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Die
Erfindung betrifft einen Bearbeitungsskopf für eine Vorrichtung zum Bearbeiten,
insbesondere Schneiden oder Bohren, von Werkstücken mit Licht- oder Teilchenstrahlen
mit
- a) mindestens einer seitlich der Einfallsachse
des Licht- oder Teilchenstrahles angeordneten Lavaldüse, aus
deren Düsenöffnung ein
Prozeßgasstrahl
mit Überschallgeschwindigkeit
unter einem Winkel zur Einfallsachse des Licht- oder Teilchenstrahles
austritt;
- b) einer Umlenkeinrichtung, welche die Strömungsrichtung des Prozeßgasstrahles
nach dem Austritt aus der Düsenöffnung so ändert, daß diese
einen anderen Winkel mit der Einfallsachse des Licht- oder Teilchenstrahles
einschließt,
insbesondere zu dieser parallel ist.
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Im
geometrischen Grundaufbau von Bearbeitungsköpfen von Schneidvorrichtungen,
die mit energiereichen Strahlen arbeiten, lassen sich zwei Grundkonzeptionen
unterscheiden: Bei der sogenannten "konzentrischen Anordnung", die ausschließlich für Laserstrahlen,
nicht dagegen für
Teilchenstrahlen, in Frage kommt, ist eine einzige Düse für das Prozeßgas vorgesehen,
deren Achse mit der Achse des Laserstrahles koaxial ist. Bei dieser
Anordnung hat der aus der Düse
austretende Prozeßgasstrahl
zwar von vornherein die Richtung des Laserstrahles; der Hoch druckbereich
des Prozeßgases muß jedoch
vom Laser durch Fenster oder Linsen abgetrennt werden. Dies hat
optische Nachteile zur Folge, da aufgrund von Erwärmungseffekten
die optischen Eigenschaften des Fensters variieren, insbesondere
eine unterschiedlich starke Linsenwirkung je nach Erwärmung eintreten
kann. Auch die Verschmutzung des Fensters beeinflußt die Linsenwirkung.
Durch die Aufheizung des Fensters ergibt sich außerdem eine Leistungsbeschränkung des
verwendeten Lasers, die in der Gegend von 10 kW liegt. Das Fenster
ist selbst ein teures Element, dessen druckdichte Lagerung aufwendig
ist. Zudem droht die Gefahr der Zerstörung des Fensters durch Fehlbedienung,
durch zu hohen Gasdruck oder zu hohe Laserleistung, insbesondere
bei Verschmutzung des Fensters, schlechter Kühlung oder fehlerhaftem Einbau. Bei
der Zerstörung
des Fensters kann Gift freigesetzt werden, wodurch das Personal
gefährdet
und der Bearbeitungskopf und das gesamte Strahlführungssystem kontaminiert werden
können.
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Wenn
diese Schwierigkeiten vermieden werden sollen, wird die sogenannte "exzentrische" Anordnung von Düse und Laserstrahl
bei Bearbeitungsköpfen
verwendet. Diese zeichnet sich dadurch aus, daß die Düse außerhalb des Licht- oder Teilchenstrahles
unter einem spitzen Winkel zu dessen Einfallsachse angeordnet ist.
Verwendet man hier nur eine einzige Gasdüse, so trifft der Prozeßgasstrahl schräg auf das
Werkstück
auf, wodurch der Bearbeitungskopf richtungsabhängig wird. Bei Konturschnitten
ist somit eine Nachführung
notwendig. Außerdem muß bei einer
Abstandsänderung
zum Werkstück auch
die Düse
seitlich verschoben werden, was einen erhöhten Justieraufwand bedeutet.
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Diese
Nachteile wiederum werden durch einen Bearbei tungskopf der eingangs
genannten Art vermieden, wie er in der
DE 41 18 693 A1 beschrieben
ist. Hierzu werden zwei Düsen
eingesetzt, die einander exakt diametral, bezogen auf die Achse
des einfallenden Licht- oder Teilchenstrahles, gegenüberliegen,
wobei der Querschnitt der Düsen
zumindest an der Austrittsstelle des Prozeßgases rechteckig ist. Bei
dieser Ausgestaltung droht aber, insbesondere wenn die Anordnung
sich in der freien Atmosphäre befindet,
die Einmischung von Umgebungsluft. Außerdem ist der Aufbau verhältnismäßig kompliziert und
nimmt viel Platz ein.
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In
der
DE 44 02 000 A1 ist
ein Bearbeitungskopf mit einer ringförmigen Düsen und einer Umlenkeinrichtung
beschrieben, deren Führungsfläche die ringförmige Düse über eine
Düsenöffnung hinaus verlängert. Außerdem weist
die Führungsfläche hinter
der Düsenöffnung einen
Knick auf.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, einen Bearbeitungskopf der eingangs
genannten Art so auszugestalten, daß die Umlenkeinrichtung für den Prozeßgasstrahl
einfach, preiswert und raumsparend ist und die Einmischung von Umgebungsluft
weitgehend vermieden wird.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
daß die
Umlenkeinrichtung eine Führungsfläche umfaßt, welche
die dem Werkstück
zugewandte Begrenzungsfläche
der Lavaldüse über die
Düsenöffnung hinaus
verlängert
und in einer bestimmten Entfernung in Strömungsrichtung gesehen hinter
der Düsenöffnung einen
ersten Knick in Richtung auf das Werkstück aufweist.
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Die
Erfindung macht von einem Phänomen Gebrauch,
das theoretisch bei Gasströmungen
im Überschallbereich
durchaus bekannt ist: Kanten an Flächen, an denen derartige Strömungen vorbeifließen, wirken
als Störstelle,
welche in der zunächst
homogenen Gasströmung
einen sogenannten "Verdünnungsfächer" (Prandtl-Mayer-Expansion)
entstehen lassen. Dieser Verdünnungsfächer bewirkt
eine Richtungsänderung,
die mit einer Beschleunigung und einer Dichteabnahme der Strömung verbunden
ist. Die Erfindung setzt dieses Phänomen bewußt dazu ein, das Prozeßgas in
einem Bearbeitungskopf der eingangs genannten Art aus der ursprünglichen
Strömungsrichtung,
mit der es die Düsenöffnung verläßt, in eine
andere Strömungsrichtung
umzulenken, die vorzugsweise einen spitzeren Winkel mit der Achse des
einfallenden Licht- oder Teilchenstrahles einschließt oder
gar parallel zu dieser ist. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Umlenkeinrichtung benötigt somit
an der der Quelle des Licht- oder Teilchenstrahles zugewandten Seite
keine mechanische, "physische" Begrenzungseinrichtung.
Deshalb läßt sich
der erfindungsgemäße Bearbeitungskopf auch
ohne weiteres bei Teilchenstrahlen einsetzen.
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In
der Praxis verläßt eine Überschallgasströmung eine
Lavaldüse
nicht vollständig
homogen; vielmehr gehen von den Begrenzungskanten der Düsenöffnung Verdichtungsfronten
aus. Trifft die Verdichtungsfront, die von der freien Kante der
Lavaldüsen-Öffnung (also
derjenigen, an welche sich nicht die Führungsfläche anschließt) ausgeht,
ungünstig auf
der Führungsfläche auf,
kann hierdurch die Strömung
des Prozeßgases
so gestört
werden, daß sich Ablösungserscheinungen
von der Führungswand einstellen.
Wenn dies vermieden werden soll, empfiehlt sich eine Ausgestaltung
des Bearbeitungskopfes, bei welcher der erste Knick der Führungsfläche an einer
Stelle liegt, die von der Düsenöffnung eine Entfernung
aufweist, die mindestens gleich oder größer als die Entfernung derjenigen
Stelle von der Düsenöffnung ist,
an der die von der freien Kante der Düsenöffnung verursachte Verdichtungsfront
auf die Führungsfläche auftrifft.
Die kritische Auftreffstelle der Verdichtungsfront kann experimentell
bestimmt werden. Bei der geschilderten Geometrie werden nachteilige
Einflüsse
der Verdichtungsfront auf die gewünschte Umlenkung des Prozeßgasstrahles
weitestgehend vermieden.
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Hinter
dem ersten Knick in der Führungsfläche ist
der Prozeßgasstrahl
nicht homogen. In vielen Fällen
sollte jedoch an der Auftreffstelle des Prozeßgases auf das Werkstück eine
homogene Strömung vorliegen.
Wenn dies gewünscht
wird, sollte diejenige Ausgestaltung der Erfindung zum Einsatz kommen, bei
der die Führungsfläche in einem
bestimmten Abstand in Strömungsrichtung
gesehen hinter dem ersten Knick einen zweiten Knick in Richtung
auf das Werkstück
aufweist. An diesem zweiten Knick findet dann eine zweite, zur ersten
Umlenkung symmetrische Umlenkung statt, in deren Folge idealerweise die
Gasströmung
wieder homogen wird.
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Die
Variabilität
des Bearbeitungskopfes im Einsatz wird dann besonders groß, wenn
der zweite Knick an einer Übergangsstelle
zwischen einem feststehenden Bereich der Führungsfläche und einem beweglichen Bereich
der Führungsfläche liegt,
der an einem verschwenkbaren Leitelement ausgebildet ist. Die Winkelposition
dieses Leitelementes läßt sich dann
mit Hilfe eines Stellgliedes so verändern, daß der gesamte Umlenkwinkel,
den der Prozeßgasstrahl erfährt, innerhalb
eines bestimmten Bereiches stufenlos einstellbar ist.
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In
der Praxis treten zwischen dem Prozeßgasstrahl und der Führungsfläche Grenzschichteffekte
auf, die insbesondere bei sehr hohen Strömungsgeschwindigkeiten störend wirken
und zu einer Ablösung
des Prozeßgasstrahles
von der Führungsfläche führen können. In
diesem Falle kann es sich empfehlen, zwei Düsen spiegelsymmetrisch zu einer
die Einfallsachse des Laser- oder Teilchenstrahles enthaltenden
Mittelebene anzuordnen. Die von diesen beiden Düsen erzeugten Gasstrahlen "stützen" sich dann aneinander
ab, so daß eine
durch Grenzschicht effekte bewirkte Ablösung der Gasstrahlen von den
jeweiligen Führungsflächen erst
bei sehr viel höheren
Geschwindigkeiten erfolgt.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert; es
zeigen
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1 einen
schematischen senkrechten Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel
der Erfindung mit einer einzigen Lavaldüse;
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2 einen
Schnitt, ähnlich
der 1, durch ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung
mit zwei einander gegenüberliegenden
Lavaldüsen;
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3 einen
senkrechten Schnitt, ähnlich den 1 und 2,
mit einer Lavaldüse,
die ein verstellbares Leitelement aufweist.
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Zunächst wird
auf 1 Bezug genommen. In dieser ist schematisch ein
Werkstück 1 dargestellt, welches
von einem Laserstrahl 2 durchschnitten wird. Das Werkstück 1 bewegt
sich gegenüber
dem Laserstrahl 2 in Richtung des Pfeiles 3. Der
Laserstrahl 2 wird durch einen in der Zeichnung nicht mehr dargestellten
Laser erzeugt und durch einen umlenkenden Hohlspiegel 4 auf
die Oberfläche
des Werkstückes 1 fokussiert.
Er erzeugt in dem Werkstück 1 eine
Schnittfuge 5.
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Zum
Schutz des Werkstückes 1 und/oder zum
Austreiben der Schmelze aus der Schnittfuge 5 wird durch
eine Düse 6,
die nachfolgend näher
beschrieben wird, ein Prozeßgasstrahl 7 erzeugt,
der im Bereich unmittelbar oberhalb des Werkstückes 1 parallel zur
Achse des Laserstrahles 2 verläuft.
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Die
Düse 6 weist
einen Düsenkörper 8 auf,
in dem ein Druckraum 9 ausgebildet ist. Der Druckraum 9 steht über eine
Zufuhröffnung 10 mit
einer in der Zeichnung nicht dargestellten Quelle des Prozeßgases in
Verbindung. Der Ausgang des Druckraumes 9 ist als Lavaldüse mit einer
Verengung 11 und sich einer hieran in Strömungsrichtung
anschließenden
Erweiterung 12 ausgebildet. Die Erweiterung 12 der
Lavaldüse
endet an einer Düsenöffnung 13,
deren Achse mit der Achse des Laserstrahles 2 einen spitzen Winkel
einschließt.
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Die
untere Begrenzungsseite der Lavaldüse, insbesondere von deren
Erweiterung 12, wird über die
Düsenöffnung 13 hinaus
durch eine Führungsfläche 14 fortgesetzt.
In einer bestimmten Entfernung in Strömungsrichtung hinter der Düsenöffnung 13 weist die
Führungsfläche 14 einen
ersten Knick 15 auf, derart, daß die sich hier fortsetzende
Führungsfläche 14 einen
noch spitzeren Winkel mit der Achse des Laserstrahles 2 einschließt. Die
Führungsfläche 14 behält diese
Orientierung über
eine gewisse Strecke bei, um dann über einen zweiten Knick 16 so
abgewinkelt zu werden, daß sie
im verbleibenden Bereich etwa parallel zur Achse des Laserstrahles 2 steht.
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Die
Ausgestaltung der Lavaldüse
ist "eben". Das heißt, daß die Durchströmungskanäle oberhalb und
unterhalb der Zeichenebene von Wänden
begrenzt sind, die parallel zur Zeichenebene verlaufen. Die Durchströmungskanäle haben
also überall
einen rechteckigen Querschnitt.
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In
dem Druckraum 9 des Düsenkörpers 8 wird
in an und für
sich bekannter Weise ein so hoher Druck des Prozeßgases aufgebaut,
daß im
Zusammenwirken mit den geometrischen Abmessungen der Lavaldüse aus der
Düsenöffnung 13 ein
Prozeßgasstrahl 7 mit Überschallgeschwindigkeit
austritt. Dieser Prozeßgasstrahl 7 kann
in einer ersten Näherung
als homogen betrachtet werden. Nach dem Verlassen der Düsenöffnung 13 wird
der Prozeßgasstrahl 7 an
der Führungsfläche 14 entlanggeleitet,
bis er zum ersten Knick 15 gelangt. Hier erfährt der
Prozeßgasstrahl 7 eine
erste Richtungsänderung,
die durch den als Störstelle
wirkenden ersten Knick 15 hervorgerufen wird. Dieser führt zu einer
Beschleunigung und, hierdurch bedingt, zu einer Dichteabnahme ("Verdünnung"). Es entsteht ein
sogenannter "Verdünnungsfächer". Entsprechend der
jeweils örtlich
eintretenden Geschwindigkeitszunahme sinkt der Druck an den verschiedenen
Orten im Prozeßgasstrahl 7.
Vernachlässigt
man Grenzschichteffekte, so wird an der Führungsfläche 14 der niedrigste Druck
erreicht; über
den Querschnitt des Prozeßgasstrahles 7 hinweg
steigt der Druck bis zu dessen freier oberer Fläche auf Umgebungsdruck an.
Durch den Unterdruck an der Führungsfläche 14 saugt
sich der Prozeßgasstrahl 7 an
der Führungsfläche 14 fest.
Die durch den ersten Knick 15 hervorgerufenen Verdünnungscharakteristiken
in der Prozeßgasströmung 7 werden
an der freien Oberfläche
zum ruhenden Umgebungsgas hin als Verdichtungscharakteristiken reflektiert.
Diese laufen als gasdynamischer Stoß an einem Punkt der Führungsfläche 14 zusammen,
der in einem bestimmten Abstand hinter dem ersten Knick 15 liegt.
Dort befindet sich – im
Voraus experimentell ermittelt – der
zweite Knick 16. An diesem zweiten Knick 16 erfolgt
eine weitere Umlenkung des Prozeßgasstrahles 7, die
symmetrisch zur ersten, am Knick 15 bewirkten, ist. Hinter
dieser zweiten Umlenkung, also in dem praktisch parallel zur Achse
des Laserstrahles 2 verlaufenden Bereich der Führungsfläche 14,
ist der Prozeßgasstrahl 7 (theoretisch)
wieder homogen und die Abströmgeschwindigkeit
ist gleich der Anfangsgeschwindigkeit unmittelbar hinter dem Austritt
aus der Düsenöffnung 13.
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Bei
einer näheren
Betrachtung der tatsächlich
ablaufenden Vorgänge
stellt man fest, daß an
der oberen Austrittskante der Düsenöffnung 13 bereits eine
erste Störung
des Prozeßgasstrahles 7 stattfindet,
so daß dieser
nicht mehr vollständig
homogen ist. Von dieser oberen Düsenkante
läuft ein
Verdichtungsstoß auf
die gegenüberliegende
Führungswand 14 zu.
Durch Experimente kann ermittelt werden, an welcher Stelle dieser
Verdichtungsstoß auf
die Führungswand 14 auftrifft.
Der erste Knick 15 in der Führungsfläche 14 darf frühestens
an dieser Auftreffstelle oder – in
Strömungsrichtung
gesehen – hinter
dieser Auftreffstelle liegen.
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Die
Umlenkstrecke für
den Prozeßgasstrahl 7,
die entlang der Führungsfläche 14 verläuft, muß seitlich
mit einer in der Zeichnung nicht dargestellten Begrenzungswand versehen
sein, die senkrecht zur Strömungsrichtung
verläuft.
Diese Begrenzungswand muß mit
der Führungsfläche 14 druckdicht
verbunden sein, damit sich der gewünschte Unterdruck an der Führungsfläche 14 einstellt
und es zu keiner Ablösung
des Prozeßgasstrahles 7 von
der Führungsfläche 14 kommt.
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Wie
die obige Beschreibung und die 1 deutlich
machen, kann mit der beschriebenen Düse 6 am Werkstück 1 ein
Prozeßgasstrahl 7 erzeugt
werden, der trotz der seitlichen, außerhalb der Achse liegenden
Düse 6 ohne
eine obere, vom Laserstrahl 2 zu durchdringende Begrenzungsfläche, z.B.
ein Fenster, parallel zur Achse des Laserstrahles 2 auf das
Werkstück 1 auftrifft.
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Die
in 1 dargestellte Düse 6 arbeitet so lange
gut, wie Grenzschichteffekte vernachlässigt werden können, die
zu einer Ablösung
des Prozeßgasstrahles 7 von
der Führungsfläche 14 führen würden. Dies
ist so lange der Fall, wie die Austrittsgeschwindigkeit des Prozeßgasstrahles 7 aus
der Düsenöffnung 13 eine
bestimmte Größenordnung
nicht übersteigt.
Wünscht
man eine weitere Erhöhung
der Prozeßgasgeschwindigkeit,
kann zur Vermeidung von Ablösungseffekten
diejenige Ausführungsform eines
Bearbeitungskopfes eingesetzt werden, die in 2 dargestellt
ist. Dieses Ausführungsbeispiel ähnelt sehr
stark demjenigen von 1, so daß hierauf Bezug genommen werden
kann. Entsprechende Teile werden mit demselben Bezugszeichen zuzüglich 100 gekennzeichnet.
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In 2 ist
insbesondere aus 1 der Laserstrahl 102 wiederzufinden,
der über
den umlenkenden Hohlspiegel 104 auf die Schnittfuge 105 des sich
in Pfeilrichtung 103 bewegenden Werkstückes 101 fokussiert
wird. Die in 2 links dargestellte Düse 106 entspricht
in ihrer Bauweise vollständig
der Düse 6 von 1.
Diametral der Düse 106 gegenüberliegend,
also spiegelsymmetrisch zu einer Ebene, die durch die Achse des
Laserstrahles 102 verläuft, befindet
sich eine zweite Düse 106', die einen
zum Prozeßgasstrahl 107 symmetrischen
zweiten Gasstrahl 107' erzeugt.
Beide Gasstrahlen 107, 107' "stützen" sich aneinander
ab, derart, daß Ablösungserscheinungen
weitgehend unterdrückt
werden können.
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Es
ist nicht erforderlich, daß beide
Düsen 106, 106' in 2 mit
Prozeßgas
betrieben werden. Beispielsweise kann nur die in 2 links
liegende Düse 106,
die den Arbeitspunkt auf dem Werkstück 1 mit Gas versorgt,
Prozeßgas
(O2, N2 ...) führen. Die gegenüberliegende
Düse 106' dagegen wird
mit einem preiswerten Hilfsgas-/Stützgas, z.B.
Luft, versorgt.
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Bei
den obigen Ausführungsformen
der 1 und 2 lag die Geometrie der Führungsfläche 14 bzw. 114 fest,
wodurch der gesamte Umlenkwinkel, den der jeweilige Prozeßgasstrahl 7 bzw. 107 erfährt, im
wesentlichen festgelegt war. Dies ist bei dem nachfolgend anhand
der 3 beschriebenen dritten Ausführungsbeispiel anders. Auch
dieses ähnelt
sehr stark demjenigen von 1, weshalb
entsprechende Teile mit demselben Bezugszeichen zuzüglich 200 gekennzeichnet
sind.
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Auch
die in 3 dargestellte Düse 206 weist somit
einen Düsenkörper 208,
einen Druckraum 209 und eine Lavaldüse 211, 212 auf,
deren Austrittsöffnung
mit 213 bezeichnet ist. Die untere Begrenzungsfläche der
Lavaldüse
wird durch die Führungsfläche 214 fortgesetzt,
die bei 215 einen ersten Knick aufweist. An der Stelle,
an welcher sich bei den Ausführungsbeispielen
der 1 und 2 der zweite Knick 16 bzw. 116 in
der Führungsfläche 14 bzw. 114 befindet,
ist beim Ausführungsbeispiel von 3 ein
Leitelement 220 angelenkt, dessen Winkelposition durch
ein Stellglied 221 verändert werden
kann. Die dem in 3 nicht dargestellten Laserstrahl
zugewandte Fläche
des Leitelements 220 bildet somit eine Fortsetzung der
Führungsfläche 214,
wobei jedoch der Winkel, der an dem zweiten Knick 216 entsteht,
variabel ist. Durch Bestimmung der Winkelposition des Leitelementes 220 mit
Hilfe des Stellgliedes 221 läßt sich, wie in 3 schematisch
angedeutet, der Auftreffwinkel des Prozeßgasstrahles 207 auf
das Werkstück 201 zwischen
zwei Grenzpositionen beliebig einstellen.