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Die
Erfindung betrifft eine Laseranordnung zur Bearbeitung, insbesondere
zur Beschriftung von Werkstückoberflächen.
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Laseranordnungen
sind in vielfältiger Weise zur Bearbeitung von Werkstückoberflächen
geeignet, wobei typischerweise von einer Laserquelle emittiertes
Licht durch eine Optik auf ein kleines Flächenelement der
Werkstückoberfläche fokussiert wird und die Oberflächenbearbeitung
durch die hohe Leistungsdichte im Fokus bewirkt wird. Zur flexiblen Handhabung
solcher Laseranordnungen bei der Bearbeitung von Werkstückoberflächen
ist es bekannt, die Anordnung in ein größeres
Versorgungsteil und ein kleineres, über eine biegsame Verbindungsleitung
mit dem Versorgungsteil verbundenes Handteil aufzuteilen, wobei
die Laserausgangsstufe in dem Handteil oder dem Versorgungsteil
untergebracht sein kann und die Verbindungsleitung wenigstens ein elektrisches
Kabel, häufig auch ein Lichtleitkabel umfasst.
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Aus
der
DE 24 18 064 A1 ist
beispielsweise eine Laseranordnung als Handschneidemaschine bekannt,
bei welcher ein mit zwei Handgriffen ausgestattetes Gerät
den Laser enthält und über ein Kabel mit elektrischer
Energie versorgbar ist. An der dem Werkstück zugewandten
Seite des Geräts ist ein abnehmbarer Tubus angeordnet,
welcher die Fokussieroptik enthält und auch zugleich als
Abstandshalter zum Werkstück dient.
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Die
DE 195 19 150 A1 beschreibt
ein Laserstrahlgerät, bei welchem ein handgeführter
Strahlabgabekopf eine Fokussiereinheit und eine steuerbare Strahlablenkeinrichtung
aufweist. Der Strahlausgangsbereich des Handgeräts ist
von einem Abstandshalter seitlich umgeben, dessen dem Werkstück
zugewandte Öffnung je nach Einsatzfall unterschiedliche
Querschnitte aufweisen kann. Der Abstandshalter ist, z. B. über
eine Bajonettkupplung, auswechselbar an dem Handgerät befestigt.
Die Fokussieroptik kann gleichfalls auswechselbar sein. Der auf
dem Werkstück aufliegende Rand des Abstandshalters kann
umlaufend an dem Werkstück anliegen und einen Strahlraum
zwischen Fokussieroptik und Werkstück dicht abschließen.
Der Rand des Abstandshalters kann mit Abdichtmitteln wie Gummilippe
oder Teflonaufsatz versehen sein und gleitreibungsmindernde Mittel
wie z. B. Rollen aufweisen. Es können ferner auswechselbare
Abstandshalter vorgesehen sein, deren Rand an nichtebene Werkstückoberflächen
wie z. B. Rohre angepasst ist. Im Handgerät und insbesondere
auch im Abstandshalter können Kanäle zur Zuführung
eines Schutz- oder Prozessgases und/oder zum Absaugen von Abgasen,
welche über einen Filter geleitet sein können, vorhanden
sein. Ferner kann der Abstandshalter in dem Strahlraum auch noch
optische Sensoren enthalten, welche ein Aufsetzen des Randes des
Abstandshalters auf das Werkstück detektieren und aus Sicherheitsgründen
erst dann die Abgabe von Laserlicht durch den Strahlraum des Abstandshalters
freigeben.
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Optische
Sensoren als Teil einer Sicherheitseinrichtung sind auch bei einem
handgeführten Laser-Materialbearbeitungsgerät
nach der
DE 100 59 246
A1 vorgesehen, wobei hier ein in dem abgeschlossenen Strahlraum
angeordneter Photosensor bei nicht ordnungsgemäß auf
dem Werkstück anliegendem Rand des Abstandshalters von
außen eindringendes Licht, welches Umgebungslicht oder auch
von außen am Rand des Abstandshalters angeordneten Leuchtdioden
abgestrahltes Licht sein kann, feststellt und die Abgabe von Laserlicht
in den von dem Abstandshalter umgebenen Strahlraum verhindert.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Laseranordnung
mit einem Handteil dessen sichere Handhabung zu verbessern.
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Erfindungsgemäße
Lösungen sind in den unabhängigen Ansprüchen
beschrieben. Die abhängigen Ansprüche enthalten
vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.
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Die
erfindungsgemäßen Maßnahmen führen zu
einer sicheren Handhabung des Handgeräts sowohl im Hinblick
auf eine präzise und insbesondere während des
Bearbeitungsvorgangs stabile Positionierung des Handgeräts
auf der Werkstückoberfläche als auch unter dem
Gesichtspunkt des Ausschlusses einer Umgebungsgefährdung
durch unkontrolliert austretende Laserstrahlung. Eine erste Variante
sieht hierzu vor, dass eine zumindest in Teilen den Abstandshaltern
aus dem Stand der Technik entsprechende Vorsatzeinrichtung den Strahlraum umgibt,
dass Einrichtungen zur Erzeugung eines Gasstroms durch den Strahlraum
vorgesehen sind und dass ein Gasdrucksensor das Bestehen einer Druckdifferenz
zwischen dem Druck im Strahlraum und dem Umgebungsdruck erfasst.
Die Erfassung einer solchen Druckdifferenz kann sowohl durch die
direkte Überwachung des Drucks im Strahlraum erfolgen.
Es kann aber auch eine mit dem Druck im Strahlraum korrelierte Größe,
z. B. der Druck in einer mit dem Strahlraum in Verbindung stehenden
Kammer und/oder eine vom Druck im Strahlraum abhängige
andere physikalische Größe überwacht
sein.
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Der
Strahlraum, dessen Rand sowie Zu- und/oder Ableitungen sind dabei
hinsichtlich des durch den Strahlraum fließenden Gasstroms
so aufeinander abgestimmt, dass die ordnungsgemäße
Positionierung der Vorsatzeinrichtung auf dem Werkstück über
die Erfassung der Druckdifferenz von einer nicht akzeptablen Fehlpositionierung
oder dem vollständigen Abheben des Handgeräts
zuverlässig unterscheidbar ist. Die genaue Dimensionierung hängt
vom Einzelfall ab und schließt insbesondere die Förderkapazität
der den Gasstrom erzeu genden Einrichtungen und die wirksamen Druchlassquerschnitte
von Strömungsöffnungen in den und aus dem Strahlraum
ein, wobei derartige Strömungsöffnungen auch Leckströme
in die Umgebung oder aus der Umgebung führen können.
Strömungsöffnungen für derartige Leckströme
zwischen Strahlraum und Umgebung können z. B. auch gezielt
im Bereich des Randes der Vorsatzeinrichtung vorgesehen sein. Vorzugsweise
wird zumindest der überwiegende Teil des Gasstroms durch
das Handteil zu- und abgeführt.
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Die
Einrichtungen zur Erzeugung eines Gasstroms durch den Strahlraum
können sowohl im Handgerät als auch in den mit
diesem verbundenen Versorgungsteil vorhanden sein, wobei im letztgenannten
die Verbindung zwischen Handteil und Versorgungsteil auch eine gasführende
Leitung, insbesondere einen ein- oder mehrkanaligen Schlauch umfasst,
der auf Seiten des Handgeräts sowohl direkt in die Vorsatzeinrichtung
als auch in das weitere Komponenten der Laseranordnung enthaltende
Gehäuse geführt sein kann. Der Gasstrom kann sowohl ein
Prozess- oder Schutzgas als auch im einfachsten, für einen
Beschriftungslaser bevorzugten Fall, Umgebungsluft enthalten.
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Die
Einrichtungen zur Erzeugung eines Gasstroms durch den Strahlraum
können Überdruck und/oder Unterdruck erzeugend
ausgebildet sein. Aus dem Strahlraum geführtes abgeleitetes
Gas kann in einer Filtereinrichtung von Abgasanteilen aus dem Bearbeitungsvorgang
gereinigt werden. Die Filtereinrichtung kann vorteilhafterweise
ein Aktivkohlefilter enthalten.
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Vorteilhafterweise
ist wenigstens die Laserlichtquelle, welche vorzugsweise ein Kristall,
insbesondere ein Nd-YAG-Stab ist, im Handgerät untergebracht
und durch einen Kühlgasstrom gekühlt, welcher
vorteilhafterweise gemeinsam mit dem Gasstrom durch den Strahlraum
und auch wenigstens teilweise mit diesem identisch sein kann. Ein
Teil der in den Strahlraum einströmenden Gasstroms ist
vorteilhafterweise auf die strahlraumseitige Oberfläche der
Fokussieroptik gerichtet, um das Absetzen von im Strahlraum auftretenden
Verunreinigungen auf der Optik zu vermeiden oder zu verringern.
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Eine
zweite Variante der Erfindung zur sicheren Handhabung des Handteils
sieht vor, dass im oder am Handteil Stabilsierungsmittel zur Positionsstabilisierung
des Handteils in dessen Position, in welcher dieses dem Rand der
den Strahlraum umgebenden Vorsatzeinrichtung auf der Werkstückoberfläche
aufgesetzt ist.
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Hierfür
kann beispielsweise gemäß einer vorteilhaften
Ausführung vorgesehen sein, dass der auf der Werkstückoberfläche
aufgesetzte Rand der Vorsatzeinrichtung wenigstens abschnittsweise rutschhemmend
ausgebildet ist. Der werkstückseitige Rand der Vorsatzeinrichtung
kann wenigstens abschnittsweise mit selbstklebendem Material, beispielsweise
einem Polyurethan versehen sein.
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Vorteilhafterweise
können Mittel zur eigenständigen Erzeugung einer
das Handteil bzw. den werkstückseitigen Rand der Vorsatzeinrichtung
an die Werkstückoberfläche andrückenden
Kraft, im Regelfall zusätzlich zu der von dem Benutzer
ausgeübten Andruckkraft vorgesehen sein. Solche Mittel
können beispielsweise Einrichtungen zur Erzeugung eines
Unterdrucks im Strahlraum sein. Im Bereich des Randes der Vorsatzeinrichtung
kann eine Magnetanordnung vorgesehen sein, welche mit Werkstücken aus
magnetisierbarem Material wechselwirkt und eine zusätzliche
Andruckkraft über magnetische Anziehung bewirkt. Die Magnetanordnung
kann auch Elektromagneten enthalten, welche der Freigabe des Laserstrahls
in den Strahlraum vorausgehend beim Starten des Bearbeitungsvorgangs
aktiviert und nach dem Bearbeitungsvorgang de aktiviert werden. Ein solcher
Elektromagnet kann auch durch eine die Strahlaustrittsöffnung
umschließende Spule gegeben sein.
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Eine
weitere Ausführungsform sieht für die Stabilisierungsmittel
eine Kreiselanordnung im Handteil vor. In wieder anderer Ausführung
kann wenigstens ein zusätzliches Stützelement
vorgesehen sein, welcher von der Vorsatzeinrichtung beabstandet
am Handteil angeordnet ist und in der Betriebsposition auf der Werkstückoberfläche
aufliegt. Vorzugsweise schließt der Versatz von zusätzlichem
Stützelement und Vorsatzeinrichtung in zur Werkstückoberfläche paralleler
Richtung einen Griffbereich am Handteil ein, so dass die von einer
Benutzerhand ausgeübte Andruckkraft durch beidseits des
Griffbereichs liegende Abstützpositionen aufgefangen ist.
Das zusätzliche Stützelement kann insbesondere
zwei seitlich beabstandete Abstützpunkte besitzen und die bereits
zum Rand der Vorsatzeinrichtung geschilderten Stabilisierungsmittel,
insbesondere rutschhemmende, klebende und/oder magnetische Mittel
aufweisen.
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Die
Erfindung ist nachfolgend anhand bevorzugter Beispiele unter Bezugnahme
auf die Abbildungen noch eingehend veranschaulicht. Dabei zeigt:
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1 eine
Seitenansicht eines Handteils,
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2 das
Handteil nach 1 von hinten,
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3 einen
schematischen inneren Aufbau des Handteils.
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Das
in 1 in Seitenansicht skizzierte Beispiel eines Handteils
HT umfasst insbesondere einen zentralen Hauptkörper mit
Gehäuse GE, an welchen sich der Werkstückoberfläche
zugewandt eine einen Strahlraum umschließende Vorsatzeinrichtung
VE und ein zusätzliches Abstützelement ST und
dem Werk stück abgewandt ein Handgriff HG anschließen. Ein
Betriebsschalter, vorzugsweise ein Tastschalter TA ist in Fingerreichweite
einer den Handgriff greifenden Hand angeordnet. Die Vorsatzeinrichtung
VE liegt mit einem Rand RA zum Betrieb auf der Werkstückoberfläche
WO auf und umschließt einen Strahlraum, durch welchen ein
Laserstrahl durch die von dem Rand RA umgebene Strahlaustrittsöffnung AO
hindurch auf die Werkstückoberfläche geführt werden
kann. Die Abstützpunkte SA (oder Abstützflächen)
des Randes der Vorsatzeinrichtung und SB des zusätzlichen
Abstützelements sind in zur Werkstückoberfläche
paralleler Längsrichtung LR beabstandet, insbesondere an
in Längsrichtung entgegengesetzten Endbereichen des Gehäuses
GE angeordnet. Der gegenseitige Versatz der Abstützpunkte
SA und SB in Längsrichtung LR schließt einen Griffbereich
GR des Handgriffs HG ein. Der Rand RA der Vorsatzeinrichtung und/oder
Haftelemente HE an dem zusätzlichen Abstützelement
ST können in besonderer Weise zur Positionsstabilisierung
des in Betriebsposition auf der Werkstückfläche
aufgesetzten Handteil ausgebildet sein, insbesondere durch rutschhemmende
und/oder selbstklebende Materialien und/oder Magnetanordnungen.
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Das
Handteil ist über eine Zuleitung ZL mit einem größeren
nicht in der Skizze dargestellten Versorgungsteil verbunden, wobei
die Zuleitung ZL insbesondere zur elektrischen Versorgung von im
Handteil vorhandenen Einrichtungen vorgesehen ist, aber auch zur
Zuleitung von Pumplicht von einer in dem Versorgungsteil befindlichen
Pumplichtquelle zu einem im Handteil befindlichen optisch gepumpten
Laser und/oder zum Zuführen oder Abführen eines Gasstroms
eingerichtet sein kann. Die Zuleitung kann hierfür neben
elektrischen Kabeln noch Schläuche, Lichtleitfasern etc.
enthalten. Die Zuleitung kann vorteilhafterweise über einen
Leitungsanschluss LA lösbar mit dem Handteil gekoppelt
sein, so dass ein und dasselbe Handgerät mit unterschiedlichen
Versorgungsteilen, insbesondere verschiedener Pumplichtleistung
verbindbar ist. Die Zu leitung kann in mehrere separate, funktionell
unterschiedliche Teillleitungen aufgeteilt sein, welche einzeln
mit dem Handteil verbunden sind.
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In
der Ansicht des Handteils nach 2 von der
Seite des Leitungsanschlusses ist u. a. erkennbar, dass die Vorsatzeinrichtung
VE quer zur Längsrichtung eine wesentlich größere
Abmessung zeigt als in Längsrichtung LR nach 1.
Ein solcher der Form der Austrittsöffnung entsprechender
Querschnitt kann an den jeweiligen Einsatzfall angepasst und im
skizzierten Beispiel auf das Beschriften von Oberflächen
mit Balkencodes abgestimmt sein. Das Abstützelement zeigt
vorteilhafterweise eine Struktur mit zwei quer zur Längsrichtung
beabstandeten, insbesondere seitlich im wesentlichen symmetrisch
zum Handgriff HG liegenden Abstützpunkten, gegebenenfalls
mit Haftelementen HE.
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Die 3 zeigt
beispielhaft Komponenten eines inneren Aufbaus eines Handteils.
Im skizzierten Beispiel enthält das Handteil einen durch Pumplicht
PL aus dem Versorgungsteil optisch gepumpten Kristalllaser, z. B.
einen Nd-YAG-Laserkristall LK. Dieser ist von einem Kühlmantel
KM umgeben, durch welchen ein Kühlluftstrom KG gefördert ist.
Der Kühlluftstrom KG ist Teil eines Luftstroms LU, welcher über
eine Schlauchleitung GZ aus dem Versorgungsteil kommen oder auch
durch einen Ventilator, ein Gebläse LG etc. im Handteil
selbst erzeugt werden kann. Ein weiterer Teil des Luftstroms LU wird über
einen Kanal KA, einen Schlauch oder dergleichen als Spülstrom
GS dem von der Vorsatzeinrichtung VE umgebenen Strahlraum SR zugeleitet. Aus
dem Strahlraum SR wird der Spülstrom GS als Abgas AG über
eine Abgasleitung AL wieder abgeführt und nach Durchlaufen
einer Filteranordnung FI, z. B. eines Aktivkohlefilters über
eine Luftausgangsleitung GA an das Versorgungsteil zurückgeführt oder
an die Umgebung abgegeben. Die Filteranordnung kann auch in dem
Versorgungsteil angeordnet sein oder ganz entfallen. Der den Kühlmantel
KM des Laserkristalls LK verlassende Kühlluftstrom kann,
z. B. in einer nach dem Venturi-Prinzip den Abtransport des Abgases
unterstützenden Düsenanordnung VD mit dem Abluftstrom
AG zusammengeführt sein. Die beiden Luftströme
können aber auch getrennt abgeleitet sein.
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Das
vom Laserkristall LK emittierte Laserlicht wird über eine
vorzugsweise in zwei Dimensionen über eine Steuereinrichtung
verstellbare Spiegelanordnung US in Richtung des Werkstücks
umgelenkt und gelangt über eine Fokussieroptik durch den Strahlraum
SR auf die Werkstückoberfläche WO. Die Fokussieroptik
kann als Gehäuseoptik FOG in dem Gehäuse GE, vorzugsweise
auswechselbar, und/oder als Vorsatzoptik FOH in der Vorsatzeinrichtung
VE angeordnet oder, wie im Beispiel angedeutet, in die beiden Optiken
aufgeteilt sein, wobei z. B. die geräteseitige Optik FOG
z. B. eine definierte Ausgangsstrahlform erzeugt und die Vorsatzoptik
auf Form und Dimension der Vorsatzeinrichtung VE und den Einsatzfall
individuell abgestimmt ist. Vorteilhafterweise ist wenigstens ein
Teil LO des in den Strahlraum geleiteten Luftstroms GS auf die dem
Werkstück nächste Oberfläche der Fokussieroptik
FOG oder FOH geleitet, um das Absetzen von beim Bearbeitungsvorgang
entstehenden Verunreinigungen auf der Fokussieroptik zu unterbinden.
Dies kann unterstützt werden durch einen zum Werkstück
hin versetzten Einlass der Abluftleitung AL.
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Die
Vorsatzeinrichtung VE liegt mit einem Rand RA auf der Werkstückoberfläche
WO auf. Der Rand RA kann dabei den Strahlraum zum Werkstück hin
luftdicht abschließen oder auch teildurchlässig sein,
so dass wenigstens ein Teil der Abluft an dieser Stelle austreten
kann. Der zugeführte Luftstrom GS kann auch über
andere, nicht eingezeichnete Öffnungen ganz oder teilweise
abgeleitet werden. Der Rand RA der Vorsatzeinrichtung VE kann umlaufend
oder abschnittsweise mit seiner mit der Werkstückoberfläche
in Kontakt tretenden Oberfläche rutschhemmend und/oder
selbstklebend ausgeführt sein. Im Bereich des Randes können
als mechanische Sicherheitsschaltmittel Mikroschal ter MS oder dergleichen
angeordnet sein, welche bei ordnungsgemäß auf
der Werkstückoberfläche aufgesetzten Vorsatzeinrichtung
VE betätigt sind. Als weitere Sicherungseinrichtung zur Überwachung
des korrekten Aufsetzens der Vorsatzeinrichtung VE auf die Werkstückoberfläche können
in an sich bekannter Weise optische Sensoren OS in dem Strahlraum
SR vorgesehen sein.
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In
dem Strahlraum SR ist ferner ein Gadrucksensor DS2 vorgesehen, welcher
eine Druckdifferenz zwischen dem Gasdruck im Strahlraum und dem
Umgebungsdruck erfasst und bei im Drucksensor eingestellter Druckdifferenzschwelle
ein Schaltsignal oder vorzugsweise ein die erfasste Druckdifferenz
quantitativ angebendes Drucksignal erzeugt und an eine Sicherheitsschalteinrichtung
SE abgibt, welche vorzugsweise auch mit weiteren Sicherheitseinrichtungen
wie den Mikroschaltern MS und dem optischen Sensor OS verbunden
ist und die mehreren Sensorsignale gemeinsam auswertet, um die Abgabe
eines Laserstrahls LS in dem Strahlraum bei nicht ordnungsgemäß auf
die Werkstückoberfläche aufgesetztem Rand RA der
Vorsatzeinrichtung VE zu unterbinden, auch wenn versehentlich der
Betriebsschalter TA betätigt wird. Die Dimensionen von
Zuleitungen und Ableitungen des Luftstroms durch den Strahlraum
und die Förderleitung des Luftstroms sind so aufeinander
abgestimmt, insbesondere durch Bemessung von Querschnitten von Öffnungen,
dass bei ordnungsgemäß auf der Werkstückoberfläche
aufgesetztem Rand der Vorsatzeinrichtung VE eine in einem vorgebbaren
Bereich oder zumindest über einem Schwellwert liegende
Druckdifferenz zwischen dem Luftdruck im Strahlraum SR und dem Umgebungsluftdruck
einstellt. Zusätzlich oder alternativ zu dem Gasdrucksensor
DS2 im Strahlraum kann im Verlauf des Zuleitungskanals KA, gegebenenfalls
in einer in diesen eingefügten Messkammer MK, ein Gasdrucksensor
DS1 vorgesehen sein, welcher eine Druckdifferenz zum Umgebungsdruck
erfasst. Anstelle von Druckdifferenzen zum Umgebungsdruck können
auch Druckdifferenzen innerhalb des Luftführungssystems
der La seranordnung erfasst werden. Druckmessungen an verschiedenen
Positionen des Luftführungssystems können vorteilhafterweise
miteinander verknüpft ausgewertet werden.
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Die
vorstehend und die in den Ansprüchen angegebenen sowie
die den Abbildungen entnehmbaren Merkmale sind sowohl einzeln als
auch in verschiedener Kombination vorteilhaft realisierbar. Die Erfindung
ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt,
sondern im Rahmen fachmännischen Könnens in mancherlei
Weise abwandelbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 2418064
A1 [0003]
- - DE 19519150 A1 [0004]
- - DE 10059246 A1 [0005]