FI113849B - Menetelmä lasertyöstölaitteiston yhteydessä - Google Patents

Description

113849

Menetelmä lasertyöstölaitteiston yhteydessä j Keksinnön kohteena on menetelmä lasertyöstölaitteiston yhteydessä, jolla suoritettavassa lasertyöstössä 5 käytetään suojakaasuna typpeä, joka tuotetaan ns.

typpigeneraattoria, kuten membrane-, PSA-erotinta tai vastaavaa käyttämällä, joka erottaa typpikaasua sillä käsitellystä kaasuvirtauksesta ja jolloin työstö-prosessin yhteydessä hyödynnetään sinänsä tunnetusti 10 kierrätystä.

Edellä mainitussa yhteydessä on tänä päivänä tunnettua käyttää ensinnäkin mitä erilaisimpia lasertyöstölait-teistoja, joissa esim. joko työstävä laseryksikkö | 15 liikkuu suhteessa työstettävään materiaaliin tai sitten työstettävä materiaali liikkuu suhteessa kiinteään lasertyöstimeen. Työstettäessä tämäntyyppisellä tekniikalla mitä erilaisimpia materiaaleja on välttämätöntä käyttää suojakaasua esim. materiaali-20 /valmistusteknisistä syistä johtuen ja mm. työstettä vän materiaalin syttymisen ja hapettumisen estämiseksi, mikä nykyisellään on toteutettu esim. siten, että lasertyöstimelle johdetaan puhdasta typpikaasua yksittäisistä typpipulloista muodostetusta suoja-25 kaasupatteristä. Tämän tyyppiseen ratkaisuun liittyy sellainen haitta, että suojakaasupatterin typpipulloja on tuotannon jatkuvuuden takaamiseksi välivarastoitava riittävän lukuisasti, minkä lisäksi niitä on sangen tiuhaan tahtiin vaihdettava, koska suojakaasun kulutus 30 on aika ajoin hyvinkin runsasta; Yhden tavanomaisen typpikaasupullon käyttöaika on keskimäärin ottaen noin 10 minuuttia.

Koska erillisten typpikaasupullojen käsittely on 35 edellä esitetyn tyyppisessä prosessoinnissa sangen työlästä, on tuotantoa pyritty kehittämään siihen suuntaan, että suojakaasuna käytettävä typpi tuotettaisiin ns. typpigeneraattoria käyttämällä. Kuvissa la I 113849 2 ja lb on esitetty esimerkinomaisesti kaksi tänä päivänä markkinoilla olevaa typpigeneraattorirat-kaisua, joita edellä mainittuun tarkoitukseen olisi periaatteessa mahdollista käyttää. Kuvassa la on 5 kuvattu erityisesti ns. PSA (Pressure Swing

Adsorption)-erotin, jonka prosessointiyksikössä on ns. spesiaaliaktiivihiilestä muodostettu molekyylipeti, jonka kautta ilma/paineilma johdetaan typen erottamiseksi siitä. Ko. erotin toimii käytännössä siten, että 10 prosessointiyksikön kulloinkin aktiivisena oleva erotinpatja toimii niin pitkään, kun riittävä erotuskyky saadaan säilymään, minkä jälkeen prosessi automaattisesti kytkee likaantuneen patjan pois käytöstä sen puhdistamiseksi esim. ns. vastakkaishuuhtelulla, 15 missä yhteydessä kytketään vuorostaan edellisessä vaiheessa puhdistumassa ollut patja uudelleenkäyttöön.

I Edellä esitetyn tyyppisellä typpigeneraattorilla on mahdollista tuottaa aina 99,9999 %:sta typpikaasua, mikä on käytännössä riittävän puhdasta myös erityisen 20 vaativaan laser-työstöön.

Toisaalta kuvassa Ib on esitetty esimerkinomaisesti ' eräs tänä päivänä markkinoilla oleva membrane-erotin, jossa erotuskyky perustuu pitkälti mekaaniseen suoda-j 25 tukseen. Nykyisin markkinoilla olevilla membrane- ; : suodattimilla on mahdollista tuottaa enintään noin '' < ί 99,9 %:sta typpikaasua, mikä ei mahdollista ko.

erottimien käyttöä sellaisenaan erityisesti vaativassa laser-työstössä.

il 30 ““ Em. typpigeneraattoreiden käytön ongelmallisuus k' lasertyöstössä johtuu nykyisellä tekniikalla ensinnä- ; V kin siitä, että typen erottaminen ilmasta/paineilmasta : t edellyttää sangen suurta typpigeneraattorin läpivir- X. 35 taamaa, minkä vuoksi typenerotusprosessin vaatima kokonaisteho on suhteettoman massiivinen käytännön valmiuksia silmälläpitäen. Lasertyöstössä tarvittavan suojakaasumäärän aikaansaamiseksi edellytetään tyypil- 113849 i 3 lisesti noin 6 m3/minuutti suuruista käsiteltävän ilman/paineilman tilavuusvirtaa typpigeneraattorin kautta. Tämä johtaa edelleen siihen, että prosessoitavan paineilman/ilman paineistuksessa tarvittavan 5 kompressorin tehon tulisi olla noin 40 kW. Näin suuri kompressoriteho ei ole kuitenkaan käytännössä enää perusteltua, koska se nostaa hankinta- ja käyttökustannuksia suhteettomasti, joten typenerotusprosessin hyödynnys edellä mainitussa yhteydessä ei ole nykyi-10 sellään taloudellisesti perusteltua. Toisaalta erityi sesti nykyisten membrane-erottimien käyttöön liittyy edelleen käytännössä se ongelma, että niiden erotuskyky ei ole sellaisenaan riittävän korkealla tasolla erityisen vaativaa laser-työstöä silmälläpitäen.

15

Aikaisemmasta tekniikan tasosta on löydettävissä esim.

; US-patentti 4,319,120, jossa suojakaasuna on esitetty käytettäväksi heliumia, minkä vuoksi, vaikkakin ko. kaasua siinä yhteydessä kierrätetäänkin, ei ko.

20 ratkaisu liity millään tavoin nyt esillä olevaa keksintöä vastaavaan aihepiiriin. Toisaalta viitejul-kaisussa WO 95/33594 on puolestaan esitetty periaat-teessä johdanto-osan mukainen toteutustapa typpikaasun :· hyödynnykseen, missä yhteydessä varsinainen tarkoitus : ' i 25 on kuitenkin erityisesti laservalolähteeseen kuuluvien ;"‘j peilien suojaaminen.

u“\. Nyt esillä olevan keksinnön mukaisen menetelmän tarkoituksena on saada aikaan ratkaiseva parannus 30 edellä esitettyihin ongelmiin ja siten kohottaa oleellisesti alalla vaikuttavaa tekniikan tasoa. Tämän tarkoituksen toteuttamiseksi keksinnön mukaiselle • ' j menetelmälle on pääasiassa tunnusomaista se, että i ; typpigeneraattorilla prosessoitavana kaasuna käytetään 35 suojakaasusuojatussa lasertyöstössä muodostuvaa työstökaasua.

4 113849

Keksinnön mukaisen menetelmän tärkeimpinä etuina mainittakoon sen yksinkertaisuus, tehokkuus ja toimintavarmuus, minkä ansiosta on ensinnäkin mahdollista toteuttaa taloudellisesti edullisella tavalla laser-5 työstöä, erityisesti nykyisellään sangen työlästä suojakaasun käyttöä/varastointia silmällä pitäen.

Keksinnön mukaisen menetelmän ansiosta on ensinnäkin mahdollista tehostaa merkittävästi suojakaasun käsittelyä, koska nykyisin vaadittavilta työläiltä typpi-10 pullovarastoinneilta ja niiden täydennyksiltä on mahdollista välttyä hyödyntämällä typpikaasun tuotannossa ns. omavaraista työstökaasun kiertoprosessia.

Keksinnön mukaisen menetelmän edullisuus perustuu erityisesti siihen yksinkertaiseen tosiasiaan, että 15 suojakaasusuojatussa lasertyöstössä muodostuvan työstökaasun happipitoisuus on nykyisen tietämyksen mukaan tyypillisesti korkeimmillaan noin 5 %, kun happipitoisuus ilmassa tai paineilmassa on noin 20 %.

Tämä tarkoittaa käytännössä sitä, että typpigeneraat-20 torin kautta johdettava tilavuusvirta pienenee uudel leen kierrätettävää työstökaasua hyödynnettäessä neljäsosaan siitä, mitä tarvittaisiin käytettäessä h:,' prosessiväliaineena ilmaa/paineilmaa, mikä luonnolli- sesti laskee typenerotusprosessissa tarvittavaa - ‘jj 2 5 käyttötehoa vastaavassa suhteessa. Näin ollen keksin- :<l'l nön mukainen menetelmä ensinnäkin helpottaa ratkaise- ;>'· vasti typenerotusprosessin koostamista em. tarkoituk- sessa, koska sen ansiosta on mahdollista käyttää paineistuksessa tavanomaisia kompressoreita ilman ^ 30 erityisen suuria tuottovaatimuksia. Tässä yhteydessä i 1“ myös ko. prosessin toimintavarmuus luonnollisesti T paranee, koska on mahdollista käyttää pitkälle stan- ; V dardoituja ja käytännössä hyväksi havaittuja kom- ' ponentteja.

. y. 3 5

Keksinnön mukaisen menetelmän edullisia sovellutuksia on esitetty siihen kohdistuvissa epäitsenäisissä patenttivaatimuksissa.

5 113849

Seuraavassa selityksessä keksintöä havainnollistetaan yksityiskohtaisesti samalla viittaamalla oheisiin piirustuksiin, joissa 5 kuvissa la ja Ib on esitetty eräitä edullisia menetelmän hyödynnykseen soveltuvia typpigeneraattoreita eli PSA-erotinta (kuva la) ja membrane-ero-10 tinta (kuva Ib), kuvassa 2 on esitetty erästä tyypillistä lasertyöstö-laitteistoa, jossa keksinnön mukaista mene-15 telmää on mahdollista hyödyntää, ja kuvassa 3 on esitetty erästä keksinnön mukaisen menetelmän edullista toimintaperiaatetta esimer-20 kinomaisena prosessikaaviona.

Keksinnön kohteena on menetelmä lasertyöstölaitteiston \:,L yhteydessä, jolla suoritettavassa lasertyöstössä LT

.L' käytetään suojakaasuna typpeä N2, joka tuotetaan ns.

! 'J 25 typpigeneraattoria 1, kuten membrane-, PSA-erotinta : : tai vastaavaa käyttämällä, joka erottaa typpikaasua : > sillä käsitellystä kaasuvirtauksesta. Typpigeneraatto- ;j". rilla 1 prosessoitavana kaasuna käytetään suoja- kaasusuojatussa lasertyöstössä LT muodostuvaa työstö-30 kaasua TK.

'1' Erityisesti kuvassa 2 esitettyyn edulliseen sovellu- ; V tuskohteeseen viitaten, lasertyöstöstä LT poistettu ja i esim. lasertyöstölaitteen yhteydessä esisuodatettu 35 työstökaasu TK lisäsuodatetaan LS erityisesti sen 03- ^ neutralointia varten ennen sen esim. kuvassa 3 periaa tetasolla kuvattuun typenerotusprosessiin I syöttämistä .

6 113849 i Edelleen menetelmän edullisena sovellutuksena erityi sesti kuvan 3 toimintakaavioon viitaten esipaineiste-taan kierrätettävä työstökaasu TK, edullisesti 5-20 kW:n tehoisella ruuvikompressorilla 2 tai vastaavalla 5 esim. 6-12 barin paineeseen, ennen sen typpigeneraat- toriin 1 syöttämistä.

Edelleen menetelmän edullisena sovellutuksena, typpi -generaattorilla 1 tuotettu typpikaasu N2 lisäpaineiste-10 taan, edullisesti 2-6 kW:n tehoisella mäntäkompresso- rilla 5 tai vastaavalla esim. 30-300 barin paineeseen, sen välivarastointia ja/tai hyödynnystä varten.

Edullisena sovellutuksena edelleen kuvassa 3 esitet-15 tyyn edulliseen toimintakaavioon viitaten, typpi- generaattorilla 1 tuotettua typpikaasua varastoidaan välivarastointijärjestelyssä 3, josta typpikaasu syötetään edelleen lasertyöstössä LT käytettäväksi.

Tässä yhteydessä varastointijärjestely 3 koostuu esim.

20 yhdestä yhtenäisestä kaasusäiliöstä tai sitten useista erillisistä kaasupulloista muodostetusta suoja-kaasupatterista.

< ; Edelleen edullisena menetelmän sovellutuksena on :v, 25 mahdollista toimia myös siten, että typpigeneraatto- , rilla 1 tuotettu typpikaasu puhdistetaan erityisesti _____; sen jäännöshapen eliminoimiseksi otsonoimalla, kuten otsonigeneraattorilla 4a, aktiivihiilisuodattamalla 4b ja kuivattamalla 4c. Otsonigeneraattorissa 4a typpi-30 kaasun sisältämä jäännöshappi muuttuu otsoniksi ja '·“ otsonigeneraattorin jälkeisessä aktiivihiilisuodatuk- t.k sessa 4b otsoni muuttuu edelleen vedeksi, joka poisteltu taan esim. PSA-kuivaimella 4c tai sitten vastaavalla esim. membrane-kuivaimella.

'k 35 ‘‘t" Vaihtoehtoisesti käytetään ns. N2-puhdistinta siten, että jäljellä olevan happimolekyylit poltetaan esim.

7 113849 vetykaasua hyväksikäyttäen esim. palladium-pedissä ja syntyvä vesi poistetaan sopivalla kuivaimella.

! Ϊ ...

Toimintakaaviossa kuvatun mukaisesti on typpigeneraat-5 torin 1 yhteyteen järjestetty edullisesti edelleen tasausjärjestely 6, kuten typpigeneraattorin 1 imupuo-lella oleva, edullisesti esim. 0,3-1 m3:n esivaraus-säiliö 6a ja sen painepuolella oleva, edullisesti esim. 0,5 - 2 m3:n jälkivaraussäiliö 6b.

10

Erityisesti kuvan 3 toimintakaaviossa esitetyn mukaisesti on tässä yhteydessä edullisena sovellutuksena esipaineistukseen käytetyn ruuvikompressorin 2 yhteydessä käytetty lisäksi kuivainta 7a ja suodatinta i 15 7b. Ensinmainittu on tarkoitettu kuivattamaan ruuvi- kompressoria käytettäessä muodostuvaa kosteutta ja j jälkimmäinen puolestaan eliminoimaan erityisesti ruuvikompressorikäytöstä prosessoitavaan nesteeseen kulkeutuvaa öljyä. Edellä mainituilla mitoitus- ja 20 toiminta-arvoilla on kuivaimen 7a teho edullisesti noin 2 kW. Vastaavasti typpigeneraattorin 1 teho noin 0,2 kW erityisesti kuvassa la esitetyn tyyppistä PSA-erotinta käytettäessä.

t l i ; lji' 25 On selvää, että keksintö ei rajoitu edellä esitettyi- hin tai selitettyihin sovellutuksiin, vaan sitä yO voidaan keksinnön perusajatuksen puitteissa muunnella vt kulloistenkin käyttöolosuhteiden ja prosessien edel lyttämien vaatimusten mukaisesti. Näin ollen tietyn 30 tyyppisissä prosesseissa on luonnollisesti mahdollista 'ϊ;. käyttää esim. kuvassa Ib esitetyn tyyppisiä membrane- ‘T erottimia, joissa typen puhtautta kuitenkin paranne- : V taan esim. kaaviossa 3 kuvatun tyyppistä, tyyppi- : j generaattorin yhteydessä olevaa jälkiotsonointia 35 hyödyntämällä tai sitten esim. kytkemällä useampia erottimia sarjaan. Luonnollisesti on lisäksi selvää, että edellä kuvatun tyyppistä toimintakaaviota on mahdollista varioida sangen runsaasti käyttämällä 8 113849 edellä esitetystä poikkeavia paineenkohotuslaitteita tai muita sinänsä tavanomaisia prosessiteknisiä laitteita/kytkentöjä. Lisäksi on luonnollisesti selvää, että samassa typenerotusprosessissa on mahdol-! 5 lista käyttää läpivirtaaman kasvattamiseksi useampia ; rinnakkaisia typpierottimia tai sitten typpikaasun ; puhtauden lisäämiseksi useampia sarjaan kytkettyjä typpierottimia. Käytännössä saattaa olla edelleen mahdollista toteuttaa typenerotusprosessi ilman edellä 10 kuvatun tyyppistä suuripaineista välivarastointijär jestelyä johtamalla typpigeneraattorilla tuotettu typpikaasu suoraan lasersyöttölaitteistolle.

<. < t t J.

Claims (8)

113849

1. Menetelmä lasertyöstölaitteiston yhteydessä, jolla suoritettavassa lasertyöstössä (LT) käytetään 5 suojakaasuna typpeä (N2) , joka tuotetaan ns. typpi- generaattoria (1), kuten membrane-, PSA-erotinta tai vastaavaa käyttämällä, joka erottaa typpikaasua sillä käsitellystä kaasuvirtauksesta ja jolloin työstö-prosessin yhteydessä hyödynnetään sinänsä tunnetusti 10 kierrätystä, tunnettu siitä, että typpigeneraattorilla (1) prosessoitavana kaasuna käytetään suojakaasusuoja-! tussa lasertyöstössä (LT) muodostuvaa työstökaasua (TK) .

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että lasertyöstöstä (LT) poistettu, esisuodatettu työstökaasu (TK) lisäsuodatetaan (LS) ! erityisesti sen 03-neutralointia varten ennen sen typenerotusprosessiin (I) syöttämistä. 20

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetel mä, tunnettu siitä, että kierrätettävä syöttökaasu (TK) esipaineistetaan, sopivimmin 5-20 kW:n tehoisella ruuvikompressorilla (2) tai vastaavalla 6-12 barin 25 paineeseen, ennen sen typpigeneraattoriin (1) syöttämistä.

4. Jonkin edellisistä patenttivaatimuksista 1-3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että typpi-30 generaattorilla (1) tuotettu typpikaasu lisäpaineiste- taan, sopivimmin 2-6 kW:n tehoisella mäntäkompresso-rilla (5) tai vastaavalla 30-300 barin paineeseen, sen välivarastointia ja/tai hyödynnystä varten.

5. Jonkin edellisistä patenttivaatimuksista 1-4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että typpi generaattorilla (1) tuotettua typpikaasua (N2) varastoidaan välivarastointijärjestelyssä (3), josta 113849 typpikaasu syötetään edelleen lasertyöstössä (LT) käytettäväksi.

6. Jonkin edellisistä patenttivaatimuksista 1-5 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että tuotettua typpikaasua varastoidaan varastointijärjestelyyn (3), joka koostuu yhdestä yhtenäisestä kaasusäiliöstä tai useista erillisistä kaasupulloista muodostetusta suojakaasupatterista.

7. Jonkin edellisistä patenttivaatimuksista 1-6 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että typpi- j generaattorilla (1) tuotettu typpikaasu puhdistetaan erityisesti sen jäännöshapen eliminoimiseksi otsonoi-15 maila, kuten otsonigeneraattorilla (4a), aktiivihii- lisuodattamalla (4b) ja kuivattamalla (4c), ns. N2-puhdistimella ja/tai vastaavalla tavalla.

8. Jonkin edellisistä patenttivaatimuksista 1-7 20 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että typenerotus- prosessin (I) toimintaa tasataan typpigeneraattorin (1) yhteyteen järjestetyllä tasausjärjestelyllä (6), \,V: kuten typpigeneraattorin (1) imupuolella olevalla, sopivimmin 0,3 - 1 m3:n esivaraussäiliöllä (6a) ja/tai : ‘ ; 25 sen painepuolella olevalla, sopivimmin 0,5 - 2 m3:n jälkivaraussäiliöllä (6b). 113849