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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kassettenmodul zur Halterung eines optischen Elements in einer Laserbearbeitungsanlage, insbesondere in einem Laserbearbeitungskopf zur Bearbeitung eines Werkstücks mit einem Laserstrahl, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Das Laserstrahlschneiden hat sich in den letzten Jahren als ein Standardverfahren in der Fertigung von Werkstücken etabliert, da sich hierdurch sehr hohe Schneidgeschwindigkeiten auch beim Bearbeiten dicker Werkstücke erzielen lassen. Bei diesem Verfahren fokussiert ein Laserbearbeitungskopf, der über die Oberfläche des zu schneidenden Werkstücks geführt wird, einen Laserstrahl mit hoher Intensität auf die Werkstückoberfläche. Die Laserstrahlung wird hierbei beispielsweise durch einen Faserlaser erzeugt, dessen Auskopplungsende in das obere Ende eines Laserbearbeitungskopfs mündet. Innerhalb des Kopfes sind optische Elemente zur Kollimation und Fokussierung des Laserstrahls angeordnet. Aus der unteren Öffnung des Kopfes, aus der der Strahl austritt, wird ein Prozessgas, z. B. Schutz- oder Schneidgas ausgeblasen. Beim Laserstrahlschneiden reagiert ein Schneidgas je nach Schneidverfahren entweder chemisch mit dem vom Laserstrahl erwärmten Metall oder bläst das Metall nach unten aus der Schneidfuge aus. Bezüglich weiterer Einzelheiten derartiger Laserstrahlschneidverfahren wird auf das Patent
KR 10-1364604 der Anmelderin verwiesen.
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Zum Schutz der optischen Elemente im Strahlengang müssen diese vom Prozessgasraum getrennt werden, der sich unmittelbar hinter der Austrittsöffnung befindet. Hierzu dient gewöhnlich ein Schutzglas, das in einem Kassettenmodul gehalten wird und seitlich in den Strahlengang eingeschoben und aus diesem wieder herausgezogen werden kann, um gegebenenfalls ausgetauscht zu werden. Im Einzelnen umfasst das Kassettenmodul ein Gehäuse, das in seinem Inneren einen Aufnahmeschacht aufweist, der sich in Querrichtung in den Strahlengang hinein erstreckt. In diesen Aufnahmeschacht lässt sich eine Kassette einschieben, in der das Schutzglas gehalten wird. Zu beiden Seiten des Aufnahmeschachts bzw. der Kassette weist das Gehäuse Öffnungen auf, durch welche der Laserstrahl ein- und austreten kann.
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Das Kassettenmodul trennt den Prozessgasraum von dem oberen Teil des Strahlengangs, der die Kollimations- und Fokussieroptik aufnimmt. Dieser Teil des Laserbearbeitungskopfs kann sich somit nicht mit Prozessgas füllen, so dass eine Verschmutzung der darin befindlichen optischen Elemente verhindert wird. Ferner verhindert das Schutzglas, dass flüssiges Metall, das in die Austrittsöffnung spritzt, auf die Fokussierungsoptik gelangen kann. Sollte das Schutzglas selbst verschmutzen, lässt es sich einfach durch Herausziehen der Kassette aus dem Gehäuse des Kassettenmoduls auswechseln, ohne dass aufwendige Umbauarbeiten am Laserbearbeitungskopf erforderlich sind.
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Eine derartiges Kassettenmodul, wie es vorstehend beschrieben wird, ist in der bereits erwähnten Druckschrift
KR 10-1364604 beschrieben. Das dort dargestellte Kassettenmodul weist eine Kassette auf, die innerhalb des Aufnahmeschachts des Gehäuses frei schwebend gelagert ist. Eine Verschmutzung der Optik beim Herausziehen oder Einführen der Kassette in das Gehäuse wird hierdurch vermieden.
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Ein Nachteil dieser herkömmlichen Kassettenmodule liegt jedoch darin, dass das Gehäuse mit seinem Aufnahmeschacht, der sich tief in das Gehäuse hinein erstreckt, relativ schwer herstellbar ist. Zudem lässt sich eine zuverlässige Abdichtung des Einsatzes gegenüber dem Prozessgasraum nur durch zusätzliche Dichtelemente erreichen. Wenn diese Dichtelemente mit der Zeit verschleißen, besteht die Gefahr des Eindringens des Schutzgases in den oberen Teil des Bearbeitungskopfs, in welchem die optische Elemente angeordnet sind. Die Abdichtung der Kassette gegenüber dem Prozessgasraum muss allerdings so gestaltet sein, dass ein einfaches Herausziehen und Einschieben der Kasssette in den Aufnahmeschacht nicht beeinträchtigt wird.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Kassettenmodul zur Halterung eines optischen Elements in einer Laserbearbeitungsanlage der oben beschriebenen Art zu schaffen, das einfacher herzustellen ist als die bekannte Kassettenmodule und das eine zuverlässige Abdichtung des Einsatzes gegenüber dem Prozessgasraum auch über einen längeren Zeitraum gewährleistet, ohne dass die einfache Auswechselbarkeit der Kassette beeinträchtigt wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Kassettenmodul mit den Merkmalen des Schutzanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargelegt.
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Das Gehäuse des erfindungsgemäßen Kassettenmoduls ist aus einem ersten und einem zweiten Gehäuseteil zusammengesetzt. Der erste Gehäuseteil weist auf der Seite, die dem zweiten Gehäuseteil zugewandt ist, eine ebene Dichtfläche auf, die im zusammengesetzten Zustand des Gehäuses einen Aufnahmeschacht begrenzt. Die Kassette liegt im eingeschobenen Zustand auf dieser Dichtfläche auf, ebenso wie eine Kontaktfläche des zweiten Gehäuseteils.
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Durch die Dichtfläche kann ein Dichtungseffekt zwischen der in den Aufnahmeschacht eingeschobenen Kassette und dem ersten Gehäuseteil erreicht werden, so dass praktisch kein Gas von einer Seite der Kassette zur anderen übertreten kann. Somit eignet sich das erfindungsgemäße Kassettenmodul zur effektiven und sicheren Trennung des Prozessgasraums von Bereichen des Laserschneidkopfes, die empfindliche optische Elemente enthalten. Die Kontaktstelle zwischen den beiden Gehäuseteilen lässt sich ebenfalls so weit abdichten, dass kein Gas nach außen austreten kann, oder zumindest wird eine Dichtungswirkung einer gegebenenfalls zwischen den Gehäuseteilen liegenden Dichtung unterstützt.
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Die zweiteilige Ausbildung des Gehäuses und die ebene Ausbildung der Dichtfläche erleichtern die Herstellung des Gehäuses durch Fräsen. Die freie Höhe des Aufnahmeschachts lässt sich durch einfaches Ausfräsen des zweiten Gehäuseteils herstellen. Hingegen ist das erste Gehäuseteil an seiner Innenseite mit einer einfach herzustellenden glatten und ebenen Dichtfläche versehen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Dichtfläche poliert.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Kassette an ihrer dem ersten Gehäuseteil zugewandten Seite ein erstes Dichtungselement, dass im eingeschobenen Zustand der Kassette zwischen der Dichtfläche und dem optischen Element liegt. Dieses erste Dichtungselement unterstützt den Dichtungseffekt zwischen der Kassette und der Dichtfläche.
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Da das erste Dichtungselement der Kassette zugeordnet ist, kann es leicht ausgetauscht werden, wenn es verschlissen ist. Montagearbeiten am Laserbearbeitungskopf sind in diesem Fall nicht notwendig.
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Das erste Dichtungselement ist vorzugsweise ringförmig ausgebildet und weist einen C-förmigen Querschnitt auf, dessen offene Seite zur Ringinnenseite weist. Aufgrund dieser Querschnittsausbildung drückt sich das erste Dichtungselement aufgrund des Drucks des Schneidgases zwischen die Dichtfläche und das optische Element ein. Dieser Effekt verstärkt sich bei zunehmendem Druck, so dass sich das erste Dichtungselement selbsttätig abdichtet.
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Weiter vorzugsweise umfasst die Kassette an ihrer vom ersten Gehäuseteil abgewandten Seite ein zweites Dichtungselement, das im eingeschobenen Zustand der Kassette zwischen einer der Dichtfläche gegenüberliegenden Begrenzungsfläche des Aufnahmeschachts und dem optischen Element liegt.
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Dieses zweite Dichtungselement ist vorzugsweise als ringförmige Quetschdichtung aus Metall ausgebildet.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der erste Gehäuseteil in seiner Öffnung einen Einlass für ein Prozessgas auf. Bei diesem Prozessgas kann es sich um ein Schutz- oder Schneidgas handeln. Durch die Anordnung des Einlasses in der Wandung der Öffnung kann erreicht werden, dass der Einlass in unmittelbarer Nähe des optischen Elements, also beispielsweise eines Schutzglases angeordnet ist. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass das Totvolumen zwischen dem optischen Element und dem Einlass für das Prozessgas minimal ist und ein schneller Gasaustausch bei einem Wechsel des Prozessgases stattfindet.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist im zweiten Gehäuseteil ein erster Entlüftungskanal vorgesehen, der in den Aufnahmeschacht mündet. Hierdurch kann dieser gegebenenfalls entlüftet werden, falls das Prozessgas in den Aufnahmeschacht eindringt, bevor dieses weiter bis zur Fokussierungsoptik vordringt.
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Weiter vorzugsweise ist im zweiten Gehäuseteil ein zweiter Entlüftungskanal vorgesehen, der in die Öffnung des zweiten Gehäuseteils oder in einen mit dieser Öffnung in Verbindung stehenden Raum mündet.
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Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
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1 ist ein Längsschnitt durch einen Laserbearbeitungskopf, der ein Kassettenmodul gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst;
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2 zeigt im Schnitt ein Detail des Laserbearbeitungskopfs aus 1, mit einer vergrößerten Darstellung des Kassettenmoduls; und
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3 ist eine Schnittansicht durch einen Teil des Laserbearbeitungskopfs ähnlich 2, bei welcher die Schnittebene um 90° um die Längsachse des Laserbearbeitungskopfs gedreht ist.
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In den verschiedenen Figuren der Zeichnung sind einander entsprechende Bauteile und Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Der in 1 dargestellte Laserbearbeitungskopf 10 ist Bestandteil einer Laserbearbeitungsanlage, insbesondere einer Laserschweiß- oder Laserschneidanlage zur Bearbeitung von Werkstücken mit einem Laserstrahl. Das in den Figuren nicht näher dargestellte Werkstück befindet sich unterhalb einer Austrittsöffnung 12 des Laserbearbeitungskopfes 10, während das Austrittsende einer Faser eines Faserlasers an das in 1 obere Ende des Laserbearbeitungskopfes 10 angeschlossen ist. Die hier verwendeten Bezeichnungen der räumlichen Orientierungen, wie etwa „oben“, „unten“ und dergleichen, beziehen sich lediglich auf die Darstellung in den Figuren und sind nicht als beschränkend für die vorliegend Erfindung anzusehen. Es versteht sich daher, dass der Laserbearbeitungskopf 10 auch in einer anderen räumlichen Orientierung verwendet werden kann.
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Aus dem Faserende, das im oberen Einkopplungsende 14 des Laserbearbeitungskopfes 10 gehalten wird, tritt der Laserstrahl senkrecht nach unten aus und durchquert hierbei eine Schutzglasanordnung 16, eine darunter befindliche Kollimationslinsengruppe 18 und eine Fokussierungslinse 20. Die Kollimationslinsengruppe 18 und die Fokussierungslinse 20 sind innerhalb eines senkrechten Schachtes 22 angeordnet, der an seinem oberen Ende durch die obere Schutzglasanordnung 16 abgeschlossen wird und in dessen unterem Ende ein Kassettenmodul 24 angeordnet ist, dessen Aufbau später im einzelnen noch beschrieben werden soll. Zur Justierung und Fokussierung des Laserstrahls ist die Kollimationslinsengruppe 18 in horizontaler Richtung verstellbar, und die Fokussierungslinse 20 ist vertikal verstellbar. Die Fokussierungslinse 20 ist üblicherweise mehrteilig aufgebaut und umfasst mehrere Linsenelemente.
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In dem Kassettenmodul 24 wird ein Schutzglas 26 gehalten, das sich ebenfalls im Strahlengang befindet und welches von dem von der Fokussierungslinse 20 fokussierten Laserstrahl durchlaufen wird. Der untere Teil des Schachtes 22, der von dem oberen Teil durch das Schutzglas 26 getrennt wird, stellt einen Prozessgasraum 28 dar, der zu der Austrittsöffnung 12 hin offen ist. In den Prozessgasraum 28 wird ein Schutz- oder Schneidgas unter Druck eingeleitet, welches durch die Austrittsöffnung 12 austritt. Bei dem Schneidgas kann es sich um Sauerstoff handeln. Ferner sind je nach Anwendung des Laserbearbeitungskopfes 10 auch andere Prozessgase möglich, wie etwa Stickstoff.
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Wie in 2 und 3 dargestellt, umfasst das Kassettenmodul 24 ein Gehäuse 30, das in seinem Inneren einen Aufnahmeschacht 32 zur Aufnahme des Schutzglases 26 aufweist. Das Schutzglas 26 wird in einer Kassette 34 gehalten, die in den Aufnahmeschacht 32 von außen einschiebbar ist. Die Einschubrichtung und die Erstreckungsrichtung des Aufnahmeschachtes 32 stehen senkrecht zur Achse des Strahlengangs. Gemäß der Orientierung in 1 wird somit die Kassette 34 in horizontaler Richtung in das Gehäuse 30 eingeschoben, um das Schutzglas 26 im Strahlengang zu positionieren. Für den Durchgang des Laserstrahls weist das Gehäuse 30 an zwei gegenüberliegenden Seiten, nämlich bei der vorliegenden Orientierung an der Oberseite und an der Unterseite, jeweils eine Öffnung für den Durchgang des Laserstrahls auf.
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Das Gehäuse 30 ist im wesentlichen zweiteilig ausgebildet und umfasst einen in 2 unteren Gehäuseteil, der im Folgenden als erster Gehäuseteil 36 bezeichnet werden soll, und einen oberen Gehäuseteil oder zweiten Gehäuseteil 38. Der erste Gehäuseteil 36 und der zweite Gehäuseteil 38 begrenzen zwischen sich einen etwa quaderförmigen Raum, der den Aufnahmeschacht 32 bildet. Der Aufnahmeschacht 32 ist seitlich, nämlich in 2 nach links hin offen und an seiner Öffnung 40 geringfügig erweitert, um das Einführen der Kassette 34 zu erleichtern.
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Der erste Gehäuseteil 36 ist eine im Wesentlichen flache Platte, deren Oberseite eine ebene Dichtfläche 42 aufweist. Diese erstreckt sich von einer vorderen Abstufung im Bereich der Öffnung 40 des Aufnahmeschachts 32 bis über das hintere Ende 46 des Aufnahmeschachts 32 hinaus und bildet an der der Öffnung 40 gegenüberliegenden Seite des Gehäuses 30 eine Auflagefläche für eine untere Kontaktfläche 48 des zweiten Gehäuseteils 38.
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Die untere Kontaktfläche 48 des zweiten Gehäuseteils 38 ist ebenfalls glatt und eben ausgebildet und liegt dicht auf der glatten Dichtfläche 42 des ersten Gehäuseteils 36 auf. Durch diese glatte, ebene Auflage ergibt sich eine Dichtungswirkung, durch welche das Gehäuse 30 nach außen hin abgedichtet wird. Unterstützt wird dieser Dichtungseffekt dadurch, dass die Dichtfläche 42 poliert ist. Die darauf aufliegende Kontaktfläche 48 kann ebenfalls poliert sein. Zusätzlich liegt zwischen der Dichtfläche 42 und der Kontaktfläche 48 eine Dichtung 50, die in eine vorzugsweise rechteckige Nut in der Kontaktfläche 48 eingelassen ist.
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Die glatte Ausbildung der ebenen Dichtfläche 42 bewirkt ferner, dass die Kassette 34 mit minimalem Reibungswiderstand in den Aufnahmeschacht 32 gleiten kann, bis sie die in 2 dargestellte Position erreicht hat. Diese wird durch stufenförmige Anschläge 52, 54 im oberen und unteren Bereich eines Trägerelements 44 der Kassette 34 festgelegt, die im vollständig eingeschobenen Zustand an zur Öffnung 40 benachbarte Schultern anschlagen. Der in den Aufnahmeschacht 32 ragende Teil der Kassette 34 ist als im wesentlichen quaderförmige Platte 56 ausgebildet, die von dem Trägerelement 44 gehalten wird und die in ihrem zentralen Bereich eine Ausnehmung 58 zur Aufnahme des Schutzglases 26 oder eines anderen optischen Elements aufweist. Oberhalb und unterhalb dieser Ausnehmung 58 weist das Gehäuse 30 im ersten Gehäuseteil 36 und im zweiten Gehäuseteil 38 jeweils eine Öffnung 60, 62 auf, durch welche der Strahlengang senkrecht hindurchverläuft.
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An der Unterseite des Kassettenmoduls 24 ist der erste Gehäuseteil 36 des Gehäuses 30 mit einer Ausnehmung 64 versehen, in die ein ringförmiger Stutzen 66 eines Bauelements 68 eingepasst ist, auf welchem das Kassettenmodul 24 innerhalb des Laserbearbeitungskopfes 10 aufliegt. Die Oberseite des zweiten Gehäuseteils 38 ist im wesentlichen glatt ausgebildet und ist mit einer ringförmigen Dichtung 70 gegenüber einem darauf liegenden Bauteil 72 des Laserbearbeitungskopfes 10 abgedichtet. Eine entsprechende Dichtung 74 umläuft den Stutzen 66 zur Abdichtung gegenüber der Ausnehmung 64.
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Die glatte Unterseite des plattenförmigen Teils 56 der Kassette 34 und die Dichtfläche 42 liegen so dicht aufeinander auf, dass hierdurch ein gewisser Dichtungseffekt zwischen dem Prozessgasraum 28 und dem darüber befindlichen Teil des Schachts 22 erzielt wird. Zudem wird durch das reibungsarme Aufeinandergleiten der unteren Kontaktfläche des plattenförmigen Teils 56 und der Dichtfläche 42 ein leichter Einschub der Kassette 34 ermöglicht. Um ein vollständiges Abdichten des Prozessgasraums gegen das Kassettenmodul 24 zu erreichen, ist zwischen dem ersten Gehäuseteil 36 und dem plattenförmigen Teil 56 der Kassette 34 ein Dichtungselement in Form eines Dichtungsrings 76 mit C-förmigem Querschnitt vorgesehen. Dieser Dichtungsring 76 liegt zwischen der Dichtfläche 42 und dem Schutzglas 26 ein, wobei die offene Seite des C-förmigen Querschnitts zur Innenseite des Rings weist, also zur Achse des Strahlengangs. Ein Gasüberdruck im Prozessgasraum 28 sorgt aufgrund dieser Form dafür, dass sich der Dichtungsring 76 selbsttätig zwischen die Dichtfläche 42 und das Schutzglas 26 eindrückt. Der Dichtungsring 26 besteht zu diesem Zweck aus einem elastischen Material. Im drucklosen Zustand behindert der Dichtungsring 76 den Einschub der Kassette 34 in den Aufnahmeschacht 32 nicht.
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Eine entsprechende Dichtung ist an der Oberseite der Kassette 34 vorgesehen und dichtet die Oberseite des Randes des Schutzglases 26 gegen die Begrenzungsfläche 78 des Aufnahmeschachts 32 ab, die der Dichtfläche 42 gegenüberliegt. Es handelt sich hierbei um eine Quetschdichtung 80 aus Metall, die komprimierbar ist. Sie weist einen etwa L-förmigen Querschnitt auf, der teils den Rand des Schutzglases 26 übergreift, teils in einer den Rand des Schutzglases 26 umlaufenden Nut einliegt, und ist insgesamt etwa ringförmig. Die Quetschdichtung 80 ist somit im Wesentlichen über dem Dichtungsring 26 angeordnet. Sie ist gegenüber der Oberseite des plattenförmigen Teils 56 des Einsatzes 34 etwas erhaben und komprimiert sich daher beim Einschub der Kassette 34 geringfügig.
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Unmittelbar unterhalb des Schutzglases 26 befinden sich in der Wandung der Öffnung 62 des ersten Gehäuseteils 36 Einlässe 84 für ein Prozessgas, insbesondere ein Schutz- oder Schneidgas. Der vertikale Abstand dieser Einlässe 84 vom Schutzglas 26 ist gering, so dass oberhalb der Einlässe 84 nur ein sehr kleiner Totraum verbleibt. Dies erleichtert den schnellen Gasaustausch bei einem Wechsel des Prozessgases, ohne dass ein Restvolumen des auszutauschenden Gases unterhalb des Schutzglases 26 verbleibt.
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Die Blickrichtung in 3 entspricht der Einschubrichtung der Kassette 34 in den Aufnahmeschacht 33. In dieser Ansicht ist zu erkennen, dass im zweiten Gehäuseteil 38 zu beiden Seiten des Aufnahmeschachts 32 Entlüftungskanäle vorgesehen sind. Der in 3 rechte Entlüftungskanal, der im Folgenden auch als erster Entlüftungskanal 86 bezeichnet werden soll, verläuft horizontal von außen zum Aufnahmeschacht 32 und mündet in diesen. Nach außen hin ist dieser erste Entlüftungskanal 86 zylinderförmig erweitert, so dass er ein Entlüftungsventil 88 aufnehmen kann. Der in 3 linke Entlüftungskanal 90 ist ein zweiter Entlüftungskanal, der sich dem ersten Entlüftungskanal 86 gegenüberliegend in den zweiten Gehäuseteil 38 hinein erstreckt, vor Erreichen des Aufnahmeschachts 32 jedoch senkrecht nach oben abgewinkelt ist und in einen Raum 92 mündet, der sich unmittelbar oberhalb der Öffnung 60 im zweiten Gehäuseteil 38 zum Durchlass des Strahlengangs befindet und sich an diese Öffnung 60 anschließt. Der zweite Entlüftungskanal 90 dient somit zur Entlüftung des Raums oberhalb des Schutzglases 26, während der erste Entlüftungskanal 86 zur Entlüftung des Aufnahmeschachts 32 selbst dient und von der vorstehend erwähnten Öffnung 60 bzw. dem Raum 92 durch die ringförmige Quetschdichtung 80 getrennt ist. Die Außenöffnung des zweiten Entlüftungskanals 90 ist ebenfalls abgestuft und zylinderförmig erweitert, so dass sie ebenfalls ein Entlüftungsventil aufnehmen kann.
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Während bei der vorliegenden Ausführungsform ein Schutzglas 26 als optisches Element in der Kassette 34 gehalten wird, so versteht es sich, dass dieses Schutzglas gegebenenfalls durch ein anderes optisches Element wie z. B. eine Linse ausgetauscht werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- KR 10-1364604 [0002, 0005]
