DE3330626A1 - Spiegel fuer die lasertechnik - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft in einer Fassung an der Vorder- und Rückseite anliegenden Spannteilen gehaltene Spiegel.

Während Laser immer leistungsfähiger werden, wird die maximale Arbeitsleistung von mit Lasern betriebenen Geräten, z. B. Schneidgeräten, zur Zeit durch die von Laserstrahl beaufschlagten Komponenten, insbesondere die zur Verfügung stehenden Spiegel, begrenzt. Diese sollen in einer Fassung derart befestigt sein, daß sie sich justieren lassen, weder unter dem Spanndruck der Fassung noch unter dem Einfluß der bei Strahlenbelastung auftretenden Erwärmung so verformen, daß die optischen Eigenschaften beeinträchtigt werden, und eine optimale Wärmeableitung gestatten.

Die bisher gebräuchlichen Spiegelfassungen sind im Hinblick auf die genannte allgemeine Aufgabenstellung unbefriedigend. Wird der Spiegel z. B. in bekannter Weise durch drei radial angesetzte Klemm- und Justierschrauben gehalten, so bilden sich in den Bereichen der Angriffspunkte der Schrauben Verformungszonen aus, die sich mit zunehmender Erwärmung des Spiegels verstärken. Für wirksame Ableitung der Wärme ist in diesem Fall überhaupt nicht gesorgt.

Im Prinzip gelten dieselben Nachteile auch für andere Spiegelfassungen, bei denen der Spiegel z. B. durch einen Spannring rund um den Umfang geklemmt gehalten wird. Selbst wenn man für eine derartige Fassung ein gut wärmeleitendes Material, wie z. B. Messing verwendet, und ein gekühltes Teil der Fassung fest gegen den Spiegel andrückt, ist der Wärmeübergang vom Spiegel auf das gekühlte Teile infolge der unvermeidlichen Oberflächenrauhigkeit der aneinander anliegenden Flächen vergleichsweise schlecht, und es kommt zu einer starken Erwärmung des eingespannten Spiegels mit der Folge von Verformungen. Dabei wirkt sich weiterhin als nachteilig aus, daß die Einspannung des Spiegels in diesem Fall notwendigerweise sehr fest sein muß. Das Einkleben des Spiegels in die Fassung hat sich ebenfalls nicht bewährt, da der Kleber thermisch isoliert und der Erwärmung nicht stand hält.

Schließlich erhält man auch dann nicht das gewünschte Ergebnis, wenn man den Spiegel unmittelbar durch innere Kühlkanäle oder ein entlang seiner Rückseite geleitetes Kühlfluid kühlt, weil sich dabei Ungleichmäßigkeiten nicht vermeiden lassen, die erforderliche Dichtigkeit nur durch starke Spannkräfte, die wiederum zu Verformungen führen, zu erhalten ist, und Gasbläschen an der Grenzfläche zwischen Spiegel und Kühlfluid den Wärmeübergang behindern.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen in einer Fassung zwischen an der Vorder- und Rückseite anliegenden Spannteilen gehaltenen Spiegel für die Lasertechnik zu schaffen, bei welchem die Erwärmung und Verformungen besser als bisher vermieden werden, und erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß wenigstens das an der Rückseite anliegende Spannteil aus Grafit besteht.

Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß Grafit Schmier- bzw. Gleiteigenschaften hat, so daß einerseits für eine gewisse Gleitfähigkeit des Spiegels an den Einspannstellen gesorgt, ist, andererseits der Wärmeübergang an den aneinander anliegenden Grenzflächen verbessert ist.

In bevorzugter praktischer Ausführung der Erfindung ist das an der Vorderseite des Spiegels anliegende Spannteil ein Spannring, welcher über den Umfang gleichmäßig gegen den Randbereich der Vorderseite des Spiegels andrückbar ist, während das an der Rückseite anliegende Spannteil eine Spannscheibe ist, welche gleichmäßig gegen die rückseitige Fläche des Spiegels andrückbar ist. Bei dieser Ausführung ist demnach sowohl die Einspannung über den Umfang gleichmäßig als auch die Wärmeableitung von der Rückseite des Spiegels.

In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung sind der Spannring und die Spannscheibe mittels eines wenigstens an einem dieser Teile ausgebildeten, sich axial erstreckenden Bunds an passenden zylindrischen Flächen gegenseitig zentriert, wobei der kleinste Innendurchmesser eines Bunds größer ist als der Außendurchmesser des Spiegels, so daß dieser mit radialem Spiel in der Fassung gehalten ist. Diese letztere Maßnahme ist jedoch dann nicht unbedingt notwendig, wenn nur mit einer geringen Wärmeausdehnung des Spiegels zu rechnen ist, weil selbst bei unmittelbar anliegendem Grafit infolge von dessen Materialeigenschaften eine gewisse Ausdehnung des Spiegels gewährleistet ist. Die direkt Anlage eines Grafit-teils auch an der Umfangsfläche des Spiegels hat nämlich andererseits den Vorteil, daß auch über diese Fläche eine wirksame Wärmeableitung erfolgt.

Die mit der Erwärmung des Spiegels zusammenhängenden Probleme werden umso größer, je mehr Wärme vom Spiegel aufgenommen wird. Es ist deshalb für die Erfindung vorteilhaft, wenn solche Spiegel benutzt werden, die einen möglichst hohen Reflexionsgrad haben. Vorzugsweise sollten deshalb Einkristallspiegel verwendet werden, die z. B. aus Kupfer, Silber oder Gold bestehen können.

Bei Verwendung von Einkristallspiegeln kann eine besondere Materialeigenschaft mit Vorteil für die Erfindung ausgenutzt werden. Einkristalle haben mit Bezug auf die Orientierungsrichtung des Kristalls eine von der Richtung abhängige Wärmeleitfähigkeit. Durch geeignete Wahl der Orientierungsrichtung des Einkristalls kann somit erreicht werden, daß der Spiegel seine optimale Wärmeleitfähigkeit in Richtung von der Vorder- zur Rückseite hat. Man erreicht damit, daß sich die Wärme nicht so sehr im Spiegel ausbreitet, sonder vornehmlich zur Rückseite des Spiegels geleitet wird, wo sie abgeführt werden kann.

Grafit hat grundsätzlich für die hier vorgeschlagene Anwendung vorteilhafte Eigenschaften, denn er lässt sich sehr genau bearbeiten, ist außerordentlich wärmebeständig und hat eine Wärmeleitfähigkeit, die besser ist als diejenige vieler Metalle. Um ein optimales Ergebnis zu erhalten, wird jedoch vorgeschlagen, sog. Elektrografit zu verwenden, wie er z. B. von der Ringsdorff-Werke GmbH, Bonn-Bad Godesberg hergestellt wird.

Als besonders geeignet erscheinen in diesem Zusammenhang Grafit- Metallpulver Mischungen, wie sie von der genannten Firma z. B. unten den Typenbezeichnungen RC 53 oder RS 50 angeboten werden. Hierbei sorgt das Metallpulver, vorzugsweise aus Elektrolytkupfer oder Silber, für besonders gute Wärmeleitfähigkeit und Festigkeit sowie Angleichung des Wärmeausdehnungskoeffizienten an den des Spiegels, während gleichzeitig die Schmier- und Gleiteigenschaft infolge des Grafitanteils und damit der gute Wärmeübergang an den Grenzflächen erhalten bleiben. Nach ersten Versuchen erscheinen Grafit-Metallpulver-Mischungen, bei denen der Kupfer- oder Silberanteil etwa 30 bis 70%, vorzugsweise 50% beträgt, besonders geeignet.

Die vom Spiegel auf ein oder mehrere schmierend-vollflächig anliegende Grafitteile übergeleitete Wärme kann sich bereits im Grafit auf ein größeres Volumen und zu einer größeren Oberfläche hin verteilen. Allerdings eignet sich Grafit wegen seiner Porosität nicht zum unmittelbaren Kontakt mit einem Kühlfluid, wofür am zweckmäßigsten Kühlwasser infrage kommt. In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist deshalb vorgesehen, daß wenigstens die Rückseite der Spannscheibe unter Druckspannung an einem oder mehreren gekühlten Gehäuseteilen anliegt. Dabei macht sich auch wieder an der Grenzfläche zwischen der Spannscheibe aus Grafit und dem gekühlten Gehäuseteil die pulverig- schmierende Eigenschaft des Grafits für den Wärmeübergang günstig bemerkbar. Von dem Gehäuseteil kann die Wärme mittels eines in Kühlkanälen zirkulierenden Kühlfluids leicht abgeleitet werden.

Durch praktische Versuche wurde die Wirksamtkeit der neuen Fassung in einer Ausführung mit Spannteilen aus Kupfer enthaltendem Grafit sowie einem diese aufnehmenden äußeren Gehäuse aus Messing mit inneren Kühlwaserkanälen erprobt. Dabei wurde festgestellt, daß bei einer Temperatur von 300°C am Auftreffpunkt eines scharf gebündelten kontinuierlichen Laserstrahls auf einen Kupfer-Einkristallspiegel im Abstand von etwa 1 cm die Oberflächentemperatur des Spiegels nur etwa 25°C betrug.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt einen Spiegel 10, der in einer Fassung aufgenommen ist, welche aus Spannteilen 12, 14 und einem gekühlten Gehäuse 16 besteht.

Der Spiegel 10 hat die bisher übliche Größe und Stärke und kann in herkömmlicher Weise aus poliertem Elektrolytkupfer hergestellt sein. Vorzugsweise ist das Material des Spiegels jedoch ein Einkristall aus Kupfer, Silber oder Gold, weil sich bei gleicher mechanischer Bearbeitung der Spiegeloberfläche damit ein höherer Reflexionsgrad erzielen lässt als mit dem entsprechenden polykristallinen Material. Die Orientierungsrichtung des Einkristalls wird so gewählt, daß die Vorzugsrichtung für die Wärmeleitung von der reflektierenden Oberfläche des Spiegels zu dessen Rückseite verläuft.

Die mit 12 und 14 bzeichneten Spannteile, welche den Spiegel 10 halten, haben die Form eines Spannrings 12, der nach Art eines Überwurfrings am äußeren Bereich der Vorderseite des Spiegels 10 anliegt, und einer Spannscheibe 14, welche im gespannten Zustand flach gegen die gesamte rückseitige Fläche des Spiegels 10 angedrückt wird. Der Spannring 12 ist mit einem sich axial erstreckenden umlaufenden Bund 18 versehen, während die Spannscheibe 14 mit einem umlaufenden axialen Bund 20 ausgebildet ist. Die axiale Länge der Bunde 18 und 20 ist mit Bezug auf die Dicke des Spiegels 10 so gewählt, daß dieser bei Anwendung eines axialen Drucks auf die Spannteile 12, 14 zwischen diesen eingespannt werden kann. Die Durchmesser der Bunde 18 und 20 sind in der Weise festgelegt, daß der Spiegel 10 mit geringem radialen Spiel gehalten ist und sich die beiden Spannteile 12 und 14 gegenseitig zentrieren. Es besteht aber auch die Möglichkeit, den Spiegel 10 radial in den inneren der beiden Bunde 18, 20 einzupassen.

Die Spannteile 12 und 14 bestehen aus Grafit, wobei vorzugsweise Elektrografit zur Anwendung kommt. Auch Grafit-Metallpulver- Mischungen eignen sich für die vorgeschlagene Spiegelfassung, insbesondere solche, die zwischen 30 und 70 Gewichts-%, vorzugsweise etwa 50 Gewichts-% Kupfer oder Silber enthalten. Derartige Materialien sind im Handel erhältlich. Sie werden bisher für Schleifringe, Erdungsbürsten, Kontakte an Meßeinrichtungen und dergleichen gebraucht.

Die Spannteile 12 und 14 sind im Beispielsfall in ein dreiteiliges Gehäuse 16 eingepasst. Das oberste Gehäuseteil 22 nimmt den Spannring 12 auf, das mittlere Gehäuseteil 24 die Spannscheibe 14, und das unterste Gehäuseteil 26 enthält Kühlfluidkanäle 28 zur Kühlung des Gehäuses 16. Die drei Gehäuseteile 22, 24, 26 werden durch mehrere über den Umfang verteilte Spannschrauben 29 zusammen gehalten und gegenseitig verspannt, wobei im Beispielsfall durch geeignete Wahl der axialen Maße einerseits des Spiegels 10 und der Spannteile 12, 14 aus Grafit, andererseits der diese aufnehmenden Gehäuseteile 22 und 24 der Spiegel 10 geklemmt wird. Gleichzeitig wird durch den Zug der Spannschrauben 29 die Fuge zwischen den Gehäuseteilen 24 und 26 dicht geschlossen und dadurch ein spiralförmig in die Oberfläche des Gehäuseteils 26 eingefräster Kanalabschnitt des Kühlfluidkanals 28 abgedichtet. Der spiralförmige Kühlfluidkanal hat, wie in der Zeichnung gezeigt, hintere Anschlußöffnungen für Zu- und Ablauf, an die über passende Fittings Kühlwasserschläuche angeschlossen werden können.

Es versteht sich, daß die Erfindung nicht auf das gezeigte Ausführungsbeispiel beschränkt ist. Insbesondere die Gestaltung des Gehäuses 16, welches beispielsweise aus Messing bestehen kann, erlaubt zahlreiche Variationen, um die Spannteile 12 und 14 aus Grafit und Kühlfluidkanäle aufzunehmen. Letztere können z. B. auch am Umfang der Spannteile 12, 14 angeordnet werden.

Die Dicke des Spiegels 10 kann wesentlich kleiner sein als in der Zeichnung gezeigt. Von einem dünnen Spiegel lässt sich die Wärme besser ableiten. Diese Wärmeableitung erfolgt im wesentlichen über die an der Rückseite des Spiegels 10 anliegende Spannscheibe 14 aus Grafit oder Metallgrafit. Die guten Wärmeüberleitungseigenschaften der Spannscheibe 14 machen sich nicht nur am Übergang vom Spiegel 10 zur Spannscheibe 14, sondern auch am Übergang von dieser zum Gehäuseteil 24 bemerkbar.

In einer alternativen Ausführung kann auch ein am Rand der Vorderseite des Spiegels 10 zur Anlage kommender metallischer Spannring vorgesehen sein, der über ein oder mehrere Grafitteile am Gehäuse 16 abgestützt ist. Gegebenenfalls könnten letztere auch ganz entfallen, wenn der Spiegel 10 im wesentlichen von der Spannscheibe 14 aufgenommen und gehalten wird, der Spannring 12 nur mit einer kleinen Berührungsfläche am Spiegel 10 anliegt und die auftretenden Wärmedehnungen nicht zu groß werden.

Claims (12)

1. In einer Fassung zwischen an der Vorder- und Rückseite anliegenden Spannteilen gehaltener Spiegel, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens das an der Rückseite anliegende Spannteil (14) aus Grafit besteht.

2. Spiegel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das an der Vorderseite des Spiegels anliegende Spannteil (12) ein Spannring ist, welcher über den Umfang gleichmäßig gegen den Randbereich der Vorderseite andrückbar ist.

3. Spiegel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das an der Rückseite anliegende Spannteil (14) eine Spannscheibe ist, welche gleichmäßig gegen die rückseitige Fläche des Spiegels andrückbar ist.

4. Spiegel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannring (12) und die Spannscheibe (14) mittels eines wenigstens an einem dieser Teile ausgebildeten, sich axial erstreckenden Bunds (18, 20) an passenden zylindrischen Flächen gegenseitig zentriert sind.

5. Spiegel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der kleinste Innendurchmesser eines Bunds (20) größer ist als der Außendurchmesser des Spiegels (10), so daß dieser mit radialem Spiel in der Fassung (12, 14, 16) gehalten ist.

6. Spiegel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel ein Einkristallspiegel (10) mit solcher Orientierungsrichtung ist, daß die Richtung optimaler Wärmeleitfähigkeit von der Vorder- zur Rückseite verläuft.

7. Spiegel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem Kupfer- oder Silber-Einkristall besteht.

8. Spiegel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannring (12) und/oder die Spannscheibe (14) aus einem Kohlebürsten-Material, welches außer Grafit Metallpulver enthält, besteht.

9. Spiegel nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Grafit-Metallpulver-Mischung Kupfer oder Silber in einem Anteil von etwa 30 bis 70 Gewichts-%, vorzugsweise etwa 50 Gewichts-% enthält.

10. Spiegel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens die Rückseite der Spannscheibe (14) unter Druckspannung an einem oder mehreren gekühlten Gehäuseteilen (26, 28) anliegt.

11. Spiegel nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß auch die Umfangsflächen der Spannscheibe (14) und/ oder des Spannrings (12) fest an gekühlten Gehäuseteilen (22, 24) anliegen.

12. Spiegel nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die gekühlten Gehäuseteile (22, 24, 26) aus Messing bestehen und wenigstens teilweise Kühlfluidkanäle (28) enthalten.