DE2101324A1 - Vorrichtung zum Schneiden und Brennen mittels eines kohärenten Lichtstrahles - Google Patents
Vorrichtung zum Schneiden und Brennen mittels eines kohärenten LichtstrahlesInfo
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Description
Anmelderint Stuttgart, den 8. Januar 1971
Hughes Aircraft Company P 2230 B/kg
Centinela Avenue and
Teale Street
Culver City, Calif., V.St.A.
Vorrichtung zum Schneiden und Brennen mittels eines kohärenten Lichtstrahles
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Schneiden und Brennen mittels eines kohärenten Licht-',strahles,
mit einem Laser und einer Linse zum Fokussieren des vom Laser gelieferten Lichtstrahles auf ein Werkstück.
In Anbetracht der hohen Wärmeenergie dee Laserstrahles wird bei einer solchen Vorrichtung die Linse, wenn keine
Vorkehrungen getroffen worden sind, einen Teil der Energie des Laserstrahles absorbieren, was dazu führt., daß sie
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sich rascher erwärmt und zerspringt. Ferner steigen Verbrennungsprodukte
von dem gerade durchbrannten Material empor und werden sich, falls keine Vorkehrungen getroffen
worden sind, auf der Linse ablagern und ebenfalls Wärme aus dem Lichtstrahl absorbieren, was sowohl zu
einem beschleunigten Ansteigen der Temperatur der Linse wie auch zu einer Verringerung der zum Brennen verfügbaren
Energie des Lichtstrahles führt· Falls keine Vorkehrung getroffen wird, können sich schließlich auch
Staub und Verunreinigungen aus der Atmosphäre auf die Linse und auf einen Umlenkspiegel ablagern, wodurch
wiederum ein Anstieß der Temperatur dieaer optischen Bauteile und ferner Verluste bei der Übertragung des
Lichtstrahles verursacht werden·
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Schneiden und Brennen zu schaffen,
die die nachteiligen Einwirkungen der Wärme, der Verbrennungsprodukte und des Staubes auf das optische
System verhindert.
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, ;· daß die Linse innerhalb eines Gehäuses befestigt ist,
' in dem sich eine Wärmesenke befindet, die die Linse trägt und eine die Linse umgebende Kühlleitung für ein
von einer mit dem Gehäuse verbundenen Gasquelle geliefertes, unter Druck stehendes Kühlgas umfaßt, und daß das
Gehäuse nahe dem Werkstück endet, so daß das Gas nach dem Durchfließen der Kühlleitung auf das Werkstück gerichtet
wird··1
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Der Vorteil dar Erfindung besteht darin, daß das unter
Druck stehende Gas zunächst die Linse kühlt und dann auf die Stelle gerichtet wird, an der das Schneiden
oder Brennen stattfindet, und dadurch gewährleistet, daß keine von dem Schneid- oder Brennvorgang stammenden
Teilchen die Oberfläche der Linse erreichen. Das Gas kann so gewählt werden, daß es entweder die Brennwirkung des
Lichtstrahles unterstützt oder bei der Bearbeitung brennbaren Materials eine unkontrollierte Verbrennung verhindert.
So kann als Gas beispielsweise Sauerstoff oder Stickstoff Verwendung finden. Pa das Gas in das Gehäuse unter Druck
eingeleitet wird, verhindert eo auch den Eintritt von sonstigen teilchen in dad Gehäuse, die die Linse oder
einen im Gehäuse angeordneten Umlenkspiegel verschmutzen könnten.
Bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung
kann die Wärmesenke einen sich hinter die Linse erstreckenden Abschnitt aufweisen und mit schraubenförmigen
Kühlrippen versehen sein, die zwischen den Wänden der Wärmesenke einen schraubenförmig gewundenen Kanal bilden.
Ein in den schraubenförmigen Kanal geleitetes Gas dient als Kühlmittel, das die Wärmesenke umströmt und ihr
Wärme entzieht· Das Ende des schraubenförmigen Kanales führt in ein Rohfc, das sich von der Stirnfläche der Linse
in Richtung auf das Werkstück erstreckt. Um die Linse sauber zu halten, kann das aus dem schraubenförmigen
Kanal austretende Kühlgas sowohl über die Vorder- als auch über die Rückseite der Linse geleitet werden. Ein
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Teil dieses Gases kann dann nach, unten durch das Rohr
strömen, um auf den Bereich des Y/erkstückes gelenkt zu werden, der mittels des Lichtstrahles gebrannt wird. Da
das Gas mit einem größeren als dem atmosphärischen Druck aus dem Rohr ausströmt, werden von dem Werkstück keine
Verbrennungsprodukte zu dem Rohr aufsteigen, um sich auf der Linse niederzuschlagen·
Auch das über die Rückseite der Linse strömende Gas besitzt gegenüber der Atsmosphäre einen Überdruck. Es "
fließt zuerst über die Rückseite der Linse und danach in Richtung auf einen Spiegel, der den vom Laser kommenden
Lichtstrahl auf die Linse umlenkt. Aufgrund der !Tatsache, daß das Gas unter Überdruck steht und anschließend
in die Atmosphäre entweicht, wird das Eindringen von Staub in das die Linse und den Spiegel umgebende Gehäuse
verhindert und es werden sowohl die Linse als auch der Spiegel staubfrei gehalten·
V/eitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung sind der folgenden Beschreibung zu entnehmen, in der
die Erfindung anhand der in den Zeichnungen dargestellten !·Auaführungabeispiele näher beschrieben und erläutert wird.
Dio dor lJouchraibuiifs und don Zeichnungen zu ontnohmondon
Merkmale können bei anderem Aunführungaformen der Erfindung
einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination Anwendung finden· Es zeigen
Big· 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung nach der Erfindung,
Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine Vorrichtung ähnlich
derjenigen nach Fig. 1,
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Fig. 3 oinon Längsschnitt durch oino abgewandelte
Ausführungaform der Wärmesenke der Vorrichtung
nach Pig. 2 und
Fig. 4 einen Grundriß einer weiteren Abwandlung der Wärmesenke.
Der in Fig. 1 dargestellte COp-Laser 10 erzeugt einen
durch eine gestrichelte Linie dargestellten kohärenten Lichtstrahl. Ein ebener Spiegel 12 und eine Linse 14·
sind innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses 30 angeordnet,
das einen den Spiegel 12 umgebenden rohrförmigen Abschnitt 3OA, eine die Linse 14- tragende Wärmesenke 300
und einen Balg 3OB aufweist, der den rohrförmigen Abschnitt
3OA verstellbar mit der Wärmesenke 300 verbindet.
Die Linse 14- wird von der Wärmesenke 300 vor Überhitzung
geschützt. Die Wärmesenke 300 ist mittels eines Übergangsstückes
3OD mit einem kegelförmigen Abschnitt 3OE
verbunden. In dem kegelförmigen Abschnitt 3OE befindet
sich eine dem Werkstück 16 gegenüberliegende öffnung 31·
Diese Öffnung 31 verläuft konzentrisch zum Lichtstrahl,
der mittels der Linse 14- auf das Werkstück 16 fokussiert !•wird.
Ein reaktionsfähiges oder indifferentes, unter Druck stehendes Gas wird von einer Quelle 24· her einer Seite
der Wärmesenke 300 zugeführt. Die Wärmesenke 300 besitzt Kühlrippen" 32, die derart schraubenförmig zwischen einer
inneren Wand 34· und einer äußeren Wand 35 eier Wärmesenke
300 angeordnet sind, daß ein schraubenförmiger Kanal entsteht·
Daher läuft, von den Kühlrippen 32 geleitet, das
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untor Druck otohondo Gaa aus dor Quelle 24 zwischen den
Wänden 3^· und 35 der Wurme senke 3OC um. Wiihreiid dun Gao
durch die Wärmesenke 300 fließt, entzieht ea Wurme.
Danach füllt das unter Druck stehende Ga3 den kegelförmigen
Abschnitt 3OE, fließt über die untere Fläche
der Linse 14 und strömt endlich durch die Üffnung 31 in dem kegelförmigen Abschnitt 3OE de3 Gehäuses 30 aus.
Das aus der üffnung 31 ausströmende Gas trifft auf den
Bereich des Werkstückes 16 auf, in dem sich die von dem Lichtstrahl erzeugte Brennstelle befindet, und bläst
die Verbrennungsprodukte weg, so daß sie nicht durch die Gehäuseöffnung 31 nach oben zur Linse 14 gelangen können.
Eine geeignete, nicht dargestellte Gebläseanordnung entfernt dann diese Verbrennungsprodukte.
Eine Üffnung 36 in der Wand 34 der Wärmesenke 3OC ermöglicht
einem Teil des unter Druck stehenden Gases über die Rückseite der Linse 14 und danach über die
Oberfläche des ebenen Spiegels 12 zu fließen und durch, die üffnung in dem Gehäuse 30 nahe der Einfallsöffnung
für den Lichtstrahl auszuströmen. Auf diese Weise werden die Rückseite der Linse 14 und der ebene Spiegel 12 von
unerwünschten Verunreinigungen, die sonst durch die Gehäuseöffnung eindringen wurden, sauber und frei
gehalten.
Demnach wird das Gas, das verwendet wird, um entweder den Brennvorgang zu unterstützen oder zu verhindern,
daß ein Brennen außerhalb des fokussierten Lichtstrahles auftritt, auch dafür eingesetzt, die Linse 14 und den
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reflektierenden Spiegel 12 saubor und ferner die
Temperatur der Linse 14 auf einer Höhe zu haiton,
die einen fortwährenden Betrieb der Vorrichtung ermöglicht.
Pig. 2 zeigt einen Längsschnitt durch eine verwirklichte Ausfuhrungsform der Erfindung. Die Blickrichtung fällt
mit der Hichtung zusammen, in der der Lichtstrahl des Lasers in das Gehäuse 30 eintritt· Bauteile, die die
gleiche Funktion ausüben wie die in Fig. 1 gezeigten, sind mit der gleichen Bezugsziffor bezeichnet. Die
Stellung dos ebenen Spiegels 12 ist durch Drehen der Kändelknöpfe 38 und 40 so einstellbar, daß der auf ihn
auftreffende Lichtstrahl durch die Mitte der Linse 14 gelenkt wird. Die Rändelknöpfe 38 und 4-0 durchdringen
einen Arm 42, der zum Befestigen der Vorrichtung dient. Der Balg 3OB dient zur Einstellung des Abstandes zwischen
dem Spiegel 12 und der Linse 14.
Die Linse 14 ist von handelsüblicher Ausführung. Sie wird üblicherweise in einer im wesentlichen rohrförmigen
Linsenfassung 44 gehalten. Um einen guten Wärmeübergang zu erzielen, ist die Linsonfassung 44 in die Wärmesenke
300 eingeschraubt. Die öffnung 36 ist in die Wand der
Linsenfassung 44 gebohrt.
In Fig. 3 ist eine zweite Ausführungsform einer Wärmesenke
30O1 dargestellt, die statt der oben beschriebenen
mit der Linsenfassung 44 verschraubt sein kann. Dabei kann ein Haftmittel mit die Wärmeübertragung von der
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Lineenfassung 44 auf die Wärmesenke 300' unterstützenden
Eigenschaften verwendet werden· Die Wärmesenke 3OC1 umfaßt
eine innere Wand 34' , eine äußere Wand 5^· und eine Anzahl
im Abstand zueinander angeordneter, flanschartiger Trennwände 55, die in bestimmten Abständen die innere Wand 34'
mit der äußeren Wand 5^ verbinden. Es sind, wie bei einer
Ausführungsform nach Fig· 2, ein Einlaß 63 und nahe der
Linse ein Auslaß 64 für das von der Gasquelle 24 gelieferte, unter Druck stehende Gas vorgesehen. Mit dem Einlaß
63 fluchtend ist in Jeder der Trennwände 55» außer
in der unteren Abachlußwand, oin ersten Loch 61 angeordnet. Außerdem iut in Jeder der Trennwände 55» mi^ Auanahmo dor
oberen Abschlußwand, ein mit dem Auslaß 64 fluchtendes zweites Loch 62 angeordnet. Die Richtung des Gasflusses
in der Wärmesenke 300' ist in der Zeichnung durch Pfeile
dargestellt.
Eine weitere, in Fig. 4 dargestellte Ausführung3form
einer Wärmesenke 30C1' weist eine innere Wand 34'',
eine äußere Wand 54' und eine Reihe vertikaler Trennrippen
67 auf, zwischen denen sich von oben nach unten verlaufende, vertikale Durchgänge 68 für den Gasfluß
befinden.
Die vorstehende Beschreibung mehrerer Ausführungoformen
der Erfindung dient nur zur Erläuterung und nicht zur Abgrenzung. Es versteht sich, daß die behandelten Ausführungsformen
in mancher Hinsicht abgeändert werden können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Claims (6)
- — 9 —Patentansprüche, 1J Vorrichtung zum Schneiden und Brennen mittels **—-^ eines kohärenten Lichtstrahles, mit einem Laser und einer Linse zum Fokussieren dea vom Laser gelieferten Lichtstrahles auf ein Werkstück, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse (14) innerhalb eines Gehäuses (JO) befestigt ist, in dem sich eine Wärmesenke (3OC) befindet, die die Linse (14) mträgt und eine die Linac umgebende Kühlloitung für ein von oinor mit dom Gohauuo (30) verbundenen Gasquelle (24) geliefertes, unter Druck stehendes Kühlgas umfaßt, und daß das Gehäuse (50) nahe dem Werkstück (16) endet, so daß das Gas nach dem Durchfließen der Kühlleitung (32, 34) auf das Werkstück (16) gerichtet wird,
- 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmesenke (30G) zwei konzentrische, zylindrische Wände (34 und 35) "und schraubenförmige Kühlrippen (32) aufweist, die derart zwischen den Wänden , (34 und 35) angeordnet sind, daß die Kühlleitung ™einen schraubenförmigen Kanal bildet.
- 3· Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß beide Außenflächen der Linse (14) dem Gasfluß ausgesetzt sind.
- 4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Spiegel zum Ausrichten des Lichtstrahles10983 1/1939auf die Linse, dudurch gekennzeichnet, duß auch der Spiegel (12) innerhalb de3 Gehäuses (30) angeordnet und dem Gasstrom ausgesetzt ist.
- 5· Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Werkstück (16) gegenüberstehende Abschnitt (30E) des Gehäuses (30) eine kegelförmige Leitung für das Gas bildet und eine zv/ischen dem Werkstück (16) und einer der Oberflächen der Linse (14·) liegende Öffnung (31) aufweist, und daß die Wärmesenke (3OC) mit einer Öffnung (36) versehen ist, die e3 ermöglicht, die andere Oberfläche der Linse (14) einem aus der kegelförmigen Leitung austretenden Gasstrom auszusetzen.
- 6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4· und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel (12) dem von der erwähnten anderen Oberfläche der Linse (14) kommenden Gasstrom ausgesetzt ist.109831/1939Lee rseite
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