DE3136233C2

DE3136233C2 - Laser, insbesondere CO↓2↓-Gastransportlaser

Info

Publication number: DE3136233C2
Application number: DE19813136233
Authority: DE
Inventors: Walter 7990 Friedrichshafen Seuster; Horst Dipl.-Ing. 7997 Immenstaad Stockburger
Original assignee: Messer Griesheim GmbH
Current assignee: Messer Griesheim GmbH
Priority date: 1981-09-12
Filing date: 1981-09-12
Publication date: 1983-10-20
Also published as: GB2105903A; JPS5856486A; DE3136233A1; FR2513026A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Laser, insbesondere einen Gastransportlaser (10) mit einem Entladungsrohr (11) und zugeordneten Halterungen (12), die in einer Tragkonstruktion (14) befestigt sind. Um eine Tragkonstruktion (14) für einen Laser, insbesondere einen CO ↓2-Gastransportlaser (10) mit einer Leistung größer 1 Kilowatt zu schaffen, der kostengünstig herstellbar ist und ein stabiles Arbeiten mit einem vorzugsweise Kilowatt-Laser ermöglicht, besteht die Tragkonstruktion (14) aus vorzugsweise verstärktem Kunststoff.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Laser, insbesondere einen CO₂-Gastransportlaser mit einem Entladungsrohr und zugeordneten Halterungen, die in einer Tragkonstruktion befestigt sind.

Mit diesem Oberbegriff wird auf einen Stand der Technik Bezug genommen, wie er aus der DE-OS 57 139, der DE-OS 27 41 737, der DD-PS 1 16 355 und der DE-AS 23 34 645 bekanntgeworden ist.

Bei der bekannten Einrichtung nach der DE-OS 57 139 wird als Tragkörper ein Doppel-T-Träger aus Metall verwendet. Als Träger der Laserentladungsrohrhalterungen werden an das eine Ende des Doppel-T-Trägers zwei VVinkeleiseii und an das andere Ende des Doppel-T-Trägers eine Metallplatte geschweißt. Schweißarbeiten sind jedoch teuer und ergeben Schweißspannungen die nur unzureichend beherrscht werden können. Bei größeren Abmessungen, wie sie bei Tragkonstruktionen für Laserrohre erforderlich sind, ist ein Spannungsausgleich teuer bzw. fast nicht mehr möglich, so daß das Auftreten von Schusißspannungen während oder nach der Montage zu erheblichen Schwierigkeiten bei der Justierung der Spiegel führt.

Bei der Verbindung zweier Teile aus Stahl oder anderen Werkstoffen treten bei Erwärmung zusätzliche Spannungen auf, da die Werkstoffe sich verschieden dehnen. Die Wirkung ungleichmäßiger Erwärmung auf eine Tragkonstruktion, besonders der Laserentladungsrohrhalterungen, führt ebenfalls zu schlechteren, nicht stabilen Laserleistungen.

Auch ergibt sich bei Tragkonstruktionen nach der bekannten Bauart, eine große Anzahl von Verbindungsflächen bzw. Fügestellen zwischen den einzelnen Bauteilen mit sich zum Teil widersprechenden Forderungen:

Einfache Herstellung mit fertigungstechnisch günstiger Lage der Bohrungen,

gut erreichbare Verschraubungen,

hohe Steife, keine Verspannung beim Verschrauben,

Entlastung der Schrauben bei Querkräften durch Absätze.

Das Entladungsrohr sowie die Halterungen müssen gegenüber dem Doppel-T-Träger elektrisch isoliert werden, was zu einem erhöhten Montage- und Bearbeitungsaufwand führt. Auch muß die gesamte Tragkonstruktion gegen Berührungsspannung (Spannung gegen Erde) gesichert werden. Dies erfordert das Anbringen von Schutzvorrichtungen bzw. eines Gehäuses. Ein derartiges Gehäuse ist jedoch kosten- und bearbeitungsintensiv, da es der jeweiligen Tragkonstruktion angepaßt werden muß. Weiterhin erzeugt eine aus Doppel-T-Träger und Gehäuse bestehende Tragkonstruktion hohe Massenkräfte, die besonders im mobilen Einsatz des Lasers, insbesondere beim Umfahren von rechtwinkligen Kurven zum Schneiden von Werkstücken, zu hohen Belastungen der Maschinenführungen infolge der Massenträgheit bei negativer bzw. positiver Beschleunigung führt.
Aus diesem Grund ist die Verwendung von Metall-Doppel-T-Trägern auf kleinere Entladungsrohrlängen (ca. 1 m) beschränkt und nur für Laser bis etwa 500 Watt geeignet. Für größere Laserleistungen (KW-Bereich) mil Entladungsrohren bis zu 4 m ist es beispielsweise aus der DE-OS 27 41 737 bekannt, eine Leichtmetallgitterkonstruktion vorzusehen.

Bei der bekannten Einrichtung nach der DD-PS 1 16 355 sind zur Verminderung der Masse der Laser-Tragkonstruktion die Entladungsrohre in einem Stahl-Profilträger mit Doppel-T-Querschnitt und dop-

v) pelten Stegen angeordnet.

Derartige Konstruktionen weisen ebenfalls die oben genannten Nachteile auf und insbesondere ist infolge der größeren Länge ein stabiles Laserarbeiten nicht gewährleistet.

Aus der DE-AS 23 34 645 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundprofiles bekanntgeworden, mit dem eine Vielzahl unterschiedlicher Trägerformen, wie beispielsweise T- oder Doppel-T-Träger durch verschiedenartiges Zusammenfügen von einzelnen Teilstücken gebildet werden.

Diese Trägerfcrmen werden ausschließlich im Kraftfahrzeug- und Bauwesen verwendet. Eine Ausbildung dieser Trägerformen als Lasergehäuse, das die an Laserresonatoren gestellten Stabilitätsanforderungen

b5 erfüllt, ist diesem Stand der Technik nicht zu entnehmen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Laser

gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, der bei leichter Bauweise zu erhöhter Stabilität des Laserstrahls

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst

Durch die Ausbildung der Kunststoff-Tragkonstruktion als Gehäuse, das vorzugsweise aus zwei Halbschalen besteht, die kostengünstig durch ein Auflegeverfahren hergestellt werden können, ergibt sich gleichzeitig die vorteilhafte Möglichkeit einer Schutzisolierung, ohne daß eine zusätzliche Vorrichtung als Serührungsschutz erforderlich ist Für diese Schutzisolierung sind dann alle der Berührung zugänglichen Teile, die im Fehlerfall Spannung gegen Erde annehmen können, zusätzlich zur Betriebsisolierung fest und dauerhaft mit einem vorzugsweise glasfaserverstärktem Kunststoff, vorzugsweise einem Epoxydharz, aus dem die äußere Schicht der Tragkonstruktion besteht, bedeckt Zusätzliche Sicherheit gegen Berührungsspannung bildet die Erdung der aus vorzugsweise Epoxydharz bestehenden und mit Carbon-Fiber verstärkten Mittelschicht mit einem Schutzleiter. Diese Mittelschicht steht ihrerseits mit einer Gehäuseinnenschicht aus vorzugsweise Epoxydharz in Verbindung, die ebenfalls mit Glasfasern verstärkt ist.

Bei der isotropen Verstärkung der einzelnen Schichten sind die Glasfasern bzw. Carbonfasern gewebeartig ausgebildet. Weiterhin sind in den Gehäusewänden Druck- und Zugglieder aus zick-zack-förmig verlaufenden Carbon-Fiber-Faserbändern zur Spannungsaufnahme angeordnet. Zur Erhöhung der Festigkeit in jo Längsrichtung sind im Bereich der Längskaniin vorgefertigte Stäbe aus Epoxydharz mit Carbon-Faserbildung parallel zu den Längskanten vorgesehen. Die Stäbe werden vorzugsweise von der Mittelschicht umschlossen.

Durch die Kunststoffkonstruktion nach der Erfindung wird gegenüber den bekannten Vorrichtungen das Gewicht des Gastransportlasers mindestens bis zu 50% reduziert. Dadurch werden die Belastungen der Führungen der Laserführungsmaschine maßgeblich verringert.

Das durch die obere und die untere Schale — vorzugsweise Halbschalen — gebildete geschlossene Kastenprofil weist bei geringerem Gewicht eine gute Biege- und Torsionssteife auf. Eine vorteilhaft vorgesehene Versteifung (vorteilhaft Spanten), bei der die Anzahl der Versteifungen ohne hohen Kostenaufwand an die Erfordernisse der Tragkonstruktion angepaßt ist, erhöht die statische Belastbarkeit zusätzlich.

Bei einem Laser, insbesondere einem mobilen im >< > Kilowattbereich arbeitenden Gastransportlaser, ergeben sich durch die hohen Geschwindigkeiten (von z. B. bis zu mindestens 12 m/min), die in den verschiedenen Koordinaten (X, Y) gefahren werden, unterschiedliche Belastungen des auf der Führungsmaschine befestigten Lasers. Diese dynamischen Kräfte werden durch die Tragkonstruktion/Gehäuse aufgenommen. Die auf die Kunststoff-Tragkonstruktion mit ihren gewebeartig ausgebildeten Glas- und Carbonfaserverstärkungen und ihren Armierungen wirkenden Belastungen haben somit keine Wirkung auf die Halterungen des Entladungsrohres und können demzufolge keine Dejustierung des Laserresonators bewirken. Damit ist gewährleistet, daß die Qualität des ausgekoppelten Laserstrahles hinsichtlich Leistungskonstanz und Laserstrahlparameter, ζ. Β. Strahldichte, beim Auftreten dieser Kräfte konstant bleibt.

In den Stirnseiten der Tragkonstruktion, den Trägern von Befestigungsplatten und den Versteifungen können fluchtende Bohrungen vorgesehen sein, die als Rohrhalterungen dienen und eine einfache überschaubare Versorgung der Laserköpfe mit Gas- und Kühlwasser ermöglichen. Die jeweiligen, aurch die Rohre in Leitungen geführten Medien werden direkt durch Rohranschnitte den Laserköpfen zugeführt, ohne daß Verbindungselemente wie z. B. Rohrkrümmer, Winkelstücke usw. benötigt werden.

Da das Gehäuse zugleich Träger der Laserentladungsrohrhalterungen ist deren Befestigungsplatten mit Hilfe einer nicht näher erläuterten Vorrichtung angerichtet und in die im Gehäuse befindlichen Träger einlammiert sind, ergibt sich eine vereinfachte Montage und Justierung der Befestigungsplatten. Auch wird eine wirtschaftlichere Herstellung der Befestigungsplatten durch Verringerung der Bearbeitungsflächen/Fügeflächen erreicht.

In der nachfolgenden Beschreibung wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Hierbei veranschaulicht

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines CO2-Gastransportlasers,

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung der unteren Gehäuse-Halbschale,

Fig.3 die Einzelheit A in Fig. 2 in vergrößerter Schnitt-Darstellung.

Mit Fig. 1 ist der schematische Aufbau eines mit 10 bezeichneten CCVGastransportlasers veranschaulicht. Der Laser 10 besteht im wesentlichen aus mehreren Laserentladungsrohrabschnitten 11, die in Laserentladungsrohrhalterungen 12 befestigt sind, welche auf Befestigungsplatten 13 fluchtend montiert und mit einer Tragkonstruktion 14 verbunden sind. Die Tragkonstruktion 14 besteht aus einer oberen Halbschale 15 und einer unteren Halbschale 16. Der Laser ist für eine Leistung größer einem Kilowatt ausgelegt und weist eine Entladungsrohrlänge von ca. 2,50 m auf. Die übrigen Teile des Lasers sind der Übersicht halber nicht dargestellt. Stirnseitig befindet sich der Schneidkopf 17 mit einem Spiegel 18 der den Laserstrahl auf die Oberfläche des Werkstückes 19 umlenkt.

In Fig. 2 ist eine Ausführungsform der unteren Halbschale 16 der Tragkonstruktion 14 näher veranschaulicht. Die in ihrer Gesamtheit mit 16 bezeichnete untere Halbschale weist im Inneren mehrere U-förmige Versteifungen 20 auf. Zwischen den Versteifungen 20 befinden sich quaderförmige Träger 21 in denen jeweils die zueinander fluchtenden und eine Befestigungsebene bildenden vorzugsweise einlaminierten und aus GFK bestehenden Befestigungsplatten 13 angeordnet sind. In der mit zwei Stirnwänden 23,24 verschlossenen unteren Hälfte der Tragkonstruktion 14 befinden s>ch über die ganze Länge der unteren Halbschale 16 durch die Versteifungen 20 und die Träger 21 führende fluchtende Bohrungen 25 in denen Rohre 26 zur Aufnahme und Halterung von nicht näher dargestellten Versorgungsleitungen für Lasergas (Helium-Stickstoff-Kohlendioxyd-Gemisch) und Kühlwasser angeordnet sind. An der Gehäuseaußenseite 27 weist die untere Halbschale 16 Befestigungsflansche 28 zum Befestigen der Tragkonstruktion 14 auf einer nicht dargestellten Laserführungsmaschine auf. Die obere Halbschale 15 liegt mit ihrem symmetrisch zur unteren Halbschale 16 ausgebildeten Befestigungsflansch 29 (Fig. 1) auf dem Befestigungsflansch 30 der unteren Halbschale 16 und wird vorzugsweise über Schrauben 31 fest verbunden. Durch die mit bis zu 60 Schrauben miteinander kraft- iinrl 711m

Teil auch formschlüssig verbundenen Halbschalen 15,16 wird ein geschlossenes, symmetrisches Kastenprofil erreicht, das eine stabile Laserarbeit gewährleistet.

Die in Fig.3 veranschaulichte Einzelheit A der F i g. 2 zeigt den schematischen Aufbau der Tragkonstruktion 14. Hierbei besteht die dem Inneren der unteren Halbschale 16 zugewandte Schicht 32 aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) und die mit ihr verbundene Mittelschicht 33 aus Carbon-Fiber-Kunststoff (CFK). Die vorzugsweise zusätzlich vorgesehene Gehäuseaußenschicht 34 besteht aus GFK. Alle Schichten (32, 33, 34) weisen mehrere übereinanderliegende, nicht näher dargestellte Einzelschichten (Laminarschichten) auf, in denen jeweils gewebeartig ausgebildete GFK oder CFK-Fasern, vorzugsweise in Mattenform, vorgesehen sind, deren Fasern in den Winkeln 0°, 90° und 45° zueinander orientiert sind. Die Mittelschicht 33 umschließt im Bereich der Längskanten 35 Stäbe 36, 38 aus Epoxydharz mit einer Faserbildung parallel zu den Längskanten 35. Über die gesamte Länge der Befestigungsflansche 29, 30 der Tragkonstruktion 14 sind in der Gehäuseaußenseite 27 Verstärkungsbleche 37 in die Tragkonstruktion 14 einlaminiert, die eine Beschädigung der Befestigungsflansche 29, 30 beim Anzug der Schrauben verhindern und das Zugmoment auf eine größere Fläche verteilen.

Bevorzugt sind in der Mittelschicht 33 zusätzliche,

nicht näher dargestellte Druck- und Zugbänder angeordnet, deren CFK-Faserrichtung in bezug auf die Längskanten 35 zick-zack-förmig verlaufen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Laser, insbesondere CO2-Gastransportlaser, mit einem Entladungsrohr und zugeordneten Halterungen, die in einer Tragkonstruktion befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragkonstruktion (14) aus verstärktem Kunststoff besteht und als Gehäuse ausgebildet ist

2. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse aus zwei Schalen vorzugsweise Halbschalen (15,16) besteht

3. Laser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Halbschale (15, 16) übereinanderliegende und miteinander verbundene Kunststoffschichten aufweist, wobei die dem Inneren des Gehäuses zugewandte Schicht (32) aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) besteht, die mit einer Mittelschicht (33) aus Carbon-Fiber-Kunststoff (CFK; verbunden ist, welche ihrerseits vorzugsweise mit einer Gehäuseaußenschicht (34) aus GFK in Verbindung steht.

4. Laser nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (14) quaderförmig ausgebildet ist und im Bereich der Längskanten (35) Stäbe (36) aus Epoxidharz mit einer Carbon-Faserbildung parallel zu den Längskanten (35) vorgesehen sind und vorzugsweise die Stäbe (36) von der Mittelschicht (33) umschlossen sind.

5. Laser nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß in die einzelnen Schichten (32, 33, 34) die vorgesehenen Glasfasern bzw. Carbonfasern gewebeartig eingelagert sind.

6. Laser nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in die Mittelschicht (33) zusätzliche Carbonfasern als Zugglieder (38) und Druckglieder (39) vorgesehen sind, welche sich zick-zackförmig in Gehäuselängsrichtung erstrekken.

7. Laser nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in den Halbschalen (15, 16) Versteifungen (20) sowie Träger (21) aus GFK für die Laserrohrhalterungen (12,13) befestigt sind.