DE3923829A1

DE3923829A1 - Absauganlage

Info

Publication number: DE3923829A1
Application number: DE3923829A
Authority: DE
Inventors: Rolf Dipl Ing Klein
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1989-07-19
Filing date: 1989-07-19
Publication date: 1991-01-31
Also published as: DE3923829C2

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Absauganlage für die Laserbear beitung von Werkstoffen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zum Beseitigen von bei der Bearbeitung der Werkstoffe entste henden Reaktionsprodukten.

Stand der Technik

Bei der Bearbeitung von Werkstoffen mittels Laserstrahlen, z.B. beim Schneiden oder Abtragen von Metallen oder Kunst stoffen, verdampfen im Bereich des Laserfokus aufgrund der dort vorherrschenden hohen Energiedichte Teile des Werk stoffes. Die dabei entstehenden Produkte sind je nach Werk stoff und eventuell zusätzlich zugeführtem Laserreaktionsgas mehr oder weniger chemisch reaktive, unter Umständen toxische oder karzinogene Substanzen, die es zu beseitigen gilt.

Es ist bekannt, zum Entfernen von festen Partikeln oder flüchtigen Substanzen von einem bestimmten Ort, diese mittels eines Unterdrucks abzusaugen oder mittels eines Überdrucks wegzublasen. So wird z.B. in der DE-OS 26 58 503 über eine in dieser Schrift als "Führungsschutzgasumhüllung" bezeichnete Kammer mit Düsen ein Schutzgas in Richtung der als "optischer Lochkörper" bezeichneten Scheibe geblasen und in dem Raum zwischen dieser Scheibe und der Fokussierlinse durch das in diesen Raum zugeführte Laserreaktionsgas ein Überdruck er zeugt, so daß durch die daraus resultierende Strömung des Gasgemisches zwar die optischen Elemente geschützt werden, aber das Gasgemisch und die bei der Bearbeitung entstehenden Reaktionsprodukte unkontrolliert in die Umgebung gelangen.

Im Gebrauchsmuster DE-GM 88 13 739.2 wird hingegen eine Laserschneidvorrichtung beschrieben, die speziell auf flache Werkstücke abgestimmt ist und die zum Beseitigen der anfal lenden Reaktionsprodukte zwei sich an der Bearbeitungsstelle gegenüberliegende Absaugkästen aufweist, die über einen aufwendigen Mechanismus derart miteinander gekoppelt sind, daß sie sich bei jeder Stellung der Laserschneidvorrichtung gegenüberstehen. Mit dieser gekoppelten Bewegung soll die Absaugwirkung verbessert werden, so daß möglichst wenig Reak tionsprodukte aus den zwischen den Absaugkästen und dem Werkstück bestehenden Luftspalten undefinierter Größe in die Umgebung entweichen.

Andererseits kann um die Bearbeitungsstelle eine Art Gasvor hang erzeugt werden, der ein Austreten der am Bearbeitungsort entstehenden Substanzen in die Umgebung verhindern soll. So ist z.B. in der OS 38 00 050 A1 zum Beseitigen von pulverförmigem Bearbeitungsabfall bei der Bearbeitung von Werkstücken mittels mechanischer Werkzeuge (z.B. einer Fräse) dieses von einem ringförmigen Absaugkanal umgeben, der sei nerseits von einer ringförmigen Düse umgeben ist, über die Druckluft senkrecht zum Werkstück hingeblasen wird, so daß sich der zuvor erwähnte Gasvorhang ergibt, der in diesem Fall aus Luft besteht. Dies mag zwar eine für pulverförmige Bearbei tungsabfälle geeignete Methode sein, nicht aber für die bei der Laserbearbeitung von Werkstoffen entstehenden Gase und Dämpfe. Zum einen würden sich im o.g. Absaugkanal Turbulenzen bilden, was eine verringerte Strömungsgeschwindigkeit mit einer möglichen Kondensation der abgesaugten Gase und Dämpfe zur Folge hätte, so daß diese nach Abschalten des Absauggeblä ses sich wieder verflüchtigen und in die Umgebung gelangen könnten. Zum anderen bilden sich gemäß den Ausführungen in DE-GM 83 03 454.4, OS/PS-DE 33 04 262 A1 am Auftreffort Stauzonen aus und der Gasvorhang teilt sich in einen nach innen strömenden Anteil und einen nach außen strömenden Anteil auf. Dies führt je nach verwendeter Gasart zu erheblichen Luftverunreinigungen in der Umgebung des Arbeitsplatzes.

Darüber hinaus sind andere Verfahren bekannt (DE-GM 85 34 590.3, DE-AS 12 89 974), die zur Vermeidung von Stauzonen einen Gasvorhang mit einer koaxialen Drehströmung erzeugen, wobei sich am Bearbeitungsort die Richtung der Strömung umkehrt, so daß sich eine Art "Tornado" ausbildet, der in eine über dem Bearbeitungsort angebrachte Absaugvorrichtung mündet. Ein solches Verfahren ist bei der Laserbearbeitung insofern nicht anwendbar, als sich die Laserfokussiereinheit im Zentrum des "Tornados" befände und der gewünschte Effekt zerstört oder zumindest erheblich beeinträchtigt würde. Darüber hinaus entsteht bei der Zuführung des Laserreaktions gases eine Gegenströmung, die ebenfalls zur Beeinträchtigung oder Zerstörung des Tornadoeffekts führen würde.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, bei der Laserbearbeitung von Werkstoffen mittels einer für die Mas senfertigung geeigneten, möglichst einfachen, und auf den jeweiligen Bearbeitungsprozeß und den jeweiligen Werkstoff optimierbaren Absauganlage, eine sichere und vollständige Beseitigung der anfallenden Reaktionsprodukte, Gase und Dämpfe zu gewährleisten.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht in den im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbil dungen der Erfindung sind mit den Merkmalen der Unteransprüche 2 bis 13 gekennzeichnet.

Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, daß einerseits durch das Einblasen eines Gases oder Gasgemisches über am Rand des Absaughaubenmantels angebrachte Düsen auf grund der schrägen Stellung der Düsen ein die Bearbeitungszone umfassender Gasvorhang erzeugt wird, der beim Auftreffen auf das Werkstück keine Stauzonen ausbildet, und daß andererseits durch das Zusammenwirken des Gasvorhangs mit dem unter der Absaughaube herrschenden Unterdruck eine zentrisch zur Bear beitungsstelle und von dort nach oben weg gerichtete Strömung entsteht. Damit ist sichergestellt, daß sämtliche bei der Bearbeitung des Werkstücks entstehenden Reaktionsprodukte sowie eventuell zusätzlich zugeführtes, zum Bearbeitungsort strömendes, Laserreaktionsgas vollständig erfaßt und beseitigt werden. Da sich keine Stauzonen ausbilden, wird auch das über die Düsen zugeführte Gas vollständig erfaßt und beseitigt.

Darüber hinaus ermöglicht die vollständige Erfassung sämtli cher Reaktionsprodukte, Gase und Dämpfe bei einer Analyse derselben Rückschlüsse auf die beim Bearbeitungsprozeß ablau fenden Reaktionen, so daß der Bearbeitungsprozeß hinsichtlich der verwendeten Gasarten und -drücke optimiert werden kann.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nachfolgend wird die Erfindung in einem Ausführungsbeispiel und in einer Zeichnung noch näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Absauganlage in Schnittdarstellung,

Fig. 2 eine vergrößerte Schnittdarstellung der Absaughaube.

Bester Weg zur Ausführung der Erfindung

Die in Fig. 1 geoffenbarte Absauganlage besteht aus einer Laserfokussiereinheit 1, über den der in einem Laserkopf erzeugte Laserstrahl 2 mittels einer Fokussieroptik 3, in diesem Beispiel eine Linse, auf das Werkstück 4 fokussiert wird, und der eine verschließbare Zuleitung 5 für die Zufüh rung des Laserreaktionsgases 6 aufweist. Am zum Werkstück 4 konisch zulaufenden Ende der Laserfokussiereinheit 1 ist die Absaughaube 7 gasdicht befestigt und bildet mit ihrem unteren Rand einen Luftspalt 8 mit dem Werkstück 4. In der Absaughaube 7 befinden sich ein oder mehrere Öffnungen 9, an denen eine flexible Schlauchleitung 10 mit einer der Anzahl der Öffnungen entsprechenden Anzahl an Abzweigungen angebracht ist, und über die die zu beseitigenden Substanzen 11 (Reaktionsprodukte, Gase und Dämpfe) von der Absaugeinheit 12 abgesaugt werden. Diese beinhaltet einen oder mehrere Filter 13 und/oder Analy segeräte 14 sowie eine Pumpe 15.

In Fig. 2 ist das dem Werkstück 4 zugewandte Ende der Laserfokussiereinheit 1 mit der daran befestigten Absaughaube 7 im vergrößerten Maßstab dargestellt. Die Absaughaube 7 ist in einer rotationssymmetrischen Form ausgebildet und gasdicht an der Laserfokussiereinheit 1 befestigt. Am Haubenrand ist ein Ring von zur Ausbildung eines geschlossenen Gasvorhanges 21 möglichst dicht beieinanderliegenden Düsen 16 angebracht, die über eine Kammer 17 im Absaughaubenmantel 18 untereinander verbunden sind. Das über einen im Absaughaubenmantel 18 vorgesehenen Kanal 19 zugeführte Gas oder Gasgemisch 20 verteilt sich in der Kammer 17 und strömt über die schräg stehenden Düsen 16 in einem spitzen Winkel 22 von weniger als 90°, vorzugsweise aber möglichst flach, auf das Werkstück 4, so daß sich ein geschlossener Gasvorhang 21 ausbildet, der aufgrund der Rotationssymmetrie der Absaughaube 7 die Form eines auf den Kopf gestellten Kegelstumpfes darstellt. Selbstverständlich sind auch alle anderen Ausführungsformen der Absaughaube 7 wie z.B. eine pyramidenförmige Ausbildung denkbar, sofern sie die beabsichtigte Wirkung einer vollstän digen Beseitigung aller anfallenden Reaktionsprodukte gewährleisten. Dadurch, daß die Absaughaube 7 über die Öff nungen 9 und die Schlauchleitung 10 an eine Pumpe 15 ange schlossen ist, bildet sich im Zusammenwirken des daraus resultierenden Unterdrucks unter der Absaughaube 7 und dem über die Düsen 16 eingeblasenen Gas 20 eine Strömung aus, die zentrisch zur Bearbeitungsstelle und von dort nach oben weg gerichtet ist.

Dabei ist zu beachten, daß die Absaugleistung der Pumpe 15 so auf die Summe der Drücke des Gases 20 und des eventuell zusätzlich zugeführten Laserreaktionsgases 6 abgestimmt ist, daß unter der Absaughaube 7 ein Unterdruck gegenüber der Umgebung aufrechterhalten bleibt. Alle in der Bearbeitungszone anfallenden Substanzen, die Reaktionsprodukte 11 sowie das eventuell zugeführte Laserreaktionsgas 6 und das über die Düsen zugeführte Gas 20, werden somit vollständig erfaßt und zur Absaugeinheit 12 abgeführt, so daß eine Verunreinigung der Umgebung des Arbeitsplatzes vermieden wird. Die Art der eingesetzten Gase (das über die Düsen zugeführte Gas 20 und/oder das Laserreaktionsgas 6) richtet sich dabei nach dem zu bearbeitenden Werkstoff, wobei die Auswahl dahingehend erfolgen soll, daß eine Veränderung, insbesondere Neutralisa tion, der beim Bearbeitungsprozeß entstehenden, unter Umständen chemisch reaktiven, toxischen oder karzinogenen Reaktionspro dukte 11 erfolgt. In der Absaugeinheit 12 können einzelne oder alle abgesaugten Substanzen ausgefiltert und/oder analysiert werden, so daß Rückschlüsse auf die beim Bearbeitungsprozeß ablaufenden Reaktionen möglich sind und die den Bearbeitungs prozeß bestimmenden Parameter, wie z.B. Gasart und -druck der zugeführten Gase, optimiert werden können.

Zur Beobachtung des Bearbeitungsprozesses kann die Absaughaube 7 vorzugsweise zumindest aus teilweise durchsichtigem Material bestehen. Schließlich ist es zum Schutz des Bedienungsperso nals vor gestreuter oder reflektierter Laserstrahlung von Vorteil, wenn das gesamte Haubenmaterial für die jeweils eingesetzte Laserstrahlung eine möglichst geringe Transmission aufweist.
Bezugszeichenliste

1 Laserfokussiereinheit
2 Laserstrahl
3 Fokussierlinse
4 Werkstück
5 verschließbare Zuleitung
6 Laserreaktionsgas
7 Absaughaube
8 Luftspalt
9 Öffnungen für flexible Schlauchleitung
10 flexible Schlauchleitung
11 abzusaugende Substanzen
12 Absaugeinheit
13 Filter
14 Analysegeräte
15 Pumpe
16 Düsen
17 Gaszuführungskammer
18 Absaughaubenmantel
19 Zuführungskanal für das den Gasvorhang bildende Gas oder Gasgemisch
20 Gas oder Gasgemisch für den Gasvorhang
21 Gasvorhang
22 Winkel zwischen Düsen und Werkstückebene

Claims

1. Absauganlage für die Laserbearbeitung von Werkstoffen mit einer Absaughaube, die gasdicht an einer Vorrichtung (Laserfokussiereinheit) befestigt ist, in der die op tischen Elemente zur Führung und Fokussierung des in einem Laserkopf erzeugten Laserstrahls angebracht sind, unter der ein Unterdruck gegenüber der Umgebung herrscht, und die einen Luftspalt mit dem Werkstück bildet, dadurch gekennzeichnet, daß am Haubenrand eine oder mehrere Düsen (16) angebracht sind, die einen Winkel (22) von weniger als 90° mit dem Werkstück (4) bilden, so daß sie schräg nach innen ge richtet sind, und daß über diese ein Gas oder ein Gasge misch (20) in den Unterdruckbereich unter der Absaughaube (7) derart eingeblasen wird, daß dieses einen geschlos senen Gasvorhang (21) bildet, und daß sich im Zusammen wirken mit dem unter der Haube herrschenden Unterdruck eine Strömung ergibt, die vom Haubenrand zentrisch in Richtung zu der durch den Laserfokus auf dem Werkstück gekennzeichneten Stelle (Bearbeitungsstelle) und von dort nach oben gerichtet ist.

2. Absauganlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Haubenrand ein Ring von dicht beieinanderliegenden Düsen (16) angebracht ist.

3. Absauganlage nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Düsen (16) über eine Kammer (17) im Ab saughaubenmantel (18) untereinander verbunden sind.

4. Absauganlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Absaughaubenmantel (18) eine am Rand des Absaughau benmantels umlaufende und diesen umfassende, an eine Gaszuführungskammer (17) angeschlossene, Schlitzdüse angebracht ist.

5. Absauganlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasvorhang (21) die Form eines auf den Kopf gestell ten Kegelstumpfes bildet.

6. Absauganlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasvorhang (21) einen auf den Kopf gestellten Pyra midenstumpf bildet.

7. Absauganlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß über die Laserfokussiereinheit (1) ein Gas oder Gasge misch (Laserreaktionsgas) (6) zur Bearbeitungsstelle eingeblasen wird.

8. Absauganlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei Zuführung des Laserreaktionsgases (6) die Absaugleistung so auf die Summe der Drücke des Laserreaktionsgases und des über die Düse oder die Düsen (16) zugeführten Gases (20) abgestimmt ist, daß innerhalb der Absaughaube (7) gegenüber der Umgebung ein Unterdruck aufrechterhalten bleibt.

9. Absauganlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das über die Düse oder Düsen (16) zugeführte Gas (20) und/oder das über die Laserfokussiereinheit (1) zuge führte Laserreaktionsgas (6) derart gewählt sind, daß sie eine Veränderung, insbesondere Neutralisation, der beim Bearbeitungsprozeß entstehenden, unter Umständen chemisch reaktiven, toxischen oder karzinogenen Reaktionsprodukte (11) bewirken.

10. Absauganlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Absaughaube (7) mit einer flexiblen Schlauchleitung (10) an eine Pumpvorrichtung (15) angeschlossen ist.

11. Absauganlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Absaughaube (7) und der Pumpvorrichtung (15) ein oder mehrere Filter (13) und/oder ein oder mehrere Analysegeräte (14) eingebaut sind.

12. Absauganlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Absaughaube (7) aus teilweise durchsichtigem Material besteht.

13. Absauganlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Absaughaube (7) für die jeweils einge setzte Laserstrahlung (2) eine möglichst geringe Trans mission aufweist.