KR102665599B1 - 유체 제트에 가이드된 레이저 빔으로 공작물을 기계 가공하기 위한 장치 및 장치의 어셈블리 - Google Patents

유체 제트에 가이드된 레이저 빔으로 공작물을 기계 가공하기 위한 장치 및 장치의 어셈블리 Download PDF

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Abstract

본 발명은 레이저 빔(102)으로 공작물(101)을 기계 가공하기 위한 장치(100, 200, 300, 900) 및 방법(400)을 제공한다. 특히, 장치(100, 200, 300)는 가압 유체 제트(104)를 생성하기 위한 노즐(103); 레이저 빔(102)을 유체 제트(104)에 결합시키도록 구성된 적어도 하나의 광학소자(105)를 포함한다. 장치(100, 200, 300)는 또한 노즐(103) 및 적어도 하나의 광학소자(105)를 둘러싸는 밀폐 인클로저(106)를 포함한다. 상기 밀폐 인클로저(106)는 인터페이스 유닛(108)이 제공된 상부(107), 및 상기 인터페이스 유닛(108)에 의해 상부(107)에 탈착되는 하부(109)를 포함한다. 상기 하부는 공작물(101)을 향해 유체 제트(104)를 출력하기 위한 출구 개구(110)를 구비하고, 상기 출구 개구(110) 및 유체 제트(104)는 동축으로 정렬된다. 장치(900)는 상이한 하부(901)를 가지며, 이는 상부(109)에 부착되고 공작물을 향해 유체 제트를 출력하기 위한 채널을 포함하며, 채널의 길이 대 직경의 비, 특히 일정한 직경의 비 채널은 1 : 1 내지 20 : 1, 바람직하게는 5 : 1 내지 15 : 1이다.

Description

유체 제트에 가이드된 레이저 빔으로 공작물을 기계 가공하기 위한 장치 및 장치의 어셈블리
본 발명은 레이저 빔으로 공작물을 가공하기 위한 장치 및 장치를 어셈블리하는 방법에 관한 것이다. 이 장치는 특히 유체 제트에 연결된 레이저 빔으로 공작물을 가공하기 위한 것이다. 특히, 본 발명의 장치는 개선된 스플래시 가드, 즉 공작물로부터 장치 내로 튀는 유체 및 미립자에 대한 개선된 보호를 갖는다. 또한, 본 발명의 어셈블리 방법은 개선된 스플래시 가드 보호를 지지하는 정렬 프로세스를 포함한다.
공작물에 부딪히는 유체 제트에 결합된 레이저 빔으로 공작물을 가공하는 종래의 장치가 일반적으로 알려져있다.
하나의 이러한 종래의 장치에서, 스플래시 가드가 장치의 유체 제트 출구에 제공된다. 스플래쉬 가드는 얇은 금속 시트에 의해 실현되며, 공작물이 레이저 빔으로 기계 가공될 때 공작물로부터 장치로 다시 튀는 유체의 양을 감소시키는 것을 목적으로 한다. 이는 장치 내로 다시 유입되는 유체가 장치 내부의 유체 제트 발생에 부정적인 영향을 줄 수 있기 때문이다. 유체 제트는 전형적으로 유체 노즐에 의해 생성된다. 백-스플래싱 유체가 장치에 유입되어 노즐에 부착되면, 유체 제트 생성을 방해할 수 있어, 유체 제트가 깜빡 거리거나 끊어질 수 있다. 이로 인해 공작물 기계 가공 공정이 불가능하거나 적어도 매우 비효율적이다. 얇은 금속 시트는 비교적 저렴한 해결방안을 제공하지만, 후술되는 바와 같이 몇 가지 단점이 있다.
금속 시트 스플래쉬 가드는 작동이 시작되기 전에 그리고 유체 제트를 위한 출구 개구없이 장치에 장착된다. 장치의 작동이 시작되면, 레이저 빔은 얇은 금속 시트에 구멍을 뚫어 유체 제트가 빠져 나가게 한다. 그러나, 이 출구 개구의 형상 및 직경은 제어될 수 없다. 특히, 생성되는 출구 개구는 종종 유체 제트와 같이 둥글지 않고 오히려 타원형이다. 따라서, 불필요한 공간이 생성되고, 이를 통해 공작물로부터 역류하는 유체가 장치로 들어갈 수 있다. 또한, 출구 개구가 레이저 빔에 의해 뚫릴 때, 유체 제트가 이미 생성되어, 유체가 장치 내부에 축적되기 시작한다. 이 유체는 장치로부터 방출될 필요가 있고, 따라서 스플래시 가드에는 추가적인 구멍이 제공된다. 불행하게도, 이러한 추가 개구는 잠재적으로 공작물로부터 튀는 유체가 장치로 들어가 유체 제트 품질을 저하시킬 수 있게 한다. 특히, 유체 제트 발생의 방해로 인해 유효 유체 제트가 시스템적으로 짧아지고 공작물 가공 효율이 크게 감소한다. 구체적으로, 얇은 금속 시트 용액을 사용하는 종래의 장치에서, 효율은 이 용액의 최상의 경우에서 30% 이상 감소될 수 있다.
더욱이, 출구 개구는 레이저 빔 흡수로 인해 장치의 작동 동안 특히 넓게 변형될 것이다. 이러한 불가피한 변형은 유체가 장치 내로 다시 튀어 나올 확률을 지속적으로 증가시킨다. 또한, 스플래쉬 가드는 장치의 작동 중에 금속 시트가 부식되기 때문에(장치를 새로 시작할 때마다 다소) 대체로 교체해야 한다.
따라서, 다른 종래의 장치는 고정 설치 커버부를 사용한다. 커버부는 공작물의 방향으로 각각의 장치를 적어도 부분적으로 폐쇄하고, 유체 제트를 위해 미리 만들어진 출구 개구를 갖는다. 그러나, 커버부는 백-스플래싱 유체가 장치 내로 진입하는 것을 충분히 방지하지 못한다. 이는 유체 또는 가스가 빠져 나가기 위해 미리 만들어진 출구 개구가 너무 크거나 덮개 부분에 추가 개구가 제공되기 때문이다. 더욱이, 장치를 작동시키기 전에 이미 커버부의 고정 설치로 인해, 배출구와 유체 제트의 정렬 또는 재정렬이 어렵다. 이는 실제로 이러한 커버부에(유체 제트 직경에 비해) 비교적 큰 출구 개구를 제공하는 한 가지 이유이다. 또한, 예를 들어, 장치를 장기간 사용한 후에 커버부를 청소 또는 교체할 필요가 있는 경우, 커버부의 교환도 불가능하거나 적어도 어렵다.
이러한 문제점 및 단점을 고려하여, 본 발명은 종래의 장치를 개선하는 것을 목표로 한다. 따라서, 본 발명의 목적은 유체 제트에 결합된 레이저 빔으로 공작물을 기계 가공하는 장치를 제공하는 것으로, 상기 장치가 공작물을 보다 효율적으로 및 개선된 공정 안정성으로 기계 가공할 수 있는 장치를 제공하는 것이다. 특히, 본 발명은 공작물을 기계 가공할 때, 특히 공작물을 드릴링 및 밀링할 때 유체 제트를 보다 잘 안정화시키는 것을 목표로 한다. 이를 위해, 본 발명은 백-스플래싱 유체에 대한 개선된 보호, 및 따라서 장치 내부의 유체 제트의 방해받지 않는 생성, 결과적으로 수명의 증가 및 부품의 성능 증가를 요구한다. 또한, 본 발명은 유체 제트를 둘러싸는 보호 가스층이 제공되는 경우 가스 소비를 감소시키려고 한다.
본 발명의 목적은 첨부된 독립 청구항에 제공된 해결방안에 의해 달성된다. 본 발명의 유리한 구현은 종속항에 정의되어 있다.
특히, 본 발명은 개선된 스플래시 가드로서 작용하는 인클로저를 갖는 장치를 제안하고, 인클로저의 출구 개구와 유체 제트의 정렬 프로세스를 포함하는 장치의 어셈블리 방법을 제안한다. 장치 및 어셈블리 방법의 구조적 특징들이 유리하게 협력한다.
본 발명의 제 1 태양은 레이저 빔으로 공작물을 기계 가공하는 장치로서, 상기 장치는 가압 유체 제트를 생성하기 위한 노즐; 레이저 빔을 유체 제트에 결합시키도록 구성된 적어도 하나의 광학소자; 및 노즐 및 적어도 하나의 광학소자를 둘러싸는 밀폐 인클로저를 포함하고, 상기 밀폐 인클로저는: 인터페이스 유닛이 제공된 상부, 및 상기 인터페이스 유닛에 의해 상부에 탈착되고 공작물을 향해 유체 제트를 출력하기 위한 출구 개구를 구비하는 하부를 포함하며, 상기 출구 개구 및 유체 제트는 동축으로 정렬되는 장치를 제공한다.
가압 유체 제트는 레이저 빔용 웨이브가이드와 같은 역할을 하며 레이저 빔을 내부 전반사를 통해 공작물로 가이드한다. 따라서, 공작물은 레이저 빔으로 기계 가공될 수 있다.
"밀폐 인클로저"는 출구 개구를 통한 것을 제외하고, 장치 내부와 장치 주변의 대기 사이에서 유체 및 가스 교환을 방지하는 인클로저를 의미한다. 따라서, 상부 및 하부를 형성하는 재료는 유체 및 기체가 침투할 수 없다. 또한, 상부와 하부 사이의 연결은 유밀 및 기밀 상태이다. 물론, 장치에서 유체 제트를 발생시키기 위해, 유체는 장치 내부로 공급될 필요가 있다. 또한, 유체 제트가 가스층으로 둘러싸여지는 것이 바람직한 경우, 보호 가스가 장치의 내부로 공급될 필요가 있다. 그러나, 유체 및/또는 가스는 장치 및 외부 유체 및/또는 가스 공급이 폐쇄 시스템을 형성하도록 공급된다. 따라서, 이러한 의도적으로 공급된 유체 및/또는 가스는 장치를 둘러싼 대기와 교환되지 않아야 하므로 인클로저가 밀폐되지 않는다는 것을 의미하지는 않는다. 밀폐 인클로저의 바람직한 결과는 (유체 제트를 생성하기 위한) 장치 내로의 유체의 흐름이 출구 개구를 통한 장치로의 유체의 흐름과 동일하다는 것이다. 마찬가지로, (유체 제트 주위에 보호 가스층을 제공하기 위한) 장치 내로의 기체 흐름은 바람직하게는 출구 개구를 통한 장치로의 기체 흐름과 동일하다.
"탈착식으로 부착된"은 장치의 어떤 일부를 손상시키지 않으면서 하부가 비파괴적인 방식으로 상부로부터 분리될 수 있음을 의미한다. 이는 특히 하부가 제거되어야 함을 의미한다. 바람직하게는, 장치 또는 장치의 인클로저의 복잡하고 시간 소모적인 분해없이 하부가 상부로부터 쉽게 탈착될 수 있음을 의미한다.
"동축 정렬"은 출구 개구가 (적어도 최대 5㎛, 바람직하게는 최대 3㎛의 완전한 진원도(roundness)로부터의 편차 내에서) 둥글고, 이 원형 개구의 중심이 유체 제트의 가정된 둥근 횡단면의 중심과 정렬됨을 의미한다. 특히, 동축으로 정렬 된이라는 뜻은 유체 제트가 (적어도 10 ㎛ 미만, 바람직하게는 5 ㎛ 미만의 완벽한 중심으로부터의 편차로) 원형 출구 개구 내에서 중심을 이루는 것을 의미한다.
장치의 밀폐 엔클로저는 개선된 유체 비산 방지 기능을 제공하여 유체가 공작물에서 장치로 다시 튀길 가능성을 크게 줄이다. 따라서, 장치는 공작물 기계 가공 프로세스를 수행할 수 있으며, 이는 종래의 장치로 수행되는 기계 가공 프로세스보다 훨씬 더 효율적이고 안정적이다.
향상된 비산 방지(실제로 본 문서의 의미에서 인클로저의 기밀성)의 한 가지 이유는 인클로저에 추가 유체 및/또는 가스 방출 개구가 전혀 없기 때문이다. 이러한 방출 개구는 (하기에서보다 상세히 설명된) 장치의 어셈블리 방법으로 인해, 특히, 하부에서 상부로의 어셈블리 절차로 인해 방지될 수 있다. 이 어셈블리 절차는 배출 개구와 유체 제트의 정렬 프로세스를 포함하며, 이는 하부가 상부로부터 분리된 상태에서 유리하게 수행될 수 있다. 이는 밀폐 엔클로저의 상부에 탈착식으로 부착될 수 있는 하부의 설계로 인해 그리고 인터페이스 유닛 및 밀폐 인터페이스 설계로 인해 가능하다. 따라서, 정렬 프로세스 동안, 장치 내에 유체가 축적되지 않으므로, 유체 방출 개구가 필요하지 않다.
또 다른 이유는 원형 유체 제트와 원형 출구 개구 사이의 동축 정렬로, 이는 비산한 유체가 장치 내로 들어갈 수 있는 불필요한 공간을 감소시킨다. 동축 정렬은 장치의 어셈블리 동안 수행되고 유체 제트 안정성을 향상시키는 정렬 프로세스의 또 다른 유리한 결과이다.
하부는 상부로부터 탈착 가능하기 때문에, 장치의 세척 및 장치의 부품 교체가 간단해진다.
장치의 바람직한 구현 형태에서, 상부와 하부 사이의 밀폐 인터페이스는, 예를 들어, 고무 V-링과 같은 고무 절연 유닛에 의해, 그리스 칠해진 판 대판 접촉에 의해, 또는 울트라 판 대 판 접촉에 의해 형성된다.
밀폐 인터페이스는 상부와 하부가 별도의 부품이고, 바람직하게는 서로 쉽게 탈착될 수 있지만 인클로저의 기밀성을 보장한다.
장치의 다른 바람직한 구현 형태에서, 하부가 상부로부터 빼냄으로써 용이하게 탈착될 수 있다.
따라서, 하부를 탈거하기 위해, 스크류 해제 또는 납땜 제거와 같은 기계적 동작이 수행될 필요가 없다. 하부는 특히 상부로부터 비파괴적으로 분리될 수 있다. 이는 하부의 빠르고 쉬운 교체를 가능하게 하며, 장치의 어셈블리 동안 정렬 프로세스를 지원한다.
장치의 다른 구현 형태에서, 하부가 탈거될 때, 하부는 단순히 상부에 접근함으로써 재부착될 수 있다.
하부와 상부를 서로를 향해 단순히 접금시켜 하부를 재부착 가능하게 함으로써, 장치의 어셈블리 동안 정렬 프로세스가 특히 구현하기가 쉬워진다.
장치의 다른 바람직한 실시 형태에서, 장치는 하부가 탈거될 때 출구 개구와 유체 제트의 정렬 프로세스를 수행하도록 구성된다.
이는 장치가 정렬 모드를 가지며, 이는 하부가 분리된 상태에서 장치의 작동을 허용한다. 이 정렬 모드에서, 장치는 유체 제트를 제공하고 레이저 빔을 유체 제트에 결합한 다음, 바람직하게는 수평면에서 유체 제트 및 출구 개구의 사전 정렬을 위해 레이저 빔 모니터링을 이용한다. 특히, 장치는 하나 이상의 레이저 빔 반사 패턴을 모니터링함으로써 유체 제트의 상태를 결정하도록 구성될 수 있으며, 유체 제트가 일부 기계 부품과 충돌할 때 패턴이 변한다. 이는 유체 제트를 적어도 이 출구 개구 내에서 대략적으로 정렬시키기 위해 유체 제트가 하부의 출구 개구의 모서리와 충돌할 때를 결정하는데 사용될 수 있다.
장치의 다른 바람직한 구현 형태에서, 적어도 출구 개구를 포함하는 하부의 출구 노즐은 경질 재료, 바람직하게는 사파이어, 텅스텐 카바이드 또는 다이아몬드로 만들어진다.
출구 개구는 장치의 의도적 사용 전에 레이저 빔에 의해 천공되지 않기 때문에 미리 제조될 수 있고 경질의 재료로 제조될 수 있다. 따라서, 하부의 출구 개구는, 영구적으로, 즉 장치가 작동될 때 레이저 빔 상호작용으로 인해 그 형상 및/또는 치수가 변하지 않도록 만들어 질 수 있다. 따라서, 동축 정렬이 연장된 시간 범위에 걸쳐 유지되며, 이는 특히 효율 및 안정성 측면에서 개선된 기계 가공 공정으로 이어진다.
장치의 다른 바람직한 구현 형태에서, 출구 개구의 직경은 유체 제트의 직경의 1-6 배 사이, 바람직하게는 1-3 배 사이이다.
따라서, 출구 개구는 유체 제트를 밀접하게 가이드할 수 있고, 유체 제트는 우선적으로 가스층으로 둘러싸여 있다. 따라서, 유체가 공작물로부터 장치 내로 역류할 수 있는 불필요한 공간이 생성되지 않는다. 작은 출구 개구 직경은 장치가 어셈블리되는 특정 방법 때문에 가능하다.
장치의 다른 바람직한 구현 형태에서, 인터페이스 유닛은 자기소자를 포함하고, 하부는 상기 자기소자에 의해 상부에 자기적으로 부착된다.
적어도 하나의 자기소자는 하부가 상부에 어셈블리되는 절차를 용이하게 하고 따라서 유체 제트 및 출구 개구의 정렬 프로세스를 지지한다.
장치의 다른 바람직한 구현 형태에서, 인터페이스 유닛은 기계 요소, 바람직하게는 스프링 소자를 포함하고, 하부는 기계 요소에 의해 상부에 기계적으로 부착된다.
인터페이스 유닛의 이러한 대안적인 구현 형태는 하부의 상부로의 어셈블리 절차, 및 유체 제트 및 출구 개구의 정렬 프로세스를 지지한다.
장치의 다른 바람직한 구현 형태에서, 상부에는 유체 제트 발생 노즐을 보유하는 노즐 홀더가 제공된다.
이는 상부가 탈착불가능한 부분인 것이 바람직하며, 이는 유체 제트 발생 노즐을 위한 안정된 시트를 제공한다. 이것은 유체 제트 생성을 보다 정확하고 안정적이게 한다.
장치의 다른 바람직한 구현 형태에서, 노즐의 유체 개구는 경질의 재료, 바람직하게는 사파이어 또는 다이아몬드로 만들어진다.
유체 제트 발생 노즐의 개구는 이들 바람직한 재료 중 하나로 만들어지기 때문에, 그 형상 및 치수는 유체 압력 및 입사 레이저 복사선을 보다 잘 견딜 수 있다. 따라서, 유체 제트 통로가 견고하게 안정화된다.
장치의 다른 바람직한 구현 형태에서, 노즐은 직경이 10 내지 200㎛인 유체 개구를 포함하고, 유체 제트는 유체 개구의 직경의 0.64 내지 0.94 배의 직경을 갖는다.
이러한 치수는 레이저 빔으로 공작물을 가공하고 유체 제트의 안정성 측면에서 이점을 제공한다.
장치의 다른 바람직한 구현 형태에서, 장치는 유체 제트가 출구 개구를 통해 출력되기 전에 유체 제트를 둘러싸는 가스를 제공하도록 구성된 가스 공급 유닛을 더 포함한다.
유체 제트를 둘러싸는 가스는 유체 제트를 안정화시키고, 따라서 유체 제트 특성 및 기계 가공 공정 효율을 개선시킨다. 밀폐 엔클로저 및 동축으로 정렬된 작은 출구 개구로 인해, 유체 제트를 안정적이게 하며, 보호 가스층에 대한 가스 소비가 상당히 감소될 수 있다.
장치의 다른 바람직한 구현 형태에서, 가스 공급 유닛은 상부를 통해 제공되는 가스 진입 개구 및 밀폐 인클로저에 의해 둘러싸인 가스 공급 챔버를 포함하고 가스를 유체 제트에 제공하도록 구성된다.
밀폐 인클로저를 통해 가스 진입 개구가 제공되지만, 인클로저의 기밀성은 영향을 받지 않는다는 점이 주목된다. 이는 장치 내부, 가스 공급 유닛 및 외부 가스 공급 유닛이 장치 작동 중에 폐쇄 시스템을 형성하는 사실에 기인한 것으로, 장치 내부와 장치를 둘러싼 대기 사이에 유체와 가스를 교환할 수 없게 한다.
장치의 다른 바람직한 구현 형태에서, 장치는 유체가 하부의 외부면, 특히 출구 개구 근처에 축적되는 것을 방지하도록 구성된 안티 플루이드 유닛(anti-fluid unit)을 더 포함한다.
안티 플루이드 유닛을 사용하면 하부의 외부면에서 유체를 제거한다. 하부의 외부면에 축적된 유체는 유체 제트 및/또는 지지 가스 흐름과 상호작용할 수 있다. 이는 유체 제트 특성에 부정적인 영향을 미치며 가공 프로세스의 효율성을 떨어 뜨린다. 따라서, 안티 플루이드 유닛의 사용은 효율 및 안정성 측면에서 가공 프로세스를 개선시킨다. 안티 플루이드 유닛은 또한 유체가 하부와의 연결부 근처에서 상부의 외부면에 축적되는 것을 방지하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 상부는 상부 커플링 바디 및 하부 커플링 너트를 포함할 수 있다. 이 경우, 안티 플루이드 유닛은 커플링 너트의 외부면에 유체가 축적되는 것을 방지하도록 구성될 수 있다.
장치의 다른 바람직한 구현 형태에서, 안티 플루이드 유닛은 유체를 하부의 외부면으로부터 멀리 운송하시키도록 구성된 유체 석션 유닛을 포함한다.
장치의 다른 바람직한 구현 형태에서, 안티 플루이드 유닛은 하부의 외부면으로부터 유체를 흡수하도록 구성된 모세관 소자를 포함한다.
장치의 다른 바람직한 구현 형태에서, 안티 플루이드 유닛은 하부의 외부면에 제공된 유체 반발 물질을 포함한다.
장치의 다른 바람직한 구현 형태에서, 안티 플루이드 유닛은 하부의 외부면을 가열하여 유체를 기화시키도록 구성된 가열 유닛을 포함한다.
안티 플루이드 유닛의 이러한 바람직한 구현 형태로, 하부의 외부면으로부터 특히 신뢰할 수 있는 유체 제거가 달성된다.
본 발명의 제 2 태양은 제 1 태양에 따른 장치 또는 제 1 태양의 임의의 구현 형태에 따른 장치를 어셈블리하는 방법으로서, 상기 방법은 하부가 탈거된 장치를 제공하는 단계; 수평면에서 유체 제트를 출구 개구와 사전 정렬하는 단계; 하부가 인터페이스 유닛에 의해 상부에 부착될 때까지 수직 방향을 따라 상부 및 하부에 접근하는 단계; 및 유체 제트와 출구 개구를 정확하게 정렬하는 단계를 포함하는 방법을 제공한다.
수평면에서의 유체 제트 및 출구 개구의 정확한 정렬은 10 ㎛ 미만, 바람직하게는 5 ㎛ 미만의 범위 내에서 동축 방향을 보장한다.
어셈블리 방법은 사전 정렬 및 정확한 정렬을 포함하는 정렬 프로세스를 포함하기 때문에, 장치의 상술한 장점이 지원된다. 예를 들어, 하부가 상부로부터 제거된 상태에서 예비 정렬이 수행되기 때문에, 정밀한 정렬 단계 동안 유체가 장치 내부에 축적될 수 없으므로, 하부에는 유체 방출 개구가 필요하지 않다. 결과적으로, 장치의 인클로저가 밀폐될 수 있다. 또한, 인클로저의 상부에 제공된 인터페이스 유닛에 의해, 상부 및 하부의 부착이 용이하게 수행될 수 있다. 이렇게하면 하부를 분리한 상태에서 사전 정렬을 수행할 수 있는데, 이는 이 대략적 정렬을 해제하지 않고도 상부에 간단히 부착할 수 있다. 또한, 이는 유체 제트 및 출구 개구의 미세 정렬을 가능하게 하여, 결과적으로 유리한 동축 배향, 즉 출구 개구 내에서의 유체 제트의 센터링을 가능하게 한다.
장치가 안티 플루이드 유닛을 포함하면, 안티 플루이드 유닛은 유체 제트와 출구 개구의 정확한 정렬 단계 후에 설치되는 것이 바람직하다.
따라서, 이렇게 어셈블리된 장치에는 밀폐 엔클로저가 제공될 수 있고, 결과적으로 상술한 바와 같은 모든 장점 및 효과로부터 이점을 얻을 수 있다. 정렬 프로세스가 간단하고 빠르게 수행될 수 있다. 정렬 프로세스는 예를 들어, 예상치 못한 오정렬이 발생하거나 세척 또는 유지 보수의 이유로 장치가 분해되는 경우에 쉽게 반복될 수 있다.
본 발명의 제 3 태양은 레이저 빔으로 공작물을 기계 가공하기 위한 장치로서, 상기 장치는: 가압 유체 제트를 생성하기 위한 노즐; 레이저 빔을 유체 제트에 결합시키도록 구성된 적어도 하나의 광학소자; 노즐 및 적어도 하나의 광학소자를 둘러싸는 밀폐 인클로저를 포함하고, 상기 밀폐 인클로저는: 인터페이스 유닛이 제공된 상부, 및 상기 인터페이스 유닛에 의해 상부에 부착되고 공작물을 향해 유체 제트를 출력하기 위한 채널을 구비하는 하부를 포함하며, 채널의 길이 대 채널의 직경의 비는 1 : 1 내지 20 : 1, 바람직하게는 5 : 1 내지 15 : 1인 장치를 제공한다.
제 3 태양의 장치는 제 1 태양의 장치에 대한 대안적인 해결방안이다. 제 3 태양의 장치는 또한 밀폐 엔클로저를 가지며, 결과적으로 제 1 태양의 장치에 대해 상술한 모든 장점 및 효과로부터 이점을 얻을 수 있다. 즉, 제 3 태양의 장치에 의해 제공되는 개선된 비산 방지의 한 가지 이유는 다시 인클로저의 기밀성(본 문서의 의미에서) 때문이다.
다른 이유는 채널 길이 대 채널 직경(폭)의 비이고, 여기서 직경은 바람직하게는 채널 길이에 걸쳐 일정하다. 채널은 인클로저의 내부에서 하부의 바깥쪽 끝으로 연장되며, 여기서 (제 1 태양의 장치의 면에서) 출구 개구를 형성한다. 비교적 긴 채널(즉, 길이 대 폭의 큰 비율)로 인해, 공작물로부터 튀는 유체 및 미립자는 장치, 특히 유체 제트가 밀폐 인클로저 내부에서 생성되는 장치의 일부로 들어갈 가능성이 적다. 실제로, 5 : 1, 10 : 1, 15 : 1 또는 심지어 20 : 1 이상의 비율은 유체 및/또는 미립자가 유체 제트 발생 노즐에 도달할 가능성이 매우 낮다.
비교적 긴 채널의 다른 결과로서, 채널의 절대 직경, 즉 또한 하부의 단부에 형성된 출구 개구의 폭이 가령 제 1 태양의 장치의 출구 개구에 비해 넓어질 수 있다. 더 넓은 채널/개구로 인해, 유체 제트의 정렬에 있어 변동(즉, 제 1 태양의 장치에서와 같이 유체 제트 및 채널/출구 개구의 동축 정렬로부터의 편차)은 스플래시 보호를 악화시키지 않고 수용될 수 있다. 이러한 완화된 정렬 요구 사항은 예를 들어, 쉽게 잡아 당겨서 쉽게 뺄 수 없도록 단단히 통상적인 방식으로 하부를 상부에 부착할 수 있게 한다. 예를 들어, 하부는 (예를 들어, 미세한 스레드에 의해) 스레드되거나 또는 상부에 나사 결합될 수 있다.
채널 직경은 바람직하게는 유체 제트가 가스로 둘러싸여 있을 때에도 유체 제트가 방해없이 하부를 통과할 수 있도록, 즉, 가스 엔벨로프가 방해받지 않도록 선택된다. 제 1 태양의 장치에서 출구 개구의 직경은 특히 제 3 태양의 장치에서 채널의 직경보다 작다.
장치의 바람직한 구현 형태에서, 하부는 상부에 부착된 부착부, 및 상기 부착부로부터 뻗어 있고 채널을 가이드하는 튜브를 포함하며, 상기 튜브의 길이 대 상기 튜브의 직경의 비 2 : 1보다 크다.
비교적 긴 튜브는 유체, 특히 물이 하부의 외부에 축적되어 채널/개구를 연결하는 것을 방지한다. 따라서, 유체가 장치 인클로저 내로 들어갈 가능성이 적다. 또한, 레이저 빔을 운반하는 유체 제트는 이러한 유체 브릿지에 의해 부정적인 영향을 받지 않는다.
장치의 다른 바람직한 구현 형태에서, 튜브의 직경 대 채널의 직경의 비는 5 : 1 미만이다.
이 비교적 좁은 튜브로 인해, 튜브의 노출된 단부면이 작고, 따라서 유체, 특히 물이 튜브 상에 축적되고/되거나 그 표면 상에 물방울을 형성하지 않을 수 있다.
장치의 다른 바람직한 구현 형태에서, 튜브의 단부는 예리한 에지를 포함한다.
예리한 에지는 유체, 특히 물의 분리를 유도하여, 유체가 채널/개구를 연결하고/하거나 장치 인클로저로 들어갈 가능성을 줄인다.
장치의 다른 바람직한 구현 형태에서, 채널의 직경은 유체 제트의 직경의 1-10 배 사이, 바람직하게는 4-10 배 사이이다.
따라서, 채널의 직경은 바람직하게는 제 1 태양의 장치에서 출구 개구의 직경보다 더 크다.
특히, 제 3 태양의 장치는 제 1 태양의 장치의 각각의 구현 형태로 설명된 바와 같이 가스 공급 유닛 및/또는 안티 플루이드 유닛을 더 구비 할 수 있다.
본 발명의 내용에 포함됨.
본 발명의 상술한 태양 및 바람직한 구현 형태는 첨부도면과 관련하여 이하의 특정 실시예의 설명에서 기술되어 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 장치를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 장치를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 장치를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 방법을 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 장치에 대한 본 발명의 일 실시예에 따른 어셈블리 방법의 제 1 단계를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 장치에 대한 본 발명의 일 실시예에 따른 어셈블리 방법의 제 2 단계를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 장치에 대한 본 발명의 일 실시예에 따른 어셈블리 방법의 제 3 단계를 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 장치에 대한 본 발명의 일 실시예에 따른 어셈블리 방법의 제 4 단계를 도시한 것이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 장치를 도시한 것이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 장치의 하부를 도시한 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 장치(100)를 도시한 것이다. 특히, 장치(100)는 레이저 빔(102)으로 공작물(101)을 기계 가공하도록 구성된다. 공작물(101)은 예를 들어 금속, 세라믹, 다이아몬드, 반도체, 탄화물, 합금, 복합재 또는 초경질 재료를 포함하는 재료로 제조될 수 있다. 공작물(101)은 특히 장치(100)의 일부가 아니다. 그러나, 공작물(101)은 장치(100)의 일부이거나 그렇지 않을 수 있는 가공면 상에 위치될 수 있다. 어느 경우에나, 장치(100)는 가공면에 배치된 공작물(101)을 가공할 수 있도록 배열될 수 있다. 장치(100)는 또한 최대 3차원으로 가공면의 이동을 제어할 수 있다.
장치는 노즐(103), 적어도 하나의 광학소자(105), 및 상부(107)와 하부(109)를 포함하는 밀폐 인클로저(106)를 포함한다. 밀폐 인클로저(106)는 노즐(103) 및 적어도 하나의 광학소자(105)를 둘러싼다. 밀폐 인클로저(106)는 또한 장치(100)의 추가 유닛 및 부품을 둘러쌀 수 있다.
유체 제트 발생 노즐(103)은 가압 유체 제트(104)를 발생 시키도록 구성된다. 가압 유체 제트(104)는 장치(100)에 의해 공작물(101) 상에 제공된다. 적어도 하나의 광학소자(105)는 특히 유체 제트 발생 노즐 개구를 통해 그리고 공작물(101)을 향해 레이저 빔(102)을 유체에 결합시키도록 구성된다. 적어도 하나의 광학소자(105)는 예를 들어 하나 이상의 렌즈, 렌즈 어셈블리, 광가이드 광학계, 빔 스플리터, 미러, 필터, 또는 편광기를 포함할 수 있다. 노즐(103) 및 적어도 하나의 광학소자(105)는, 광학소자(105)와 유체의 접촉을 방지하기 위해, 예를 들어 광학 윈도우에 의해 분리될 수 있다.
레이저 빔(102)은 원칙적으로 광섬유에서 가이드되는 것처럼 바람직하게는 얇은 (즉, μm 범위의 직경을 갖는) 유체 제트(104)에 의해 가이드된다. 레이저 빔(102)은 공작물(101)을 향하여 공작물(101) 상으로 향하고, 따라서 공작물(101)을 정밀하게 기계 가공하는데 사용될 수 있는 한편, 유체 제트(104)는 공작물(101)을 지속적으로 냉각시키고 파편을 잠재적으로 제거한다. 예를 들어, 장치(100)는 구체적으로 공작물(101)을 정확하게 절단 또는 성형하도록 구성될 수 있다.
레이저 빔(102)은 펄스 또는 연속 레이저 빔(102)일 수 있다. 레이저 빔(102)은 장치(100)의 일부일 수 있거나 외부에 있을 수 있지만 레이저 빔(102)을 장치(100)의 레이저 공급 포트에 결합시킬 수 있는 레이저에 의해 제공된다. 레이저 빔(102)은 가시광일 수 있으며, 바람직하게는 녹색 스펙트럼으로부터 온다. 예를 들어, 레이저 빔(102)은 355 nm 내지 1064 nm, 바람직하게는 515 nm 또는 532 nm 범위의 파장을 가질 수 있다.
밀폐 인클로저(106)의 상부(107)에는 인터페이스 유닛(108)이 제공된다. 인터페이스 유닛(108)은 상부(107)의 일부일 수 있거나 또는 상부(107)에 연결될 수 있다. 상부(107) 및 인터페이스 유닛(108) 또한 일체로 형성될 수 있다. 대안이지만 덜 바람직한 구현 형태에서, 인터페이스 유닛(108)은 상부(107) 대신 하부(109)에 제공될 수 있다. 인터페이스 유닛(108)에 의해, 하부(109)는 상부(107)에 탈착식으로 부착된다. 즉, 하부(109)는 실제로 인터페이스 유닛(108)에 의해 부착된 상태로 유지되지만, 상부(107)와 접촉한다는 점에서 상부(107)에도 부착되어 이들이 밀폐 인클로저(106)를 함께 형성한다.
하부(109)는 유체 제트(104)를 공작물(101)를 향해 출력하기 위한 출구 개구(110)를 갖는다. 도 1에 도시된 바와 같이, 출구 개구(110)는 하부(109)을 통해 뻗어있는 채널에 의해 하부(109)의 단부에 형성될 수 있다. 즉, 하부(109)의 외측 단부에서의 출구 개구(110)의 직경이 하부(109) 내의 이 채널의 직경과 동일하다 그러나, 출구 개구(110)는 또한 하부(109)의 전용부, 예를 들어, 하부(109)에 있는 이러한 채널보다 더 작은 직경으로 형성될 수 있다. 적어도 하부(109)의 출구 개구(110), 즉 출구 개구(110)를 형성하는 하부(109)의 적어도 일부는 바람직하게는 사파이어, 텅스텐 카바이드 또는 다이아몬드와 같은 경질 재료로 제조된다. 그러나, 하부(109) 전체가 그러한 경질 재료로 만들어질 수도 있다. 이 재료는 유체 및 가스와 관련하여 밀폐되어 있다. 그러나, 하부(109)의 일부가 다른 재료로 만들어 지더라도, 이 재료는 (출구 개구(110)를 통한 교환 이외의) 장치(100)의 내부와 주위 대기 사이에서 유체와 가스의 교환을 방지하기 위해 유체와 가스에 대해 기밀성이 있다. 상부(107)의 재료에 대해서도 마찬가지이다. 상부(107)는 예를 들어 금속 또는 경질 플라스틱으로 제조될 수 있다. 물론 하부(109)와 상부(107)를 동일한 재료로 만드는 것도 가능하다.
출구 개구(110) 및 유체 제트(104)는 동축으로 정렬되는데, 즉 유체 제트(104)는 출구 개구(110) 내에 중심에 있다. 이에 의해, 출구 개구(110)는 바람직하게는 유체 제트(104)를 둘러싸는 직경을 갖는다. 특히, 출구 개구(110)의 직경은 바람직하게는 유체 제트(104)의 직경의 1-6 배, 보다 바람직하게는 1-3 배 사이이다. 유체 제트(104)의 직경은 노즐(103)에 의해 결정된다. 노즐(103)은 바람직하게는 직경이 10 내지 200 ㎛ 인 개구를 가지며, 유체 제트(104)는 바람직하게는 노즐 개구 직경의 0.64 내지 0.94 배의 직경을 갖는다.
도 2는 도 1에 도시된 장치(100) 상에 구축된 본 발명의 실시예에 따른 장치(200)를 도시한 것이다. 도 2 및 도 1에서 동일한 요소는 동일한 참조부호가 붙어지고 동일한 기능을 한다. 따라서, 도 2의 장치(200)는 상술한 유체 제트 발생 노즐(103) 및 레이저 빔(102)을 가이드하는 가압 유체 제트(104)를 제공하도록 구성된 적어도 하나의 광학소자(105)를 다시 포함한다. 또한, 장치(200)는 인터페이스 유닛(108)에 의해 다른 부분에 탈착식으로 부착되는 상부(107) 및 하부(109)로 구성되는 상술한 밀폐 인클로저(106)를 다시 갖는다. 도 2에 도시된 바와 같이, 인터페이스 유닛(108)은 유체 제트(104)를 둘러싸도록 형성될 수 있다. 인터페이스 유닛(108)은 단일 부분 또는 다수의 부분으로 구성될 수 있고, 상부(107)에 부착되거나 그 일부일 수 있다.
도 2에서, 상부(107)는 두 부분, 즉 커플링 바디(107b)와 커플링 너트(107a)를 포함하는 것으로 도시되어 있다. 커플링 너트(107a)는 커플링 바디(107b)에 탈착식으로 부착될 수 있다. 커플링 바디(107b)와 너트(107a) 사이의 인터페이스는 O-링, 그리스가 칠해진 판 대 판 접촉, 또는 울트라 판 대 판 접촉에 의해 기밀로 만들어질 수 있다. 커플링 너트(107a)는 바람직하게는 인터페이스 유닛(108)을 포함하거나 인터페이스 유닛을 형성한다. 따라서, 하부(109)는 인터페이스 유닛(108)에 의해 커플링 너트(107a)에 탈착식으로 부착된다.
또한 도 2에서, 상부(107) 및 하부(109)는 기밀 유닛(207)을 형성하도록, 즉 기밀 방식으로 다른 것에 부착되도록 인터페이스 유닛(108)에 의해 부착된다. 밀폐 인터페이스(207)는 특히 커플링 너트(107a)와 하부(109) 사이에 형성된다. 바람직하게는, 밀폐 인터페이스(207)는 상부(107), 특히 커플링 너트와 하부(109)사이에 제공된 V-링, 바람직하게는 고무 V-링에 의해 형성된다. 대안으로, 밀폐 인터페이스(207)는 상부(107)의 적어도 일부, 구체적으로 커플링 너트(107a) 및 하부(109)의 그리스 칠해진 판 대 판 접촉에 의해 또는 울트라 판 대 판 접촉에 의해 형성된다. 이로써, 울트라 판 대 판 접촉은 하부(109)와 상부(107)의 연결 영역, 특히 커플링 너트(107a)의 평균 표면 거칠기가 각각 0.1㎛ 이하, 바람직하게는 0.05㎛ 이하임을 의미한다.
또한 도 2에 도시된 바와 같이, 하부(109)는 출구 개구(110)가 제공되는 전용 출구 노즐(208)을 가질 수 있다. 이에 의해 출구 노즐(208)은 하부(109)와 일체로 형성될 수 있다. 즉, 동일한 재료로 제조될 수 있다. 그러나, 바람직하게는 하부(109)의 나머지와는 다른 재료(보다 바람직하게는 경질 재료)로 만들어진다. 바람직하게는, 노즐(208) 및 이에 따라 개구(110)는 사파이어, 텅스텐 카바이드 또는 다이아몬드와 같은 단단하고 내구성 있는 재료로 형성된다. 이러한 방식으로, 출구 개구(110)는 정확하고 안정적인 형상 및 직경을 제공할 수 있다. 인클로저(106)의 내부로부터 하부(109)을 통해 뻗어 있는 채널(211)이 형성될 수 있으며, 이 채널(211)은 하부(109)의 외측 단부에 제공된 출구 개구(110), 여기서는 출구 노즐(208)에서 또는 출구 노즐로 끝날 수 있다. 하부(109)에서의 채널(211)의 직경은 하부(109)의 단부에서의 출구 개구(110)의 직경보다 클 수 있다.
도 2는 또한 장치(200)가 유체 공급 유닛(203, 204)을 포함할 수 있음을 도시한 것이다. 유체 공급 유닛(203, 204)은 유체 공급 챔버(203)를 포함할 수 있으며, 예를 들어 상부(107)를 통해 제공된 유체 개구를 통한 외부 유체 공급에 의해 유체가 유체 공급 챔버에 공급될 수 있다. 유체 공급 유닛(203, 204)은 공급된 유체가 유체 제트 생성 노즐(103)의 유체 진입 개구(201)로 들어가기 전에 가압된 유체 제트(104)로 들어가기 전에 공급된 유체를 가속시키기 위한 유체 가속 챔버(204)를 포함하므로, 가압된 유체 제트(104)가 형성될 수 있다. 특히, 장치(200)의 사용에서, 외부 유체 공급부는 유체 공급 챔버(203) 및 유체 가속 챔버(204)와 폐쇄 회로를 형성하여, 인클로저(106)가 유체 개구에 의해서도 이 문서의 의미에서 밀폐된다. 유체 공급 챔버(204)에 공급되는 유체는 바람직하게는 물이다. 유체 가속 챔버(204)는 유체를 충분히 가속시키기 위해 바람직하게는 1mm 미만, 보다 바람직하게는 0.5mm 미만의 높이를 갖는 편평한 디스크 형상을 갖는다. 가압 유체 제트(104)를 발생시키기 위한 노즐(103)의 유체 진입 개구(201)는 바람직하게는 10 내지 200 ㎛의 직경을 갖는다.
도 2는 또한 장치(200)의 일부일 수 있고 노즐(103)을 유지하도록 구성된 노즐 홀더(202)를 도시한 것이다. 노즐 홀더(202)는 바람직하게는 밀폐 인클로저(106)의 상부(107)에 연결되고, 심지어는 상부(107)의 일부일 수 있다. 바람직하게는, 노즐 홀더(202)는 상부(107)의 커플링 바디(107b)에 의해 둘러싸인다. 즉, 커플링 바디(107b)에 삽입된다. 거기에서, 커플링 바디(107b)에 부착된 커플링 너트(107a)에 의해 적소에 (바람직하게는 아래로부터) 유지될 수 있다. 즉, 노즐 홀더(202)는 커플링 바디(107b)와 너트(107a) 사이에 고정될 수 있다. 노즐 홀더(202)는 바람직하게는 금속으로 만들어진다. 노즐 홀더(202)는 바람직하게는 공간(210)이 장치(200) 내에 형성되도록 형성된다. 유체 제트(104)는 노즐(103)의 유체 진입 개구(201)에 의해 생성된 후 이 공간(210)을 통해 이동한다. 유체 제트(104)에 가스를 제공하기 위해 공간(210)이 유리하게 사용될 수 있고, 이 가스는 유체 제트(104) 주위에 안정화 가스층을 생성할 수 있다. 공간(210)의 형상은 유체 제트(104)의 유리한 안정화 효과를 제공하도록 구성된다.
이러한 엔벨로핑 가스층을 생성하기 위해, 도 2에 도시된 바와 같이, 장치(200)는 가스를 공간(210) 및 유체 제트(104)에 제공하도록 구성된 가스 공급 챔버(205)를 더 포함할 수 있다. 그 후 가스는 유체 제트(104)가 출구 개구(110)를 통해 출력되기 전에 유체 제트(104)를 둘러싼다. 가스 공급 챔버(205)와 공간(210)은 가스 공급 유닛을 형성하며, 가스 공급 챔버(205)는 공간(210)으로 이어지는 개구(206)를 갖는다. 가스 공급 유닛은 밀폐 인클로저(106)의 상부(107)를 통해, 특히 커플링 바디(107b)를 통해, 제공되고 밀폐 인클로저(106)에 의해 둘러싸인 장치(200)의 가스 공급 챔버(205)로 유도되는 가스 유입 개구를 더 포함할 수 있다. 특히, 유체 공급 유닛(203, 204)에 대해 상술한 것과 동일한 방식으로, 가스는 장치(200)를 사용하는 가스 공급 유닛(205, 210)과 폐쇄 가스 회로를 형성하는 외부 가스 공급부에 의해 공급되고, 따라서 장치(200)의 내부와 장치(200)를 둘러싸는 대기 사이에서 가스의 교환을 허용하지 않는다. 따라서, 밀폐 엔클로저(106)의 기밀성은 가스 진입 개구에 의해 영향을받지 않는다. 바람직하게는, 가스 진입 개구를 통해 가스 공급 챔버(205)에 공급되는 가스는 헬륨이다. 출구 개구(110)로부터 배출되기 전에 공간(210) 내에 유체 제트(104)를 둘러싸는 헬륨은 유체 제트(104)를 안정화시키는 것을 돕는다.
도 2는 또한 장치(200)가 상기 장치(200)의 영역으로부터 유체 생성 노즐(103)을 분리하는 광학 윈도우(209)을 포함할 수 있으며, 그로부터 특히 적어도 하나의 광학소자(105)가 위치하는 곳에(도 2에 미도시됨) 레이저 빔(102)이 발생한다. 바람직하게는 광학 윈도우(209)는 용융 실리카로 만들어진다. 또한, 광학 윈도우(209)는 노즐 홀더(202) 및 유체 가속 챔버(204) 위에 배치되는 것이 바람직하다.
또한, 도 2는 장치(200)가 완전히 어셈블리될 때 인터페이스 유닛(108)이 주로 하부(109)를 적소에 보유하는 것을 책임지고, 하부(109)가 상부(107), 특히 커플링 너트(107a)에 기밀 인터페이스(207)를 형성함으로써 부착된다. 상부(107) 자체는 바람직하게는 하부(109)에 어떠한 유지력도 가하지 않는다.
도 3은 도 1에 도시된 장치(100) 및 도 2에 도시된 장치(200) 상에 구축된 본 발명의 실시예에 따른 장치(300)를 도시한 것이다. 도 3 및 도 1 및/또는 도 2에 동일한 요소는 동일한 참조부호가 붙어지고 동일한 기능을 한다. 즉, 장치(300)는 상술한 노즐(103), 적어도 하나의 광학소자(105) 및 바람직하게는 인터페이스 유닛(108)과 함께 도 2에 도시된 바와 같이 커플링 바디(107b)와 커플링 너트(107a)로 분할된 상부(107)를 포함하는 밀폐 인클로저(106)를 다시 포함하며, 출구 개구(110)를 갖는 하부(109)를 포함한다.
특히, 도 3은 장치(300)에 안티 플루이드 요소(301)가 추가로 제공될 수 있고, 이는 유체가 하부(109)의 외부면 및 선택적으로 커플링 너트(107a)의 외부면에 축적되는 것을 방지하도록 구성된다. 특히, 안티 플루이드 유닛(301)은 유체가 출구 개구(110) 근처, 특히 출구 노즐(208) 상에 또는 심지어 하부(109)의 출구 개구(110) 내에 축적되는 것을 방지한다. 따라서, 안티 플루이드 유닛(301)은 외부 유체 축적을 방지하기 위한 것이며, 바람직하게는 상부(107), 특히 커플링 너트(107a)에 부착된다.
바람직하게는, 안티 플루이드 유닛은 유체 석션 유닛으로서, 하부(109)의 외부면으로부터 유체를 흡수하도록 구성된다. 이러한 석션 유닛은 예를 들어 음압을 만드는 진공 시스템 또는 모듈에 의해 실현될 수 있다. 유체 석션 유닛은 하부(109)의 외부면으로부터 유체를 흡입하도록 구성된다. 대안으로, 안티 플루이드 유닛(301)은 하부(109)의 외부면으로부터 유체를 흡수하도록 구성된 모세관 요소 일 수 있다. 특히 이러한 모세관 요소는 어떤 종류의 모세관 개구 또는 미세 구조를 가지며, 유체가 하부(109)의 외부면에 축적되기 시작할 때 모세관 효과에 의해 유체가 모세관으로 끌어 당겨진다. 모세관 요소는 유체를 흡수할 수 있는 스폰지형 또는 스펀지일 수 있다. 대안으로, 안티 플루이드 유닛(301)은 예를 들어 층 또는 페인팅으로서 하부(109)의 외부면 상에 제공된 유체 발수성 재료를 포함할 수 있다. 발수제는 예를 들어 유체가 달라 붙을 수 없기 때문에 하부(109)의 외면에 유체가 축적되는 것을 방지할 수 있다. 마지막으로, 안티 플루이드 유닛(301)은 또한 하부(109)의 외부면을 가열하도록 구성된 가열 유닛을 포함할 수 있고, 따라서 하부(109)의 외부면 상에 축적되는 유체의 증발을 야기한다. 본 명세서에서, 유체는 바람지하게는 물이어서 안티 플루이드 유닛(301)은 각각의 경우 하부(109)의 외부면으로부터 물을 흡수 또는 제거하도록 특히 형성될 수 있음이 주목된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 방법(400)을 도시한 것이다. 방법(400)은 특히 이전 도면에 도시된 장치(100, 200 또는 300)의 적어도 일부를 어셈블리하기 위한 것이다. 특히, 방법(400)은 적어도 하부(109)를 상부(107)에 어셈블리하는 절차에 관한 것이다. 어셈블리 절차는 정렬 프로세스를 포함한다. 방법(400)은 특히 하부(109)가 제거된 장치(100, 200, 300)를 제공하는 제 1 단계(401)를 포함한다. 예를 들어, 장치(100, 200, 300)의 최초의 완전한 어셈블리 전에, 하부(109)를 제외한 모든 부품이 어셈블리될 수 있다. 또는 장치(100, 200, 300)가 이미 어셈블리된 후, 하부(109)가 제거될 수 있고, 장치(100, 200, 300)는 다시 어셈블리될 수 있다. 방법(400)은 또한 출구 개구(110)와 유체 제트(104)를 수평면에 미리 정렬시키는 제 2 단계(402)를 포함한다. 수평면은 수직 방향에 직각인 면에 의해 정의되며, 여기서 수직 방향은 유체 생성 노즐(103), 특히 노즐(103)의 유체 진입 개구(201)에 의해 생성될 때(직선) 유체 제트(104)의 방향에 의해 정의된다. 방법(400)은 인터페이스 유닛(108)에 의해 하부(109)가 상부(107)에 부착될 때까지 수직 방향을 따라 상부(107) 및 하부에 접근하는 단계(403)를 더 포함한다. 이로써, 하부(109)가 상부(107)을 향해 이동될 수 있거나, 상부(107)가 하부(109)을 향해 이동될 수 있거나, 양 부분들(107 및 109)이 다른쪽으로 이동될 수 있다. 마지막으로, 방법(400)은 유체 제트(104)와 출구 개구(110)를 정밀하게 정렬하는 단계(404)를 포함한다. 이 미세 정렬 단계(404)는 하부(109)를 수평면에서 이동시킴으로써 수행될 수 있다. 유체 제트(104)와 출구 개구(110)를 정확하게 정렬함으로써, 그들의 동축 정렬이 보장될 수 있다. 그러나, 수평면에서 하부(109)의 일부만, 예를 들어, 출구 개구(110)를 갖는 출구 노즐(208)만을 이동시키는 것도 가능하다.이를 위해, 출구 노즐(208)은 하부(109)의 나머지에 대해 적어도 수평면으로 움직일 수 있다
도 5-8은 각각 도 2에 도시된 장치(200)를 사용하는 예시에서 도 4의 방법(400)의 단계 401-404를 도시한 것이다. 즉, 상부(107)는 커플링 바디(107b)와 커플링 너트(107a)로 분할된다. 안티 플루이드 유닛(301)이 후속 단계에서 설치되는 경우, 동일한 방법(400)이 물론 도 1에 도시된 장치(100) 또는 도 3에 도시된 장치(300)로 가능하다.
특히, 도 5는 방법(400)의 제 1 단계(401)를 도시한 것으로, 여기서 하부(109)가 상부(107)로부터 제거되어 제공된다. 이는 하부(109)를 어셈블리하지 않음으로써 (장치의 나머지 부분을 처음으로 어셈블리한 후) 달성될 수 있으나, 도 5에 도시된 바와 같이 상부(107)로부터 수직 방향(z 방향)을 따라 비교적 멀리 하부(109)를 이동시킴으로써 달성될 수 있다. 예를 들어, 하부(109)는 분리하기 위해 상부(107), 구체적으로 커플링 너트(107a)로부터 간단히 당겨질 수 있다.
도 6은 방법(400)의 제 2 단계(402)를 도시한 것이다. 특히, 유체 제트(104)와 출구 개구(110)의 대략적인 정렬이 여기서 수평면(x 및 y 방향)에서 수행되어, 사전 정렬 단계(402)의 미자막에서, 유체 제트(104)가 적어도 출구 개구(110)의 에지에 영향을 미치지 않으면서 출구 개구(110)를 통과한다. 그러나, 유체 제트(104) 및 출구 개구(110)는 반드시 동축으로 정렬될 필요는 없다.
도 7은 방법(400)의 제 3 단계(403)를 도시한 것으로, 여기서 하부(109)와 상부(107)는 수직 방향(z-방향)을 따라 모인다. 따라서, 하부(109)는 인터페이스 유닛(108)에 의해 상부(107), 구체적으로 커플링 너트(107a)에 부착된다. 유체 제트(104) 및 출구 개구(110)는 유체가 출구 개구(110)를 통과하도록 수평면에서 이미 대략 정렬되어 있기 때문에, 개구(200)에 유체가 축적되는 것이 방지될 수 있다. 이 부착 단계(403)에서 밀폐 인클로저(106)가 형성된다.
도 8은 방법(400)의 제 4 단계(404)를 도시한 것으로, 최종적으로 유체 제트(104)와 출구 개구(110)의 미세 정렬이 수행된다. 특히, 이들은 동축으로 정렬될 때까지 수평면(x 및 y 방향)에서 더 정렬된다. 밀폐 인클로저(106)는 이 미세 정렬 단계(404)에 의해 영향을 받지 않는다.
본 발명의 의미에서 동축 정렬이 달성되는 것은 예를 들어, 광 디커플링의 양에 기초하여 잘 감지될 수 있다. 이미 유체 제트(104)와 출구 개구(110)의 약간의 오정렬에 대해, 불규칙한 광 디커플링이 관찰될 수 있다. 더 큰 오정렬에 대해, 영구적인 디커플링이 관찰된다. 이 광 디커플링은 공작물(101)(또는 공작물(101) 대신에 사용되는 전용 교정면)에서 레이저 빔(102)에 의해 생성되는 특정 광 패턴으로서 감지될 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 장치(900)를 도시한 것이다. 장치(900)는 도 1에 도시된 장치와 공통 요소를 갖는다. 도 9 및 도 1의 동일한 요소는 동일한 참조 부호가 붙어 있으며 동일한 기능을 한다. 따라서, 도 1의 장치(900)는 가압 유체 제트(104)를 생성하기 위한 노즐(103), 레이저 빔(102)을 유체 제트(104)로 결합시키기 위한 적어도 하나의 광학소자(105), 및 노즐(103) 및 광학소자(105)를 둘러싸는 밀폐 인클로저(106)를 포함한다. 밀폐 인클로저(106)는 상부(107), 인터페이스 유닛(108) 및 하부(901)를 포함한다.
도 1의 장치(100)와 도 9의 장치(900)의 차이점은 하부(901)에 있다. 하부(901)는 인터페이스 유닛(108)을 통해 상부(107)에 부착되고, 바람직하게는 상부에 고정적으로 부착된다. 또한, 유체 제트(104)를 출력하기 위한 채널(902)을 갖는다. 채널(902)은 하부(901) 내에 형성된다. 즉, 하부(901)를 통해 뻗어 있고, 하부(901)의 외측 단부에서 출구 개구를 형성한다. 채널(902)은 하부(109) 내에 직경, 바람직하게는 일정한 직경을 가지며, 하부(901)의 외측 단부에 형성된 출구 개구는 그 단부에 채널의 직경을 갖는다. 채널(902)의 길이 대 채널의 직경, 바람직하게는 채널의 일정한 직경, 또는 출구 개구에서 채널의 평균 직경 또는 채널의 직경의 비는 1 : 1 내지 20 : 1 사이고(즉, 채널이 폭보다 20 배 더 길고), 바람직하게는 5 : 1 내지 15 : 1이다.
도 1의 장치(100)에 비해, 채널(902)은 채널/출구 개구(110)보다 길다. 이는 장치(100)의 적어도 출구 개구(110)의 직경에 비해 채널(902)의 더 큰 직경을 허용하기 위한 것이다. 도 2의 장치(200)에 비해, 채널(902)은 노즐(208)에서 하부(109) 및 출구 개구(110)를 통한 채널(211)의 길이보다 길다.
도 10은 도 9의 장치(900) 상에 구축된 본 발명의 실시예에 따른 이러한 장치(900)의 하부(901)의 예를 도시한 것이다. 도 10에 도시된 하부(901)는 하부(901)를 인클로저(106)의 상부(107)에 부착하기에 적합한 부착부(1000)를 포함한다. 특히, 2개의 화살표(즉, 부착부(1000)의 상부면 또는 측면)로 도 10에 도시된 일면 또는 양면이 특히 인터페이스 유닛(108)에 그리고 이에 따라 상부(107)에 고정(가령, 스레드, 나사고정, 접착, 또는 리벳)될 수 있다. 또한, 하부(901)는 부착 부(1000)로부터, 특히 부착부(1000)의 바닥면에 수직인 각도로 뻗어 있고 채널(902)을 가이드하는 튜브(1001)를 포함한다. 즉, 채널(902)은 튜브(1001)를 통해 연장되고, 상기 튜브(1001)는 채널(902)의 적어도 일부를 포함한다.
하부(901)에는 유리한 치수, 특히 유리한 종횡비, 즉 (하부(901)의 길이에 해당하는) 채널(902)의 길이(Li) 대 채널(902)의 직경(ID)에 대한 비가 20 내지 1의 범위(즉, 20 : 1 내지 1 : 1)에 있다. 튜브(1001)의 직경(OD) 대 채널(902)의 직경(ID)의 비는 5 미만(즉, 5 : 1 미만)이다. 튜브(1001)의 길이(LO) 대 튜브(1001)의 직경(OD)의 비는 2 이상(즉, 2 : 1 이상)이다. 채널(902)의 직경(ID) 대 유체 제트(104)의 직경의 비는 1 내지 10(즉, 1 : 1 내지 10 : 1), 바람직하게는 4 내지 10의 범위에 있다.
도 10은 또한 튜브(1001)의 단부(즉, 상부(109)에 부착되지 않고 상부로부터 멀리 대면하는, 즉, 기계 가공하는 동안 공작물(101)를 향하는 외측단)이 공작물(101)로부터 되튀고 하부(901)의 외부면 상에 쌓이는 유체를 분리하도록 기능하는 하나 이상의 예리한 에지를 갖는 것을 도시한 것이다.
요약하면, 본 발명은 유체 제트(104)에 결합된 레이저 빔(102)으로 공작물(101)을 보다 효율적이고 안정적으로 가공할 수 있는 장치(100, 200, 300 및 900) 및 장치(100, 200 및 300)용의 어셈블리 방법(400)을 제공한다. 특히, 밀폐 엔클로저(106)에 의해 제공되는 개선된 스플래시 방지로 인해, 유체 제트(104)의 안정성이 공작물(101)를 기계 가공할 때 개선된다.
본 발명은 구현 형태뿐만 아니라 다양한 실시예와 결부하여 설명되었다. 그러나, 다른 변형도 도면, 명세서 및 독립 청구항으로부터의 연구로 당업자에 의해 이해되고 청구 발명을 실시할 수 있다. 청구범위 및 상세한 설명에서, "포함하는"이라는 용어는 다른 요소 또는 단계를 배제하지 않으며, 부정 관사 "a" 또는 "an"은 복수를 배제하지 않는다. 단일 요소 또는 다른 유닛은 청구 범위에 인용된 여러 엔티티 또는 항목의 기능을 수행할 수 있다. 특정 수단들이 서로 다른 종속 들에서 인용된다는 사실은 이러한 수단들의 조합이 유리한 구현에 사용될 수 없다는 것을 나타내지 않는다.

Claims (17)

  1. 레이저 빔(102)으로 공작물(101)을 기계가공하기 위한 장치(100, 200, 300)로서, 상기 장치(100, 200, 300)는:
    가압 유체 제트(104)를 생성하기 위한 노즐(103);
    레이저 빔(102)을 유체 제트(104)에 결합시키도록 구성된 적어도 하나의 광학소자(105); 및
    노즐(103) 및 적어도 하나의 광학소자(105)를 둘러싸는 밀폐 인클로저(106)를 포함하고, 상기 밀폐 인클로저(106)는:
    인터페이스 유닛(108)이 제공된 상부(107), 및
    상기 인터페이스 유닛(108)에 의해 상부(107)에 탈착되고 공작물(101)을 향해 유체 제트(104)를 출력하기 위한 출구 개구(110)를 구비하는 하부(109)를 포함하며,
    상기 하부(109)가 상부(107)에 부착되면, 상기 출구 개구(110) 및 유체 제트(104)는 동축으로 정렬되고,
    상기 하부(109)가 상부(107)로부터 탈거되면:
    - 수평면에서 유체 제트(104)를 출구 개구(110)와 사전 정렬하는 단계(402);
    - 하부(109)가 인터페이스 유닛(108)에 의해 상부(107)에 부착될 때까지 수직 방향을 따라 상부(107) 및 하부(109)에 접근하는 단계(403); 및
    - 유체 제트(104)와 출구 개구(110)를 정확하게 정렬하는 단계(404); 에 의해, 출구 개구(110)와 유체 제트(104)의 정렬 프로세스(400)가 수행되도록 구성되는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상부(107)와 하부(109) 사이의 밀폐 인터페이스(207)는 고무 V-링, 그리스(grease)가 도포된 판 대 판 접촉, 또는 울트라 판 대 판 접촉에 의해 형성되고,
    상기 울트라 판 대 판 접촉은 하부(109)와 상부(107)의 연결 영역의 평균 표면 거칠기가 각각 0.1㎛ 이하인 것인 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    하부(109)는 상부(107)로부터 떼어냄으로써 쉽게 탈거될 수 있는 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    하부(109)가 탈거될 때, 상기 하부(109)는 단순히 상부(109)에 접근함으로써 재부착 가능한 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    출구 개구(110)의 직경은 유체 제트(104) 직경의 1-3배 사이인 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    인터페이스 유닛(108)은 자기소자를 포함하고,
    하부(109)는 자기소자에 의해 상부(107)에 자기적으로 부착되는 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    인터페이스 유닛(108)은 기계 요소를 포함하고,
    하부(109)는 상기 기계 요소에 의해 상부(107)에 기계적으로 부착되는 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    출구 개구(110)를 통해 유체 제트(104)가 출력되기 전에 유체 제트(104)를 둘러싸는 가스를 제공하도록 구성된 가스 공급 유닛(205, 210)을 더 포함하고,
    상기 가스 공급 유닛(205, 210)은 상부(107)를 통해 제공되는 가스 진입 개구(205) 및 밀폐 인클로저(106)에 의해 둘러싸이고 유체 제트(104)로 가스를 공급하도록 구성된 가스 공급 챔버(210)를 포함하는 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 장치(100, 200, 300)를 어셈블리하는 방법(400)으로서,
    하부(109)가 탈거된 장치(100)를 제공하는 단계(401);
    수평면에서 유체 제트(104)를 출구 개구(110)와 사전 정렬하는 단계(402);
    하부(109)가 인터페이스 유닛(108)에 의해 상부(107)에 부착될 때까지 수직 방향을 따라 상부(107) 및 하부(109)에 접근하는 단계(403); 및
    유체 제트(104)와 출구 개구(110)를 정확하게 정렬하는 단계(404)를 포함하는 방법.
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