanäle auf wie bei der Variante nach 4, sondern eine Kühlfluid-Kammer 244, in der sich die mit den Pfeilen 250 gekennzeichnete Strömung des Element-Kühlwassers ausbildet. Bei Verwendung eines gelartigen oder thixotropen Kühlmediums (Kühlfluids) verläuft die Wärmeabfuhr weitgehend durch Wärmeleitung (in 5 in horizontaler Richtung von rechts nach links) ohne nennenswerte Fluidbewegung. Die Variante gemäß 5 ist einfacher aufgebaut und dadurch kostengünstiger herstellbar. Außerdem kann die der Metallmembranscheibe 229 abgewandte Gehäusewand bei gleicher Gesamtbaugröße des Umlenkspiegels 226 wesentlich dicker ausgebildet sein. Sie zeichnet sich dank dieser Maßnahme durch eine höhere Stabilität und Wärmespeicherkapazität aus.
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In 6 ist der schematische Aufbau einer vierten Variante eines Kühlsystems 322 dargestellt. Gleiche oder ähnliche Bauteile sind im Vergleich zu dem Kühlsystem 22 nach der 2 mit um 300 erhöhten Bezugszeichen versehen.
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Das Kühlsystem 322 gemäß 6 gleicht dem Kühlsystem 222 gemäß 5, so dass auf die Ausführungen zu 5 verwiesen wird. Der wesentliche Unterschied zu der Variante gemäß 5 besteht in der Ausbildung der Drucksteuereinrichtung 330. So weist die Drucksteuereinrichtung 330 einen mechanischen Aktuator in Form eines Elektromotors 354 auf, welcher an dem Gehäuse 340 des Umlenkspiegels 326 angebracht ist. Der Elektromotor 354 ist zur Ansteuerung und Stromversorgung mit Kabeln 355 verbunden.
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Der Elektromotor 354 treibt einen Einstellstößel 356 mit einer Bewegung hin zur und weg von der Druckeinspeisekammer 331 an. An einem Ende ist der Einstellstößel 356 an einem Druckkolben 357 oder auch einer Membran befestigt. Über den Kolben 357 bzw. die Membran wird der Druck eines, insbesondere gasförmigen, Drucksteuerfluids in einem Aufnahmevolumen 358 eingestellt. Das Drucksteuerfluid steht wiederum unmittelbar über eine Phasengrenze 332 oder ein Druckeinspeiseelement 333 in Form eines Druckkolbens oder einer Membran mit dem Element-Kühlwasser in dem Umlenkspiegel 326 in Wirkverbindung, um den im Umlenkspiegel 326 anliegenden Druck des Element-Kühlwassers einzustellen.
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Der Druckkolben 357 bzw. die Membran sowie das Aufnahmevolumen 358 mit dem Drucksteuerfluid bilden ein Aggregat 359, mittels dessen die Steuerdruckkennlinie des Elektromotors 354 abgeflacht wird, um ein präziseres Einstellen des Drucks im Umlenkspiegel 326 zu gewährleisten.
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In 7 ist des Weiteren der schematische Aufbau einer fünften Variante eines Kühlsystems 422 dargestellt. Gleiche oder ähnliche Bauteile sind im Vergleich zu dem Kühlsystem 22 nach der 2 mit um 400 erhöhten Bezugszeichen versehen.
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Das Kühlsystem 422 nach 7 entspricht weitgehend dem Kühlsystem 322 nach 6. Auf die dortigen Erläuterungen wird verwiesen. Im Unterschied zu dem Kühlsystem 322 gemäß 6 weist das Kühlsystem 422 kein Zusatzaggregat zwischen dem Elektromotor 454 und dem Druckeinspeiseelement 433 in Form einer Druckkolbens oder einer Membran auf. Der Einstellstößel 456 ist unmittelbar mit dem Druckeinspeiseelement 433 verbunden. Die Variante eignet sich vor allem, wenn die Anforderungen an ein präzises Einstellen des Druckes des Element-Kühlfluids nicht besonders hoch sind oder in Verbindung mit hochpräzisen mechanischen Aktuatoren.
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Die Varianten der 4 bis 7 können allesamt in analoger Weise wie das Kühlsystem 22 an dem Dreh-/Schwenkarm 6 der Laserbearbeitungsanlage 1 gemäß 3 angebracht sein, wobei in diesen Fällen das Element-Kühlwasser nur zur Kühlung des jeweiligen adaptiven Umlenkspiegels 126, 226, 326, 426 dient. Die übrigen optischen Elemente müssen mittels eines oder mehrerer weiterer Element-Kühlsysteme gekühlt werden. Der achsübergreifende Wärmeüberträger 35 kann bei diesen Varianten entfallen oder dient zumindest nicht zur Wärmeabfuhr von dem Element-Kühlwasser des entsprechenden adaptiven Umlenkspiegels 126, 226, 326, 426.
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Sämtliche Drucksteuereinrichtungen 30, 130, 230, 330, 430 sind zur Steuerung durch eine numerische Anlagensteuerung geeignet. Außerdem können die Drucksteuereinrichtungen 30, 130, 230, 330, 430 zudem nicht gezeigte Drucksensoren aufweisen, um den Druck des Drucksteuerfluids oder auch den Druck des Element-Kühlfluids zu messen und den gemessenen Istwert an einen vorgegebenen Sollwert anzunähern (Regelung). Alternativ können die Sensoren auch im Bereich der Druckkammern 144, 244, 344, 444 angeordnet sein und den Druck des Element-Kühlfluids in den Druckkammern direkt erfassen.
