WO2015197746A2 - Laserbearbeitungsanlage und überwachungsverfahren der laserbearbeitungsanlage - Google Patents

Laserbearbeitungsanlage und überwachungsverfahren der laserbearbeitungsanlage Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a laser processing system for processing a workpiece with a laser beam. Furthermore, the invention relates to a monitoring method of a laser processing system for protecting an operator from laser radiation.
  • lasers for material processing are designed so that they have very low absorption losses in the surrounding atmosphere (ambient air).
  • the low absorption losses in the atmosphere are required for the free jet transmission of C0 2 lasers as well as for open, ie air-filled, solid-state laser resonators of eg disk lasers and bar lasers or the open laser construction of diode lasers.
  • a monolithic fiber laser English: All-fiber fiber laser
  • the laser beam at least during the focusing and before hitting the workpiece surface in the free jet.
  • JP 04-251690 A it is known to spray a liquid mist on the processing point in a laser processing machine in order to absorb reflected laser radiation. Furthermore, it is known from JP 60-216597 A, when using a C0 2 laser to fill a region between a processing head and an object to be protected with a gas that absorbs the laser radiation.
  • a laser processing system for processing a workpiece with a laser beam comprises a laser system and a workpiece storage unit.
  • the laser system is configured to provide a laser beam for interaction with the workpiece in a process zone surrounded by ambient air, wherein the laser beam is tuned to a wavelength absorbed by the ambient air.
  • the workpiece storage unit is designed to store the workpiece, wherein the workpiece storage unit is designed to openly inspect a user in the process zone from a person access zone accessible during operation of the laser processing system by the ambient air filling a gap between the process zone and the passenger access zone.
  • the laser protection concept based on absorption in the ambient air allows direct access to the workpiece storage unit, for example its workpiece support, and in particular inspection to control the process zone, without having to remove elements of a protective housing. This makes it possible to simplify and accelerate work processes during the storage and removal of workpieces and to monitor the laser processing itself efficiently. Among other things, this is based on the fact that in the space extending from the process zone to the passenger access zone no solid protective element for protection against (laser) radiation is arranged, which can be caused by reflections or scattering of the laser beam in the laser processing system.
  • the clearance may vary due to the lateral displacement of the processing zone in the movement of a processing head that aligns the laser beam with the workpiece relative to the workpiece storage unit during processing.
  • the laser processing system is designed such that the gap provides a minimum propagation length of reflected or scattered radiation for all positions of a user in the passenger access zone and all possible positions of the process zone.
  • the interstice can be expanded in its extent and / or the gas composition.
  • At least a portion of the gap may be adjustable in humidity such that radiation from the process zone as it propagates through the gap experiences such absorption that a radiation level in the passenger access zone is below a predetermined threshold and, for example, meets the requirement of Class 1 lasers.
  • DIN EN 60825-1 limits the permitted intensity in the wavelength range from 1.4 ⁇ to 4 ⁇ to 26 mW / cm 2 and in the wavelength range from greater than 4 ⁇ to 1000 W / m 2 .
  • the passenger access zone may also extend to areas above the workpiece storage unit, particularly if a user is to be able to flex over the workpiece storage unit.
  • the provision of such a passenger access zone is possible, for example, if a required absorption is already reached very close to the processing head.
  • a vertically extendable barrier may be employed at the edge of the workpiece storage unit to prevent, under certain conditions, a user from bending over the workpiece storage unit.
  • the laser system for generating a laser beam is formed such, in particular the laser beam at an absorbed from the ambient air wavelength set so that the reflected or scattered radiation in the ambient air with an absorption coefficient of at least 0.02 cm "1, for example of at least 0.03 cm “1 for a minimum distance of about 1 m, is absorbed.
  • a higher absorption coefficient shortens the required minimum propagation length, ie the minimum distance, for the same power to be absorbed.
  • the workpiece storage unit is dimensioned such and / or the laser processing system has an additional humidifying device that reflected or scattered radiation before entering the passenger access zone to an intensity less than or equal to eg (according to the requirements of DIN EN 60825-1) 26 mW / cm 2 in the wavelength range of 1.4 ⁇ to 4 ⁇ or in the wavelength range greater than 4 ⁇ is attenuated to less than or equal to 1000 W / m 2 by absorption in the ambient air.
  • an additional humidifying device that reflected or scattered radiation before entering the passenger access zone to an intensity less than or equal to eg (according to the requirements of DIN EN 60825-1) 26 mW / cm 2 in the wavelength range of 1.4 ⁇ to 4 ⁇ or in the wavelength range greater than 4 ⁇ is attenuated to less than or equal to 1000 W / m 2 by absorption in the ambient air.
  • laser processing systems include a control unit for controlling the laser system and at least one connected to the control unit Moisture sensor, which is designed to measure a humidity value.
  • Humidity sensors for example, the absolute and / or relative humidity output, are well known. Humidity sensors can be supplemented with temperature sensors, for example, to determine the still possible humidification of the air to saturation.
  • a measured humidity value is representative of the gas composition at least in a portion of the gap associated with the humidity sensor.
  • the section associated with a moisture sensor may extend at least partially around the process zone and / or over the entire gas-filled intermediate space and / or along a boundary region between the workpiece storage unit and the passenger access zone.
  • a plurality of humidity sensors may be provided along one or more sides of the workpiece storage unit to continuously monitor the boundary area to the passenger access zone.
  • the control unit can be designed, for example, to set the laser power in the process zone and / or the feed rate of a processing head which aligns the laser beam with the workpiece as a function of the measured moisture value.
  • the control unit is designed, in particular, to reduce the feed rate or to stop the laser processing when the humidity threshold is undershot.
  • laser processing systems include one or more of the following: a photocell unit to provide an additional absorption path length, a discharge device to emit a wet gas mixture to humidify the ambient air, a laser system with a laser beam generator, a beam guide and processing optics, a dry gas system to purge at least parts of the optical path of the laser beam, a positioning unit for positioning a processing optics relative to the workpiece storage unit and a protective wall structure for preventing the propagation of laser light beyond the protective wall structure surrounding the workpiece storage unit except for the area of the passenger access zone.
  • a method of monitoring a laser processing system wherein the laser safety system's laser safety device absorbs the laser radiation in the ambient air in a process zone from laser processing to a user access zone into a user during operation
  • the laser processing system allows access and from the user free insight into the process zone has been based on extending gap.
  • the method comprises the steps of machining a workpiece with a laser beam having a wavelength absorbed in the ambient air, measuring a humidity value representative of a gas composition in a portion of the gap associated with the measurement, and adjusting the laser power in the Process zone and / or a feed rate of the laser beam on the workpiece aligning processing head and / or an expansion of the gap in dependence on the measured moisture value.
  • FIG. 1 shows a schematic spatial representation of a laser processing system, for example for cutting a workpiece
  • FIG. 2 shows a sketch to illustrate the protection concept based on absorption in the ambient air and a laser processing optics of a laser processing system
  • 3 to 5 are graphs illustrating the wavelength dependence of the absorption in the near-ground atmosphere
  • FIG. 6 is a plan view of a schematic laser processing system with a on
  • FIG. 7 is a plan view of a schematic laser processing system with a on
  • FIG. 8 shows a plan view of a schematic laser processing system with moisture-assisted and absorption-based protection concepts
  • FIG. 9 is a schematic sectional view of a processing zone of a laser processing system to illustrate the protective concepts of FIG. 8, and
  • Fig. 10 is a schematic sectional view of a cutting head with humidification and humidity sensor unit. Aspects described herein are based in part on the finding that by adapting the emission wavelength of a laser system to the absorption characteristic of the near-Earth atmosphere (air) high absorption losses can be obtained solely due to propagation of the laser radiation in the surrounding atmosphere.
  • the air as a gas mixture has the composition of essentially nitrogen and oxygen as well as water vapor and trace gases such as argon and carbon dioxide.
  • the absorption in the near infrared is based in particular on the interaction of the radiation with water vapor, which is contained on average at 1, 3 vol .-% near the ground in the air.
  • the earth's atmosphere can itself act as a protective filter for the user of the laser processing equipment (eg laser machine tool) with a suitable choice of the emission wavelength of, for example, solid-state lasers in the infrared wavelength range.
  • the laser power of the laser radiation leaving the process zone then rapidly decays exponentially in accordance with Lamert-Beer's law.
  • the absorption losses can be exploited to meet the requirements for the protection of the user of a laser processing system from laser radiation.
  • the protection relates in particular to the protection against radiation, which is reflected from the laser beam in the process zone, for example, on the workpiece in the direction of an intended passenger access zone of the laser processing system, and the protection against scattered laser radiation.
  • the absorption of the laser radiation in the atmosphere is essentially determined by its water vapor content.
  • it is crucial to ensure the required humidity in the area of the ambient air of the process zone in which the absorption is to take place, i. generally between the process zone and the passenger access zone.
  • this area comprises a part of the processing area of the processing facility accessible to the laser processing and optionally a space extending from the processing area to the passenger access area.
  • This (absorption) range also depends on the exact position of the process zone within the processing area. Adequate protection should be ensured for every possible position of the process zone in the processing area and for each possible position (and posture) of a user within the passenger access zone.
  • a control unit of the laser processing system can cooperate with one or more humidity sensors that provide information about the moisture in their assigned areas.
  • possible control measures may be, for example, limiting the machining area, reducing a feed rate of a machining head that aligns the laser beam with the workpiece, or inhibiting the operation of the laser machining system.
  • partial areas can be provided in the intermediate space, in which gas flows with a sufficient humidity, which is for example above that of the ambient air. In this way, even under “too dry conditions" the required absorption can be ensured.
  • a minimum absorption can be ensured by a minimum distance of the user to the process zone. In general, it should then be ensured that the user complies with this minimum distance at an existing absorption rate / humidity of the ambient atmosphere.
  • the laser processing system 1 shows a laser processing system 1 by way of example in the form of a laser cutting machine.
  • the laser processing system 1 has a laser system which comprises, for example, a beam generator 2, a laser beam guide 3 and a laser processing optics 4 a in a laser processing head 4.
  • the laser processing system 1 further has a workpiece storage unit 5 with a workpiece support 5 a for supporting a workpiece 8 to be machined.
  • the workpiece support 5a defines a working plane (XY plane).
  • the workpiece storage unit 5 may have an additional machine frame, which is arranged at a fixed or adjustable distance to the workpiece support 5 a.
  • a beam path of a laser beam 6 of the beam generator 2 is guided via the beam guide 3 by means of deflecting mirrors (not shown) using a fiber optic cable from the beam generator 2 to the laser processing head 4, for example when using a solid-state laser as the beam generator 2, the laser processing head 4 being parallel to the working plane with a usually adjustable feed speed can be moved.
  • the laser beam 6 is first collimated by means of the laser processing optics arranged in the processing head 4 and then focused on the workpiece surface 8 a.
  • Workpiece 8 is for example a sheet metal.
  • the beam axis (optical axis) of the laser beam 6 emerging from the laser processing head 4 runs perpendicular to the workpiece 8 in the Z direction.
  • the workpiece 8 is melted punctiform at one point (fusion cut) or melted and oxidized (flame cut) and the resulting melt is blown out. Subsequently, the laser beam 6 and the workpiece 8 are moved relative to each other, so that a two-dimensional processing path causes a continuous cutting gap 9, along which the laser beam 6 has severed the workpiece 8.
  • the piercing occurs under gas supply.
  • Laser cutting can also be supported by adding a gas.
  • oxygen nitrogen, compressed air and / or application-specific gases can be used. Which gas is ultimately used depends on which materials are cut and what quality requirements are placed on the workpiece 8. Resulting particles and gases can be sucked by means of a suction device 11, which is connected to a suction chamber, which is located under the workpiece support 5 a.
  • the beam guide 3 can also be connected to a gas system (not shown) for flushing the optical element or for providing a specifically flooded beam path.
  • a gas system for flushing the optical element or for providing a specifically flooded beam path.
  • the laser processing optics in the laser processing head 4 are purged or flooded with a gas, usually nitrogen.
  • Fig. 1 further shows drive units 7a, 7b, which allow to perform a relative movement of the laser processing head 4 with respect to the workpiece 8 in the XY plane.
  • the laser processing head 4 can be moved linearly on a portal 12 extending in the Y direction by means of the drive unit 7b, wherein the portal 12 itself can be moved by means of the drive unit 7a, e.g. B. a linear drive, is displaceable in the X direction.
  • the machining head 4 is additionally displaceable with a further drive unit 7c for vertical displacement in the Z direction, ie perpendicular to the workpiece 8.
  • the focus of the laser beam 6 can be adjusted along the thickness of the workpiece 8.
  • a control The control unit 14 controls the laser processing system 1 and in particular the beam generator 2 and the drive units 7a, 7b, 7c.
  • the travel paths of the drive units 7a, 7b define a maximum processing area 15 in the XY plane, which is available for the machining of the workpiece 8 and within which the processing head 4 can be positioned.
  • a frame area 17 results around the maximum processing area 15, which in the XY plane has, for example, a width of a few centimeters to a few meters.
  • the frame area 17 thus usually requires an existing in any case distance between a user who may move freely in the area of a passenger access zone 19, and a process zone 21 in which the laser beam 6 exiting from the machining head 4 impinges on the workpiece 8 and in the the machining process takes place.
  • the path length Dmin corresponds to the respective width of the frame portion 17 and is given in Fig. 1 by the distance between an outer edge 23 a of a housing 23 of the workpiece storage unit 5 and an outer edge 15 a of the processing area 15. If the user is also allowed to bend over the workpiece storage unit 5, the passenger access zone 19 increases over the outer edge region of the workpiece storage unit 5. Accordingly, either the extent of the maximum processing region 15 is reduced, if the path length Dmin is to remain the same, or the width of the frame region 17 , in which case also the path length Dmin possibly available for absorption becomes smaller.
  • the laser processing plant 1 is located (for example, together with several plants) in a factory hall, so that the various components are surrounded by air. In particular, there is air above the workpiece support 5 a and thus between the process zone 21 and the user.
  • the user has from the passenger access zone 19 substantially clear view of the process zone 21. In the embodiment of FIG free access by components such as the portal 12 depending on the position of the user and position of the process zone 2 be limited. Due to the laser protection based on absorption in the ambient air, the interior of the laser processing system 1 can be viewed substantially free of the passenger access zone 19 and is not provided with a protective wall, in particular in its edge region.
  • Protective walls and protective housings are usually formed of sheet metal as an example of a solid, non-laser-transparent material and may have special absorbing windows for viewing and monitoring the processing. Such windows are not necessary in the systems disclosed herein due to the ambient air based laser protection concept.
  • a portion of the laser processing equipment 1 is provided with a protective wall structure, such as a cover and / or one or more sidewalls, however, for servicing the laser processing equipment 1, the passenger access zone 19 remains open, at least in some areas, i. free of the laser wavelength substantially absorbing or stopping solid structures.
  • a simple flexible plastic separation barrier could be provided for spatial separation, but not itself is essential to the performance of laser safety regulations.
  • the concept of ambient air-based protection proposed herein assumes that the laser system, particularly the beam generator 2, generates a laser beam in a wavelength range that is sufficiently absorbed in the ambient air.
  • FIG. 2 illustrates the protection concept based on absorption in the ambient air schematically for a workpiece storage unit 5, which provides the processing area 15 with the outer edge 15a.
  • a laser processing optics 4 a can be freely positioned, ie, the process zone 21 can lie at the outer edge 15 a at most.
  • an intensity profile in the Y direction is schematically indicated for the case in which the wavelength of the laser beam has been set to an absorption line of air. According to Lambert-Beer's law describing the attenuation of the power of a radiation passing through an absorbing medium, the passing-through
  • FIGS. 3 and 4 show absorption spectra for the atmosphere of a US summer, with absorption coefficients d in cm -1 for the wavelength ranges from 1.45 ⁇ m to 2.5 ⁇ m (FIG. 3) and from 2.0 ⁇ m to 5 ⁇ m, respectively 5 shows the absorption in the wavelength range from 1.8 ⁇ to 1.95 ⁇ in a higher resolution
  • the graphs of FIGS. 3 to 5 were calculated with the aid of the database "HITRAN on the Web". (http://hitran.iao.ru/).
  • the graphene can have laser emission wavelengths in the ranges of 1.8 ⁇ to 2.0 ⁇ (absorption coefficient up to 0.04 cm -1 ) or 2.4 ⁇ to 2.9 ⁇ (absorption coefficient up to about 0.35 cm “1 ) or 4.2 ⁇ m to 4.4 ⁇ m (absorption coefficient up to about 0.12 cm -1 ) .
  • Another area with increased absorption is between 4.8 ⁇ m to 7 ⁇ m, 8 ⁇ (not shown)
  • there are spectral regions with very high absorption (absorption lines with line widths in the range of several nm) and spectral regions with very low absorption.
  • the laser system has to be adjusted correspondingly narrowband to a region with high absorption.
  • Laser emission in these wavelength ranges can be realized with solid-state lasers, in particular with fiber lasers, disk lasers, bar lasers, and with gas lasers. In this case, spectral widths of 1 nm and less can be achieved.
  • optical fibers based on quartz glass can be used for the transmission of the laser light over a greater distance. Accordingly, the wavelength ranges up to 2.2 ⁇ are particularly interesting for fiber lasers based on beam generators. Fibers based on other glasses, for example fluoride glasses (ZBLAN), can furthermore be used up to a wavelength of 6 ⁇ m.
  • ZBLAN fluoride glasses
  • a desired maximum spectral width of the laser depends, inter alia, on the temperature, the air pressure, the exact chemical composition and the relative humidity of the atmosphere, since these influence the line width of the absorption.
  • the humidity of the ambient air can vary with the weather, but it can also be influenced by special conditions in a laser processing.
  • a higher absorption with spectrally narrow lasers tends to be achieved (for example, spectral widths less than 1 nm FWHM), because then the spectral width can be optimally adapted to the maximum of an atmospheric attenuation line and thus an optimized absorption effect can be achieved.
  • the emission can be adjusted by the doping of a solid-state laser medium.
  • a YAG host crystal may be tuned to a laser wavelength that is in the range of an absorption maximum (or multiple proximate absorption maxima) of the atmosphere.
  • An available laser is a thulium-doped (Tm3 +) fiber laser that emits in a spectral range from 1.8 ⁇ to 2.1 ⁇ .
  • FBGs Fiber Bragg gratings
  • the feedback of the FBG which results from the Bragg condition, can be adjusted by the distance of the refractive index increases written into the fiber core. Furthermore, the Spectral width of the feedback over the varying distance of the individual refractive index increases are set to each other.
  • the phase mask technology can be used.
  • a significantly increased absorption undergoes an erbium-doped (Er3 +) fluoride glass fiber laser, which can emit in the spectral range from 2.7 ⁇ to 2.9 ⁇ .
  • absorption maxima of the atmosphere which are 10 times higher than those for the Tm3 + - fiber laser.
  • a comparable example calculation shows that with an absorption coefficient of 0.3 cm -1, 1 1000 W laser power already drops to 90 pW after 1 m.
  • the ambient atmosphere absorbing effect is mainly due to the presence of water vapor in the atmosphere. Too dry air, i. too low humidity, can therefore lead to insufficient absorption and thus insufficient radiation protection.
  • the laser processing system for monitoring and ensuring absorption can be equipped with one or more humidity sensors according to the concept disclosed herein. These monitor the ambient air permanently during operation, so that a control (eg the usable laser power and / or the feed rate of the machining head 4 and / or the usable processing area 15) and / or an alarm signal can be triggered when a first limit value is exceeded. If, for example, the feed rate is reduced, a reduced emission of radiation from the process zone 21 may occur and the radiation absorption present in the surrounding air may occur. tion can again ensure safe operation. When falling below a further limit, for example, the laser beam can be switched off. This can be done, for example, by opening an interlock circuit for deactivating the laser source and / or by closing a shutter / a shutter.
  • a control eg the usable laser power and / or the feed rate of the machining head 4 and / or the usable processing area 15
  • an alarm signal can be triggered when a first limit value is exceeded. If, for example, the
  • FIG. 1 shows by way of example humidity sensors 31 at the corners of the workpiece storage unit 5.
  • the position and number of the moisture sensors is determined by the geometry of the passenger access zone (s) to be protected in relation to the ingestible positions of the process zone 21. It should be noted that between the process zone 21 and the user, the room air may be e.g. can be influenced locally by air flows from compressor coolers.
  • the moisture sensor is a safety-relevant element, preferably a combination of two or more humidity sensors is used, whereby the wiring is also designed according to safety-relevant aspects.
  • the laser system is spectrally tuned to a high water vapor absorption, an (unwanted) absorption on the beam path from the jet generator 2 to the process zone 21 can be specifically avoided or at least reduced as much as possible.
  • an (unwanted) absorption on the beam path from the jet generator 2 to the process zone 21 can be specifically avoided or at least reduced as much as possible.
  • find laser application that emit in the spectral range from 1.8 ⁇ to 2.0 ⁇ so glass fibers made of quartz glass can be used for light conduction.
  • Fiber laser (as an example of a jet generator 2)
  • OH content poor fibers can be used.
  • quartz glass fibers have an OH content much lower than 1000 ppm. Preferred are concentrations of about 1 ppm and less. As a result, the IR transmission of the laser system can be increased.
  • the beam guide including the machining head 4
  • the beam guide can be provided with a flushing agent based on a non-attenuating gas, such as dried nitrogen (the moisture content of which is monitored, for example, with respect to a maximum value).
  • a non-attenuating gas such as dried nitrogen (the moisture content of which is monitored, for example, with respect to a maximum value).
  • the lenses used in the processing head are also made of a material with low absorption, so that the lenses do not heat up as much as possible.
  • a low-absorption gas can be emitted in the region of the laser beam exit.
  • especially dried process gases may be used, e.g. Nitrogen or oxygen, whose moisture content can also be monitored for a maximum value.
  • gases can anyway be used for the laser cutting process, e.g. be used for Schmelzaustrieb or flame cutting.
  • the laser beam can be guided in a low-attenuation (as anhydrous as possible) protective gas atmosphere on the upper side of the sheet metal.
  • the laser machining system 1 a dry gas system 10, ie, gases are provided 10a having a low water vapor content, for example less than 5 ppm H 2 0 in the dried gas.
  • gases are provided 10a having a low water vapor content, for example less than 5 ppm H 2 0 in the dried gas.
  • the laser processing optics 4 a shown in FIG. 2 enable the rinsing or flooding as well as the provision of a low-absorption beam exit.
  • the laser light is supplied to a housing 41 via an optical fiber 39.
  • this lens for example, a collimator lens 43 a and a focusing lens 43 b
  • the interior 45 can be flooded / purged with dried nitrogen to avoid attenuation within the laser processing optics 4a.
  • the lenses 43 a and 43 b are for example made of Heraeus Suprasil® 3002 or 300 with an OH content of about 1 ppm OH or less than 1 ppm OH.
  • the laser processing optics 4a additionally has a skirt 49 adapted to the beam taper.
  • the dried process gas is supplied near the lens 43 a and then emitted selectively and in the smallest possible amount along the beam path, so that the laser beam 6 does not radiate ambient air and accordingly hardly undergoes absorption prior to interaction with the workpiece 8.
  • FIGS. 6 to 8 each show simplified plan views of laser processing systems in which the protection concept based on absorption in the ambient air is integrated in different ways.
  • FIG. 6 shows a laser processing system 100 with a workpiece storage unit 105, wherein a passenger access zone 119 extends completely around the workpiece storage unit 105.
  • the laser processing system 100 additionally has a positioning unit 120 movably mounted on the workpiece storage unit 105 for positioning a laser processing head 104.
  • the positioning unit 120 makes it possible to move the laser processing head 104 in such a way that a process zone dependent on the position of the laser processing head 104 can be set for interaction with a workpiece 108 within a processing region 115.
  • Laser processing system 100 also has a laser beam generator 102, from which laser light is guided to the laser processing head 104 via an optical fiber 139.
  • the laser light is deflected and focused as a laser beam onto the workpiece 108. Due to the interaction with the workpiece 108 or even the surface of the workpiece storage unit 105, laser radiation can be reflected or scattered in various directions.
  • This radiation 106a which is due to the laser beam, is indicated by arrows in FIG. 6 by way of example.
  • the laser processing system 100 further comprises a control panel 160, which is connected via data links 162 to a control unit 164.
  • Control unit 164 is designed to control the laser beam generator as well as the positioning unit 120 and the workpiece storage unit 105.
  • Control unit 164 may include one or more components configured to perform system controls, for example, a memory for storing tables of minimum water vapor absorption path lengths for specific laser emission wavelengths, a secondary storage device, and a processor, such as a central processing unit.
  • a memory for storing tables of minimum water vapor absorption path lengths for specific laser emission wavelengths
  • a secondary storage device such as a central processing unit.
  • a processor such as a central processing unit.
  • the control unit 164 may include additional or other components.
  • Various other circuits, such as power supply circuits, input circuits, and / or other well-known circuits, inter-lock systems, and wired and wireless data connections may be associated with the control unit 164.
  • an outer edge 115a of the processing region 115 is further indicated.
  • a minimum distance (corresponding to a minimum path length Dmin) between a possible position of the process zone and thus the location of the steel reflection or beam scattering to a person staying in the passenger access zone 119 , given.
  • the distance of the outer edge 115 a of the processing area 115 to the outer edge 123 a of the workpiece storage unit 105 can usually be chosen so large that there is always a minimum distance between the position of the process zone and a person staying in the passenger access zone 119.
  • the processing head described in connection with FIG. 10 can provide a correspondingly humid atmosphere around the process zone 21.
  • the ambient air 170 which propagates above and around the workpiece storage unit 105 and thus also surrounds the process zone, is represented by dots.
  • the laser wavelength of the beam generator 102 is set to an absorption line of the ambient air 170, so that only the propagation of the reflected or scattered laser radiation 106a over a path length corresponding to at least the minimum path length Dmin results in a required attenuation.
  • the tuning of the laser wavelength to the absorption of the ambient air 170 is designed so that even at a maximum possible intensity of a reflected laser beam, this results in the passenger access zone 119 to an intensity which is below a required value for the laser protection.
  • the laser processing system 100 additionally moisture sensors 131, which measure the humidity of the ambient air 170.
  • the humidity sensors 131 are arranged such that they supply sufficient information about the humidity in a frame region 117.
  • the frame portion 117 is defined by the outer edge 115a and the housing edge 123a, and corresponds in width to a minimum path that reflected / scattered light will travel to a user.
  • the frame area 117 thus represents a minimum gap between the process zone 21 and the passenger access zone 119.
  • FIG. 6 four humidity sensors are arranged at the respective corners. Further humidity sensors can be arranged, for example, on the machining head or at regular intervals along the housing edge 123a.
  • FIG. 6 also schematically illustrates an associated portion 131a associated with one of the corner humidity sensors 131. For complete monitoring, the number of humidity sensors and the size of the section 131a assigned to them can be matched to the border area to be monitored for the passenger access zone 119 and the homogeneity of the air humidity in this area.
  • the humidity sensors 131 are also connected to the control unit 164 via the data links 162. If one of the humidity sensors 131 detects a moisture value for its associated volume range of ambient air, it is transmitted to the control unit 164.
  • the control unit 164 may then reduce the beam generator 102 in its power according to the currently existing absorption coefficient, completely off or reduce the feed of the processing head 104.
  • the control unit 164 can reduce the processing area 115 and thereby reduce the gap between the process zone and the passenger access area and, correspondingly, the absorption area. increase path length.
  • another outer edge 115b of a reduced processing region with a modified minimum absorption path length Dmin ' is shown by dashed lines in FIG.
  • the processing area 115 can be increased while maintaining the laser protection warranty.
  • the control unit 164 may also issue a warning signal as soon as one of the humidity sensors 131 detects a decrease in the air humidity in the direction of a critical humidity value.
  • a barrier can be provided, which can be, for example, vertically extended from the edge of the workpiece storage unit upwards (eg, with decreasing humidity or a temporary near approaching the laser head to the housing edge 123 a) and thus bending over the edge the user in the direction of the process zone is no longer allowed or, for example, forces a greater lateral distance of the user when extending horizontally.
  • an extendable wall at the edge of the workpiece support can be extended so far upward during machining that the operator can no longer bend over the workpiece support, but can still look over it.
  • FIG. 7 shows a further laser processing system 200, wherein the structure of the laser processing system 100 of FIG. 6 is similar and correspondingly similar components are provided with the same reference numerals.
  • Laser processing system 200 has two aspects, which can be provided individually or jointly in laser processing systems.
  • the laser processing installation 200 has a fixed protective wall structure 280, which extends, for example, along two sides of the workpiece storage unit 105.
  • Such protective wall structures can be provided, for example, if no access in these areas should be possible.
  • the laser processing system 200 has a light barrier unit 282.
  • the light barrier unit 282 is provided to set (or increase) a minimum distance between the passenger access zone 219 and the workpiece storage unit 105. This corresponds to an adaptation of the expansion of the gap between the passenger access zone and the process zone, for example, an extension of the Absorptionswegrat if a present humidity is insufficient.
  • This minimum distance Dmin can be assigned to a minimum humidity with the humidity sensors 131 monitored and thus ensured.
  • the light barrier unit 282 is also connected to the control unit 164, so that a break through of the light barrier 284 by the user can trigger corresponding control measures of the control unit 164.
  • the power of the jet generator 102 may be reduced or set to zero.
  • a warning signal may be issued and, as soon as the process area moves too close to the outer edge 115a, the jet generator 102 may be switched off.
  • a three-dimensional monitoring of the passenger access zone can take place, so that a personal position-dependent protective function can be provided, in particular in interaction with the position of the process zone.
  • a laser processing system 300 in which by targeted outflow of a moist gas mixture, i. a water or water vapor-containing gas mixture, the absorption of scattered or reflected laser light is raised specifically. This corresponds to the approach of setting the moisture at least in a partial area of the gap between the process zone and the passenger access zone in order to increase the absorption rate.
  • a moist gas mixture i. a water or water vapor-containing gas mixture
  • components of the laser processing apparatus 300 which are substantially identical to those of the above-described laser beam apparatuses 100 and 200 are given the corresponding reference numerals.
  • the location of the laser processing system for example, equipped with nozzle humidifiers that ensure a large-scale, effective and uniform humidification.
  • nozzle humidifiers that ensure a large-scale, effective and uniform humidification.
  • injector nozzles that work with compressed air and water
  • water can be sucked in when the compressed air flows out and atomised.
  • Such systems allow a targeted machine or area humidification and ensuring a corresponding humidity.
  • the monitoring of the steam or water supply is also relevant for laser safety. If these fail, sufficient protection can no longer be guaranteed.
  • a corresponding monitoring of the functionality of the humidification system could be done for example by a flow meter in the feed or by a level indicator in a storage vessel.
  • the ambient air 170 is moistened around a process zone 321 in the region of the laser processing head 104.
  • the laser processing system 300 has an outflow device 390 which extends, for example, around the laser processing optics.
  • a chamber 392 of the outflow device 390 is correspondingly shown, which surrounds the area around a focusing exit lens 343b and to which a moist gas mixture 394 is supplied.
  • Apertures 396 of chamber 392 allow for uniform escape of the wet gas mixture in parallel with a focused laser beam 306.
  • An apron extending along the laser beam 349 can additionally make it difficult for the moist gas mixture to penetrate into the process zone 321 and thus reduce unwanted absorption of the focused laser beam 306 in front of the workpiece 308.
  • humidity sensors may be disposed within the chamber 392 or between the openings 396 or on the skirt 349.
  • gas jet 399 can remove, inter alia, air that has penetrated through the apron 349 from the beam path by several rinse bursts. The same applies to the processing optics.
  • An arrangement of the outflow device 390 around the process zone 321 ensures an additional shielding of the laser radiation, regardless of the position of the process zone 321 with respect to the passenger access zone 319.
  • the workpiece 8 near the process zone 321 is exposed to additional moisture.
  • the moisture of the moist gas mixture can accordingly be adapted to the various machining processes, demineralized water can be used or the water can be provided with corrosion protection.
  • demineralized water can be used or the water can be provided with corrosion protection.
  • a lower humidity of the gas mixture used to ensure a required absorption can be compensated by a widening of the moisture curtain.
  • FIGS. 8 and 9 show a further outflow device 390 a which can be used in addition or alternatively to the outflow device 390.
  • the outflow device 390a extends along the frame portion 117 and selectively increases the humidity in a correspondingly extending moisture section 398b.
  • the outflow device 390a extends along two adjacent sides, the remaining two sides being exemplified by a protective wall structure 380.
  • the outflow device 390a also has a chamber 392a, into which a moist gas mixture 394 flows in and out through openings 396a as a moisture curtain in the direction of the workpiece storage unit 5.
  • a vertical length L of the moisture curtain is designed such that there is open access to the process zone 321 from the passenger access zone 319. If required, a protective wall cover may additionally be provided above the outflow device 390a.
  • the laser processing head 404 can be used, for example, in laser cutting, in which a hot workpiece is cooled by spraying with water. By water cooling, the formation of a temperature difference between the sides of the material can be reduced in particular for large material thicknesses.
  • Fig. 10 shows a base 414, a nozzle support 416 attached to the base 414, and a water spray 418 attached to the nozzle support 416.
  • a focused laser beam 406 passes through the base 414, the nozzle support 416 and the water spray 418 pass through an exit orifice 410 and strikes a workpiece 408 in a process zone 421.
  • a kerf 409 is formed in the workpiece 408.
  • a process gas 494 is introduced into the main body 414 so that, like the laser beam, it exits through the exit opening 410 along its propagation direction and, for example, supports the processing process.
  • the laser processing head 404 further includes a water supply system 452. This is indicated in Fig. 10 by a water channel 454, an annular channel 456, and a - in Fig. 10 ring-shaped - water outlet opening 458.
  • the water supply system 452 is connected to a water reservoir in which z. As demineralized water is located.
  • the annular channel 456 and the water outlet opening 458 are integrated into the water spray nozzle 418.
  • the water outlet opening 458 extends annularly around the outlet opening 410 of the laser beam 406 and is configured in such a way that a spray 426 forms annularly around the process zone 421 and, in particular, moistens the heated surface of the workpiece 408.
  • water evaporates, so that both wetted by the spray 426 and by the vaporized water areas 498a and 498b form with an increased air humidity around the process zone 421.
  • the water outlet opening is arranged only on one side of the illustrated laser processing head 404, so that, in particular due to the interaction of the moistened material with the laser beam, the air humidification activity is increased by the process zone 421.
  • the water supply system 452 may supply not only water but also water vapor or humidified air or only water vapor or humidified air.
  • the laser processing head 404 further includes a humidity sensor system that allows to measure the humidity near the process zone 421, in particular in the humidified areas 498a and / or 498b.
  • a control system of the associated laser processing machine receives information about the absorption parameters present near the process zone 421 and can correspondingly ensure a secure operation of the laser processing machine.
  • the control system may, for example, initiate or withdraw additional measures, depending on the measured moisture values near the process zone 421.
  • Humidity sensors are generally known and can be based, for example, on spectroscopic measurement methods or the material influence by the moisture present.
  • a moisture sensor 431a extending annularly around the nozzle holder 416 and a moisture sensor 431b are shown in FIG.
  • humidity sensors 431b measure the moisture content spectroscopically along an optical measuring section 433.
  • one or more humidity sensors may cover the desired monitoring area near the process zone 421.
  • Moisture sensor 431b can, in particular in the case of a one-dimensionally movable laser processing head, be arranged on a side of laser processing head 404 facing away from the feed direction.
  • the arrangement of humidity sensors shown in FIG. 10 is only to be understood as an example, since, depending on the laser processing head, other arrangements can be used for a corresponding monitoring of the moistened areas 498a, 498b.
  • the humidity sensors can also be provided directly on the main body 414.
  • sensors which measure the humidity of the moistened areas
  • sensors can also be used which directly monitor the radiation transmission of e.g. measure laser beam generated in the humidified areas 498a and / or 498b.
  • the protection concept described here is not limited to the processing of plate-shaped workpieces.
  • the laser protection concept can also be used in the machining of tubular or three-dimensional variable-shaped workpieces and in laser processing heads mounted on robots.
  • the laser protection concept described here can be used not only in a laser cutting machine, as shown by way of example in FIG. 1, but also in other laser processing machines, for example for laser hardening, laser welding and laser deposition welding of materials or on stamped laser combination machines ,
  • the laser protection concept can be used even more easily on machines with fixed or only in one direction movable processing head.

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Abstract

Es wird eine Laserbearbeitungsanlage (1) zum Bearbeiten eines Werkstücks (8) mit einem Laserstrahl (6) offenbart, bei der ein Laserschutzkonzept eingesetzt wird, dass auf der Ab- sorption von Laserlicht in der Umgebungsatmosphäre basiert. Eine entsprechende Laserbear- beitungsanlage (1) weist entsprechend ein Lasersystem zum Bereitstellen eines Laserstrahls für die Wechselwirkung mit dem Werkstück (8) auf, welcher auf eine in der Umgebungsluft (170) absorbierte Wellenlänge eingestellt ist. Ferner weist die Laserbearbeitungsanlage (1) eine Werkstücklagerungseinheit (5) zum Lagern des Werkstücks (8) auf, die zur offenen Ein- sichtnahme eines Benutzers in eine Prozesszone (21) aus einer Personenzugangszone (19) heraus ausgebildet ist. Der Zwischenraum (17) zwischen der Prozesszone und der Personen- zugangszone wird somit von Umgebungsluft ausgefüllt. Ferner kann die Laserbearbeitungsan- lage einen Feuchtesensor (31) aufweisen, der eine für die benötigte Absorption erforderliche Luftfeuchtigkeit überwacht.

Description

Laserbearbeitungsanlage und Überwachungsverfahren der Laserbearbeitungsanlage
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laserbearbeitungsanlage zur Bearbeitung eines Werkstücks mit einem Laserstrahl. Ferner betrifft die Erfindung ein Überwachungsverfahren einer Laserbearbeitungsanlage zum Schutz eines Bedieners vor Laserstrahlung.
Es ist bekannt, Laserbearbeitungsanlagen mit Schutzgehäusen zu umgeben, die während des Betriebs der Laserbearbeitungsanlagen nicht geöffnet werden dürfen. Jegliche Strahlung wird innerhalb des Schutzgehäuses gehalten, sodass keine Gefährdung von Benutzern der Laserbearbeitungsanlagen vorliegt.
Allgemein werden Laser für die Materialbearbeitung so ausgelegt, dass sie in der umgebenden Atmosphäre (Umgebungsluft) sehr geringe Absorptionsverluste aufweisen. Die geringen Absorptionsverluste in der Atmosphäre werden für die Freistrahlübertragung von C02-Lasern sowie für offene, d.h. mit Luft gefüllte, Festkörperlaserresonatoren von z.B. Scheibenlasern und Stablasern oder den offenen Laseraufbau von Diodenlasern benötigt. Bei der Verwendung eines monolithischen Faserlasers (engl. All-fiber fiber laser) propagiert bei Laserbearbeitungsanlagen der Laserstrahl zumindest bei der Fokussierung und vor dem Auftreffen auf der Werkstückoberfläche im Freistrahl.
Aus JP 04-251690 A ist es bekannt, in einer Laserbearbeitungsmaschine einen Flüssigkeitsnebel auf die Bearbeitungsstelle zu sprühen, um reflektierte Laserstrahlung zu absorbieren. Ferner ist es aus JP 60-216597 A bekannt, beim Einsatz eines C02-Lasers einen Bereich zwischen einem Bearbeitungskopf und einem zu schützenden Objekt mit einem Gas zu füllen, das die Laserstrahlung absorbiert.
Einem Aspekt dieser Offenbarung liegt die Aufgabe zugrunde, den Schutz von Personen, beispielsweise von Benutzern, in der Nähe von Laserbearbeitungsanlagen zu vereinfachen. Ferner liegt die Aufgabe zugrunde, die Benutzung von Laserbearbeitungsanlagen zu vereinfachen. Insbesondere liegt die Aufgabe zugrunde, beispielsweise das Entnehmen von mit dem Laser bearbeiteten Teilen aus der Laserbearbeitungsanlage zu erleichtern. Zumindest eine dieser Aufgaben wird gelöst durch eine Laserbearbeitungsanlage nach Anspruch 1, durch einen Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 15 und durch ein Verfahren zur Überwachung einer Laserbearbeitungsanlage nach Anspruch 16. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
In einem Aspekt weist eine Laserbearbeitungsanlage zum Bearbeiten eines Werkstücks mit einem Laserstrahl ein Lasersystem und eine Werkstücklagerungseinheit auf. Das Lasersystem ist zum Bereitstellen eines Laserstrahls für eine Wechselwirkung mit dem Werkstück in einer von Umgebungsluft umgebenen Prozesszone ausgebildet, wobei der Laserstrahl auf eine von der Umgebungsluft absorbierte Wellenlänge eingestellt ist. Die Werkstücklagerungseinheit ist zum Lagern des Werkstücks ausgebildet, wobei die Werkstücklagerungseinheit zur offenen Einsichtnahme eines Benutzers in die Prozesszone aus einer während des Betriebs der Laserbearbeitungsanlage zugänglichen Personenzugangszone heraus ausgebildet ist, indem die Umgebungsluft einen Zwischenraum zwischen der Prozesszone und der Personenzugangszone ausfüllt.
In einigen Ausführungsformen erlaubt das auf Absorption in der Umgebungsluft basierende Laserschutzkonzept einen direkten Zugang zur Werkstücklagerungseinheit, beispielsweise deren Werkstückauflage, und insbesondere eine Einsichtnahme zur Kontrolle der Prozesszone, ohne dass Elemente eines Schutzgehäuses entfernt werden müssen. Dies erlaubt es, Arbeitsabläufe bei der Lagerung und Entnahme von Werkstücken zu vereinfachen und zu beschleunigen sowie die Laserbearbeitung selbst effizient zu überwachen. Dies beruht unter anderem darauf, dass in dem sich von der Prozesszone zu der Personenzugangszone erstreckenden Zwischenraum kein festes Schutzelement zum Schutz vor (Laser-)Strahlung angeordnet ist, welche durch Reflexionen oder Streuung des Laserstrahls in der Laserbearbeitungsanlage entstehen kann.
In einigen Ausführungsformen kann der Zwischenraum aufgrund der lateralen Verschiebung der Prozesszone bei der Bewegung eines den Laserstrahl auf das Werkstück ausrichtenden Bearbeitungskopfs bezüglich der Werkstücklagerungseinheit während der Bearbeitung variieren. Jedoch ist die Laserbearbeitungsanlage derart ausgebildet, dass der Zwischenraum eine Mindestausbreitungslänge von reflektierter oder gestreuter Strahlung für alle Positionen eines Benutzers in der Personenzugangszone und alle möglichen Positionen der Prozesszone bereitstellt. Der Zwischenraum kann in seiner Ausdehnung und/oder die Gaszusammensetzung zu- mindest eines Teilbereichs des Zwischenraums kann in ihrer Feuchtigkeit derart einstellbar sein, dass Strahlung aus der Prozesszone beim Ausbreiten durch den Zwischenraum eine derartige Absorption erfährt, dass ein Strahlungswert in der Personenzugangszone unter einem vorgegebenen Grenzwert liegt und beispielsweise die Anforderung der Laser Klasse 1 erfüllt. Beispielsweise begrenzt DIN EN 60825-1 die erlaubte Intensität im Wellenlängenbereich von 1,4 μιη bis 4 μιη auf 26 mW/cm2 und im Wellenlängenbereich größer 4 μιη auf 1000 W/m2.
In einigen Ausführungsformen kann sich die Personenzugangszone auch auf Bereiche oberhalb der Werkstücklagerungseinheit erstrecken, insbesondere dann, wenn sich ein Benutzer über die Werkstücklagerungseinheit beugen können soll. Das Bereitstellen einer derartigen Personenzugangszone ist beispielsweise dann möglich, wenn eine erforderliche Absorption schon sehr nahe am Bearbeitungskopf erreicht wird. In einigen Ausführungsformen kann eine zum Beispiel vertikal ausfahrbare Barriere am Rand der Werkstücklagerungseinheit dazu eingesetzt werden, unter bestimmten Bedingungen zu verhindern, dass sich ein Benutzer über die Werkstücklagerungseinheit beugen kann.
In einigen Ausführungsformen ist das Lasersystem zum Erzeugen eines Laserstrahls derart ausgebildet, insbesondere der Laserstrahl auf eine von der Umgebungsluft absorbierte Wellenlänge derart eingestellt, dass die reflektierte oder gestreute Strahlung in der Umgebungsluft mit einem Absorptionskoeffizienten von mindestens 0,02 cm"1, beispielsweise von mindestens 0,03 cm"1 für einen Mindestabstand von ca. 1 m, absorbiert wird. Ein höherer Absorptionskoeffizient verkürzt die erforderliche Mindestausbreitungslänge, d.h. den Mindestabstand, bei gleicher zu absorbierender Leistung.
In einigen Ausführungsformen ist die Werkstücklagerungseinheit derart dimensioniert und/oder die Laserbearbeitungsanlage weist eine zusätzliche Befeuchtungsvorrichtung auf, dass reflektierter oder gestreuter Strahlung vor dem Eintritt in die Personenzugangszone auf eine Intensität kleiner oder gleich z.B. (gemäß den Anforderungen der DIN EN 60825-1) 26 mW/cm2 im Wellenlängenbereich von 1,4 μιη bis 4 μιη bzw. im Wellenlängenbereich größer 4 μιη auf kleiner oder gleich 1000 W/m2 durch Absorption in der Umgebungsluft gedämpft wird.
In einigen Ausführungsformen weisen Laserbearbeitungsanlagen eine Steuerungseinheit zur Steuerung des Lasersystems und mindestens einen mit der Steuerungseinheit verbundenen Feuchtesensor auf, der zur Messung eines Luftfeuchtigkeitswertes ausgebildet ist. Feuchtesensoren, die beispielsweise die absolute und/oder relative Luftfeuchtigkeit ausgeben, sind allgemein bekannt. Feuchtesensoren können mit Temperatursensoren ergänzt werden, um beispielsweise die noch mögliche Befeuchtung der Luft bis zur Sättigung zu bestimmen. Ein gemessener Luftfeuchtigkeitswert ist repräsentativ für die Gaszusammensetzung zumindest in einem dem Feuchtesensor zugeordneten Abschnitt des Zwischenraums. Der einem Feuchtesensor zugeordnete Abschnitt kann sich zumindest teilweise um die Prozesszone und/oder über den gesamten gasgefüllten Zwischenraum und/oder entlang eines Grenzbereichs zwischen Werkstücklagerungseinheit und Personenzugangszone erstrecken. Beispielsweise kann eine Mehrzahl von Feuchtesensoren entlang einer oder mehrerer Seiten der Werkstücklagerungseinheit vorgesehen sein, um lückenlos den Grenzbereich zur Personenzugangszone zu überwachen. Die Steuerungseinheit kann beispielsweise dazu ausgebildet sein, die Laserleistung in der Prozesszone und/oder die Vorschubgeschwindigkeit eines den Laserstrahl auf das Werkstück ausrichtenden Bearbeitungskopfs in Abhängigkeit des gemessenen Feuchtigkeitswerts einzustellen. Die Steuerungseinheit ist insbesondere dazu ausgebildet, bei Unterschreiten eines Feuchtigkeitsschwellenwerts die Vorschubgeschwindigkeit zu reduzieren oder die Laserbearbeitung zu stoppen.
In einigen Ausführungsformen weisen Laserbearbeitungsanlagen eine oder mehrere der folgenden Komponenten auf: eine Lichtschrankeneinheit zum Bereitstellen einer zusätzlichen Absorptionsweglänge, eine Ausströmungsvorrichtung zum Ausströmen eines feuchten Gasgemischs zur Befeuchtung der Umgebungsluft, ein Lasersystem mit einem Laserstrahlerzeuger, einer Strahlführung und einer Bearbeitungsoptik, ein Trockengassystem zum Spülen von zumindest Teilen des optischen Weges des Laserstrahls, eine Positioniereinheit zum Positionieren einer Bearbeitungsoptik relativ zur Werkstücklagerungseinheit und eine Schutzwandstruktur zur Verhinderung der Ausbreitung von Laserlicht jenseits der Schutzwandstruktur, welche die Werkstücklagerungseinheit mit Ausnahme des Bereichs der Personenzugangszone umgibt.
In einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zur Überwachung einer Laserbearbeitungsanlage offenbart, wobei die Strahlensicherheit der Laserbearbeitungsanlage auf Absorption der Laserstrahlung in der Umgebungsluft in einem sich von einer Prozesszone, in der die Laserbearbeitung stattfindet, bis zu einer Personenzugangszone, in die einem Benutzer während des Betriebs der Laserbearbeitungsanlage der Zugang erlaubt ist und von der aus der Benutzer freie Einsicht in die Prozesszone hat, erstreckenden Zwischenraum basiert. Das Verfahren weist die Schritte des Bearbeitens eines Werkstücks mit einem Laserstrahl, der eine in der Umgebungsluft absorbierte Wellenlänge aufweist, des Messens eines Luftfeuchtigkeits wertes, der repräsentativ für eine Gaszusammensetzung in einem der Messung zugeordneten Abschnitt des Zwischenraums ist, und des Anpassens der Laserleistung in der Prozesszone und/oder einer Vorschubgeschwindigkeit eines den Laserstrahl auf das Werkstück ausrichtenden Bearbeitungskopfs und/oder einer Ausdehnung des Zwischenraums in Abhängigkeit vom gemessenen Feuchtigkeitswert auf.
Hierin werden Konzepte offenbart, dies es erlauben, zumindest teilweise Aspekte aus dem Stand der Technik zu verbessern. Insbesondere ergeben sich weitere Merkmale und deren Zweckmäßigkeiten aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:
Fig.l eine schematische räumliche Darstellung einer Laserbearbeitungsanlage beispielsweise zum Schneiden eines Werkstücks,
Fig. 2 eine Skizze zur Verdeutlichung des auf Absorption in der Umgebungsluft basierendem Schutzkonzepts sowie einer Laserbearbeitungsoptik einer Laserbearbeitungsanlage,
Fig. 3 bis 5 Graphen zur Verdeutlichung der Wellenlängenabhängigkeit der Absorption in der bodennahen Atmosphäre,
Fig. 6 eine Aufsicht auf eine schematische Laserbearbeitungsanlage mit einem auf
Absorption in der Umgebungsluft basierenden Schutzkonzept,
Fig. 7 eine Aufsicht auf eine schematische Laserbearbeitungsanlage mit einem auf
Absorption in der Umgebungsluft basierenden Schutzkonzept zweier Seiten der Laserbearbeitungsanlage,
Fig. 8 eine Aufsicht auf eine schematische Laserbearbeitungsanlage mit durch Befeuchtung unterstützten und auf Absorption basierenden Schutzkonzepten,
Fig. 9 eine schematische Schnittdarstellung einer Bearbeitungszone einer Laserbearbeitungsanlage zur Verdeutlichung der Schutzkonzepte gemäß Fig. 8, und
Fig. 10 eine schematische Schnittdarstellung eines Schneidkopfs mit Befeuchtungssystem und Feuchtesensoreinheit. Hierin beschriebene Aspekte basieren zum Teil auf der Erkenntnis, dass durch Anpassung der Emissionswellenlänge eines Lasersystems an die Absorptionscharakteristik der erdnahen Atmosphäre (Luft) hohe Absorptionsverluste allein aufgrund des Ausbreitens der Laserstrahlung in der umgebenden Atmosphäre erhalten werden können. Die Luft als Gasgemisch hat die Zusammensetzung aus im Wesentlichen Stickstoff und Sauerstoff sowie Wasserdampf und Spurengasen wie Argon und Kohlenstoffdioxid. Die Absorption im nahen Infraroten basiert insbesondere auf der Wechselwirkung der Strahlung mit Wasserdampf, der im Mittel zu 1 ,3 Vol.-% in Bodennähe in der Luft enthalten ist. Nach den hierin offenbarten Schutzkonzepten kann die Erdatmosphäre selbst als Schutzfilter für den Benutzer der Laserbearbeitungsanlage (z.B. Werkzeugmaschine mit Laser) bei entsprechender Wahl der Emissionswellenlänge von beispielsweise Festkörperlasern im infraroten Wellenlängenbereich fungieren. Die Laserleistung der Laserstrahlung, welche die Prozesszone verlässt, fällt dann entsprechend dem Lam- bert-Beersches Gesetz rasch exponentiell ab.
Die Absorptionsverluste können dazu ausgenutzt werden, die Vorschriften zum Schutz des Benutzers einer Laserbearbeitungsanlage vor Laserstrahlung zu erfüllen. Der Schutz betrifft insbesondere den Schutz vor Strahlung, die aus dem Laserstrahl in der Prozesszone beispielsweise am Werkstück in Richtung einer vorgesehenen Personenzugangszone der Laserbearbeitungsanlage reflektiert wird, sowie den Schutz vor gestreuter Laserstrahlung.
Die Absorption der Laserstrahlung in der Atmosphäre wird im Wesentlichen durch deren Wasserdampfanteil bestimmt. Somit ist die Gewährleistung der benötigten Luftfeuchtigkeit in dem Bereich der Umgebungsluft der Prozesszone ausschlaggebend, in dem die Absorption stattfinden soll, d.h. im allgemeinen zwischen der Prozesszone und der Personenzugangszone. Dieser Bereich umfasst je nach Position der Prozesszone einen Teil des der Laserbearbeitung zugänglichen Bearbeitungsbereichs der Bearbeitungsanlage sowie gegebenenfalls einen sich vom Bearbeitungsbereich zur Personenzugangszone erstreckenden Zwischenraum. Dieser (Absorptions-)Bereich hängt ferner auch von der genauen Position der Prozesszone innerhalb des Bearbeitungsbereichs ab. Ausreichender Schutz soll für jede mögliche Position der Prozesszone im Bearbeitungsbereich und für jede mögliche Position (und Körperhaltung) eines Benutzers innerhalb der Personenzugangszone gewährleistet sein.
Zur Gewährleistung der benötigten Luftfeuchtigkeit kann eine Steuerungseinheit der Laserbearbeitungsanlage mit einem oder mehreren Feuchtesensoren zusammenarbeiten, die Information über die Feuchtigkeit in ihnen zugeordneten Gebieten liefern. Wenn die Absorption in der Umgebungsluft nicht ausreicht, können mögliche Steuerungsmaßnahmen beispielsweise die Einschränkung des Bearbeitungsbereichs, die Reduzierung einer Vorschubgeschwindigkeit eines den Laserstrahl auf das Werkstück ausrichtenden Bearbeitungskopfs oder das Unterbinden des Betriebs der Laserbearbeitungsanlage sein.
Ferner wurde erkannt, dass Teilbereiche im Zwischenraum vorgesehen werden können, in denen Gas mit einer ausreichenden Luftfeuchtigkeit, die beispielsweise über der der Umgebungsluft liegt, einströmt. Auf diese Weise kann auch unter„zu trockenen Bedingungen" die erforderliche Absorption gewährleistet werden.
Ferner kann eine Mindestabsorption durch einen Mindestabstand des Benutzers zur Prozesszone gewährleistet werden. Allgemein sollte dann sichergestellt sein, dass der Benutzer diesen Mindestabstand bei einer vorliegenden Absorptionsrate/Feuchtigkeit der Umgebungsatmosphäre einhält.
Im Folgenden wird als ein erstes Beispiel eine Laserbearbeitungsanlage allgemein beschrieben. Im Anschluss werden weitere Umsetzungsbeispiele des auf Absorption in der Umgebungsluft basierenden Schutzkonzepts erläutert.
Fig. 1 zeigt eine Laserbearbeitungsanlage 1 beispielhaft in Form einer Laserschneidmaschine. Die Laserbearbeitungsanlage 1 weist ein Lasersystem auf, das zum Beispiel einen Strahlerzeuger 2, eine Laserstrahlführung 3 und eine Laserbearbeitungsoptik 4a in einem Laserbearbeitungskopf 4 umfasst. Die Laserbearbeitungsanlage 1 weist ferner eine Werkstücklagerungseinheit 5 mit einer Werkstückauflage 5 a zum Lagern eines zu bearbeitenden Werkstücks 8 auf. In Fig. 1 definiert die Werkstückauflage 5a eine Bearbeitungsebene (XY -Ebene). Die Werkstücklagerungseinheit 5 kann einen zusätzlicher Maschinenrahmen aufweisen, der in einem festen oder einstellbaren Abstand zur Werkstückauflage 5 a angeordnet ist.
Ein Strahlengang eines Laserstrahls 6 des Strahlerzeugers 2 wird über die Strahlführung 3 mit Hilfe von (nicht gezeigten) Umlenkspiegeln oder - beispielsweise bei Einsatz eines Festkörperlasers als Strahlerzeuger 2 - mit Hilfe eines Lichtleitkabels vom Strahlerzeuger 2 zu dem Laserbearbeitungskopf 4 geführt, wobei der Laserbearbeitungskopf 4 parallel zur Bearbeitungsebene mit einer üblicherweise einstellbaren Vorschubgeschwindigkeit verfahrbar ist. Der Laserstrahl 6 wird mittels der im Bearbeitungskopf 4 angeordneten Laserbearbeitungsoptik zuerst kollimiert und anschließend auf die Werkstückoberfläche 8a fokussiert. Werkstück 8 ist beispielsweise ein Blech. Die Strahlachse (optische Achse) des aus dem Laserbearbeitungskopf 4 austretenden Laserstrahls 6 verläuft in Z-Richtung senkrecht zum Werkstück 8.
Beispielsweise beim Laserschneiden wird mit dem Laserstrahl 6 zunächst in das Werkstück 8 eingestochen, d. h. das Werkstück 8 wird an einer Stelle punktförmig aufgeschmolzen (Schmelzschnitt) oder aufgeschmolzen und oxidiert (Brennschnitt) und die hierbei entstehende Schmelze wird ausgeblasen. Nachfolgend werden der Laserstrahl 6 und das Werkstück 8 relativ zueinander bewegt, sodass eine zweidimensionale Bearbeitungsbahn einen durchgängigen Schnittspalt 9 bewirkt, entlang dessen der Laserstrahl 6 das Werkstück 8 durchtrennt hat.
Üblicherweise erfolgt das Einstechen unter Gaszufuhr. Auch das Laserschneiden kann durch Hinzufügen eines Gases unterstützt werden. Als Schneidgase können Sauerstoff, Stickstoff, Druckluft und/oder anwendungsspezifische Gase eingesetzt werden. Welches Gas letztendlich verwendet wird, ist davon abhängig, welche Materialien geschnitten und welche Qualitätsansprüche an das Werkstück 8 gestellt werden. Entstehende Partikel und Gase können mit Hilfe einer Absaugeinrichtung 11 abgesaugt werden, welche mit einer Absaugkammer verbunden ist, die sich unter der Werkstückauflage 5 a befindet.
Auch die Strahlführung 3 kann mit einem Gassystem (nicht gezeigt) zur Spülung von optischen Element oder zum Bereitstellen eines spezifisch gefluteten Strahlengangs verbunden sein. Zum Beispiel wird die Laserbearbeitungsoptik im Laserbearbeitungskopf 4 mit einem Gas, üblicherweise Stickstoff, gespült oder geflutet.
Fig. 1 zeigt ferner Antriebseinheiten 7a, 7b, die es erlauben, eine Relativbewegung des Laserbearbeitungskopfs 4 bezüglich des Werkstücks 8 in der XY-Ebene durchzuführen. Z.B. kann der Laserbearbeitungskopf 4 an einem sich in Y-Richtung erstreckenden Portal 12 mittels der Antriebseinheit 7b linear verschoben werden, wobei das Portal 12 selbst mittels der Antriebseinheit 7a, z. B. einem Linearantrieb, in X-Richtung verschiebbar ist. Der Bearbeitungskopf 4 ist im Beispiel der Fig. 1 zusätzlich mit einer weiteren Antriebseinheit 7c für eine vertikale Verschiebung in Z-Richtung, d. h. senkrecht zum Werkstück 8, verschiebbar. Somit kann der Fokus des Laserstrahls 6 entlang der Dicke des Werkstücks 8 eingestellt werden. Eine Steue- rungseinheit 14 kontrolliert die Laserbearbeitungsanlage 1 und insbesondere den Strahlerzeuger 2 und die Antriebseinheiten 7a, 7b, 7c.
Die Verfahrwege der Antriebseinheiten 7a, 7b definieren einen maximalen Bearbeitungsbereich 15 in der XY-Ebene, der für die Bearbeitung des Werkstücks 8 zur Verfügung steht und innerhalb dessen der Bearbeitungskopf 4 positioniert werden kann. Üblicherweise ergibt sich aufgrund der Mechanik ein Rahmenbereich 17 um den maximalen Bearbeitungsbereich 15, der in der XY-Ebene beispielsweise eine Breite von einigen Zentimetern bis zu einigen Metern aufweist. Der Rahmenbereich 17 bedingt somit üblicherweise einen auf jeden Fall vorhandenen Abstand zwischen einem Benutzer, der sich im Bereich einer Personenzugangszone 19 frei bewegen darf, und einer Prozesszone 21, in der der aus dem Bearbeitungskopf 4 austretende Laserstrahl 6 auf das Werkstück 8 auftrifft und in der der Bearbeitungsprozess stattfindet. Entsprechend muss Strahlung, die durch Reflexion oder Streuung des Laserstrahls entstehen kann, mindestens eine Weglänge Dmin zwischen der Personenzugangszone 19 und der Prozesszone 21 durchlaufen. Der Rahmenbereich 17 führt somit zu einem auf jeden Fall vorhandenen Zwischenraum zwischen Benutzer und Prozesszone. Je nach Position der Prozesszone 21 bildet dieser minimale Zwischenraum zusammen mit dem Raum zwischen Rahmenbereich 17 und Prozesszone 21 den Zwischenraum zwischen Prozesszone 21 und Personenzugangszone 19.
Die Weglänge Dmin entspricht der jeweiligen Breite des Rahmenbereichs 17 und ist in Fig. 1 durch den Abstand zwischen einer Außenkante 23 a eines Gehäuses 23 der Werkstücklagerungseinheit 5 und einem Außenrand 15a des Bearbeitungsbereichs 15 gegeben. Soll sich der Benutzer auch über die Werkstücklagerungseinheit 5 beugen dürfen, so vergrößert sich die Personenzugangszone 19 über den äußeren Randbereich der Werkstücklagerungseinheit 5. Entsprechend reduziert sich entweder die Ausdehnung des maximalen Bearbeitungsbereichs 15, falls die Weglänge Dmin gleichbleiben soll, oder die Breite des Rahmenbereichs 17, wobei dann auch die evtl. zur Absorption zur Verfügung stehende Weglänge Dmin kleiner wird.
Die Laserbearbeitungsanlage 1 befindet sich (beispielsweise zusammen mit mehreren Anlagen) in einer Fabrikhalle, sodass die verschiedenen Komponenten von Luft umgeben sind. Insbesondere befindet sich Luft oberhalb der Werkstückauflage 5 a und damit zwischen der Prozesszone 21 und dem Benutzer. Der Benutzer hat aus der Personenzugangszone 19 im Wesentlichen freie Sicht auf die Prozesszone 21. In der Ausführungsform gemäß Fig. 1 mag die freie Einsichtnahme durch Komponenten wie dem Portal 12 je nach Position des Benutzers und Position der Prozesszone 2 leingeschränkt sein. Aufgrund des auf Absorption in der Umgebungsluft basierenden Laserschutzes ist der Innenraum der Laserbearbeitungsanlage 1 im Wesentlichen frei von der Personenzugangszone 19 einsehbar und ist insbesondere in deren Randbereich nicht mit einer Schutzwand versehen.
Schutzwände und Schutzgehäuse sind üblicherweise aus Blech als Beispiel eines festen, nicht Laserlicht durchlässigen Materials geformt und können spezielle absorbierende Fenster zum Einsehen und Überwachen der Bearbeitung aufweisen. Derartige Fenster sind aufgrund des auf Absorption in der Umgebungsluft basierenden Laserschutzkonzepts bei den hierein offenbarten Anlagen nicht notwendig.
In einigen Ausführungsformen ist ein Teil der Laserbearbeitungsanlage 1 mit einer Schutzwandstruktur, beispielsweise einer Abdeckung und/oder einer oder mehreren Seitenwände, versehen, jedoch bleibt zur Betreuung der Laserbearbeitungsanlage 1 die Personenzugangszone 19 zumindest in Teilbereichen weiterhin offen, d.h. frei von die Laserwellenlänge wesentlich absorbierenden oder abhaltenden festen Strukturen. In einigen Ausführungsformen könnte ein einfacher flexibler Trennvorhang aus Kunststoff zur räumlichen Trennung vorgesehen werden, der selbst allerdings nicht wesentlich für die Erfüllung von Laserschutzvorschriften ist.
Das hierein vorgeschlagene Konzept eines auf Absorption in der Umgebungsluft basierenden Schutzes setzt voraus, dass das Lasersystem, insbesondere der Strahlerzeuger 2, einen Laserstrahl in einem Wellenlängenbereich erzeugt, der in der Umgebungsluft ausreichend absorbiert wird.
Fig. 2 verdeutlicht das auf Absorption in der Umgebungsluft basierende Schutzkonzept schematisch für eine Werkstücklagerungseinheit 5, die den Bearbeitungsbereich 15 mit dem Außenrand 15a bereitstellt. Innerhalb des Bearbeitungsbereichs 15 kann eine Laserbearbeitungsoptik 4a frei positioniert werden, d.h. maximal kann die Prozesszone 21 am Außenrand 15a liegen. Für diese Lage der Prozesszone 21 ist schematisch ein Intensitätsverlauf in Y- Richtung für den Fall angedeutet, dass die Wellenlänge des Laserstrahls auf eine Absorptionslinie von Luft eingestellt wurde. Gemäß dem Lambert-Beerschen Gesetz, welches die Abschwächung der Leistung einer Strahlung bei dem Durchgang durch ein absorbierendes Medium beschreibt, ist die hindurchtreten-
-dx
de Strahlungsleistung P(x) gegeben durch P(x) = PQ e , wobei Po die eintretende Leistung, d der Absorptionskoeffizient (z.B. in m_1) und x die zurückgelegte Weglänge im absorbierenden Medium ist (z.B. in m). Der exponentielle Abfall ist schematisch in Fig. 2 gezeigt. Ist die Absorption stark genug, beispielsweise bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von mindestens 20 %, kann über eine Länge von z.B. 1 m die Strahlintensität auf einen Wert fallen, der unschädlich für ein Auge 30 eines Benutzers ist.
In der Atmosphäre ist der Absorptionskoeffizient d stark von der Wellenlänge abhängig. Figuren 3 und 4 zeigen für die Atmosphäre eines US-amerikanischen Sommers Absorptionsspektren, wobei Absorptionskoeffizienten d in cm"1 für die Wellenlängenbereiche von 1 ,45 μιη bis 2,5 μιη (Fig. 3) bzw. von 2,0 μιη bis 5 μιη (Fig. 4) aufgetragen wurden. Ergänzend zeigt Fig. 5 die Absorption im Wellenlängenbereich von 1 ,8 μιη bis 1 ,95 μιη in einer höheren Auflösung. Die Graphen der Figuren 3 bis 5 wurden mit Hilfe der Datenbank„HITRAN on the Web" (http://hitran.iao.ru/) erstellt.
Den Graphen können für eine gute Absorption des Laserstrahls in der Atmosphäre Laseremissionswellenlängen in den Bereichen von 1 ,8 μιη bis 2,0 μιη (Absorptionskoeffizienten bis ca. 0,04 cm"1) oder 2,4 μιη bis 2,9 μιη (Absorptionskoeffizienten bis ca. 0,35 cm"1) oder 4,2 μιη bis 4,4 μιη (Absorptionskoeffizienten bis ca. 0,12 cm"1) entnommen werden. Ein weiterer Bereich mit erhöhter Absorption liegt zwischen 4,8 μιη bis 7,8 μιη (nicht gezeigt). In diesen Bereichen gibt es spektrale Bereiche mit sehr hoher Absorption (Absorptionslinien mit Linienbreiten im Bereich von einigen nm) und spektrale Bereiche mit sehr geringer Absorption.
Zur Verwirklichung des auf Luftabsorption basierenden Schutzkonzepts ist das Lasersystem entsprechend schmalbandig auf einen Bereich mit hoher Absorption einzustellen. Laseremission in diesen Wellenlängenbereichen ist mit Festkörperlasern, insbesondere mit Faserlasern, Scheibenlasern, Stablasern, sowie mit Gaslasern realisierbar. Dabei können spektrale Breiten von 1 nm und weniger erzielt werden.
In Wellenlängenbereich bis zu maximal ca. 2,2 μιη können Lichtleitfasern basierend auf Quarzglas für die Übertragung des Laserlichts über eine größere Distanz eingesetzt werden. Entsprechend sind die Wellenlängenbereiche bis zu 2,2 μηι insbesondere für auf Faserlaser basierende Strahlerzeuger interessant. Fasern basierend auf anderen Gläsern z.B. Fluoridglä- ser (ZBLAN) können des Weiteren bis 6 μηι Wellenlänge eingesetzt werden.
Eine angestrebte maximale spektrale Breite des Lasers hängt unter anderem von der Temperatur, dem Luftdruck, der genauen chemische Zusammensetzung sowie der relativen Feuchte der Atmosphäre ab, da diese die Linienbreite der Absorption mitbeeinflussen. Die Luftfeuchte der Umgebungsluft kann mit dem Wetter variieren, sie kann aber auch durch spezielle Rahmenbedingungen bei einer Laserbearbeitung beeinflusst werden. Tendenziell kann eine höhere Absorption mit spektral schmalen Lasern erzielt werden (beispielsweise spektrale Breiten kleiner 1 nm FWHM), da dann die spektrale Breite optimal auf das Maximum einer Atmosphärendämpfungslinie angepasst werden kann und somit eine optimierte Absorptionswirkung erzielt werden kann.
Wie aus den Figuren 3 bis 5 ersichtlich existieren in der Atmosphäre viele Spektralbereich mit hoher Transmission und viele Spektralbereiche mit geringer Transmission. Diese Bereiche können mit vielen verschiedenen Lasern adressiert werden. Die folgenden Erläuterungen stellen keinen Anspruch auf Vollständigkeit, sie sollen vielmehr die Möglichkeiten beim Design entsprechender Strahlerzeuger aufzeigen. Allgemein hat die Verwendung von Faserlasern als Strahlerzeuger 2 den Vorteil eines nicht-offenen, d.h. nicht der Luft ausgesetzten, Resonators. Allerdings können auch Scheibenlaser und Stablaser mit evakuiertem Resonator oder mit einem Resonator in z.B. Stickstoffatmosphäre auf die benötigten Wellenlängen eingestellt werden.
Allgemein kann die Emission durch die Dotierung eines Festkörperlasermediums eingestellt werden. So kann beispielsweise ein YAG Wirtskristall durch Dotierung mit Ho3+, Er3+, Cr3+ und/oder Tm3+ auf eine Laserwellenlänge eingestellt werden, die im Bereich eines Absorptionsmaximums (oder mehrerer nahe beieinander liegender Absorptionsmaxima) der Atmosphäre liegt. Ein verfügbarer Laser ist ein Thulium-dotierter (Tm3+) Faserlaser, der in einem Spektralbereich von 1,8 μιη bis 2,1 μιη emittiert. Durch Anpassung der Rückkopplung des Faserlaserresonators über ein oder mehrere Fiber Bragg Grätings (FBGs) kann der Laser auf ein Absorptionsmaximum der Atmosphäre eingestellt werden. Die Rückkopplung des FBGs, welche sich aus der Bragg-Bedingung ergibt, kann über den Abstand der in den Faserkern eingeschriebenen Brechzahlerhöhungen eingestellt werden. Des Weiteren kann auch die spektrale Breite der Rückkopplung über den variierenden Abstand der einzelnen Brechungsindexerhöhungen zueinander festgelegt werden. Um die variierenden Abstände der Brechungsindexerhöhungen in der Faser optimal auf die Absorption in der Atmosphäre abzustimmen kann beispielsweise die Phasenmaskentechnologie eingesetzt werden.
Eine Abschätzung des benötigten Absorptionsweges für eine Laserwellenlänge von 1,8 μιη für obigen (Tm3+)-Faserlaser ergibt für einen außergewöhnlich stark reflektierten Strahl aus der Prozesszone von 1000 W und bei Zugrundelegung eines Absorptionskoeffizient von z.B. 0,03 crrf 1 (unter Verwendung der oben angegebenen Formel für das Lambert-Beersche Gesetz) eine Abschwächung der Strahlung nach 1 m auf 49 W, nach 2 m auf 2,5 W und nach 3 m auf 0,12 W. Dabei wurden eine Strahlaufweitung und eine damit einhergehende weitere Reduzierung der Intensität noch nicht berücksichtigt. Wird diese zusätzlich berücksichtigt, kann in manchen Ausführungsformen z.B. nach 1 m oder weniger die Lasernorm DIN EN 60825-1 erfüllt werden.
Eine deutlich gesteigerte Absorption erfährt ein Erbium-dotierter (Er3+) Fluoridglas- Faserlaser, welcher im Spektralbereich von 2,7 μιη bis 2.9 μιη emittieren kann. Hier liegen Absorptionsmaxima der Atmosphäre vor, die 10-mal höher sind als die für den Tm3+- Faserlaser. Eine vergleichbare Beispielrechnung zeigt, dass bei einem Absorptionskoeffizient von 0,3 crrf1 1000 W Laserleistung nach 1 m bereits auf 90 pW abfallen.
Wie bereits angemerkt, beruht die absorbierende Wirkung der umgebenden Atmosphäre hauptsächlich auf der Anwesenheit von Wasserdampf in der Atmosphäre. Eine zu trockene Luft, d.h. zu geringe Luftfeuchtigkeit, kann daher dazu führen, dass kein ausreichende Absorption und damit unzureichender Strahlenschutz gegeben ist.
Entsprechend kann die Laserbearbeitungsanlage zur Überwachung und Gewährleistung der Absorption nach dem hierin offenbarten Konzept mit einem oder mehreren Feuchtesensoren ausgerüstet werden. Diese überwachen die Umgebungsluft permanent während des Betriebs, sodass eine Regelung (z.B. der verwendbaren Laserleistung und/oder der Vorschubgeschwindigkeit des Bearbeitungskopfs 4 und/oder des verwendbaren Bearbeitungsbereichs 15) und/oder ein Alarmsignal ausgelöst werden kann, wenn ein erster Grenzwert unterschritten wird. Wird z.B. der Vorschub reduziert, kann es zu einem verminderten Strahlungsaustritt aus der Prozesszone 21 kommen und die in der umgebenden Luft vorliegende Strahlungsabsorp- tion kann wieder einen sicheren Betrieb gewährleisten. Beim Unterschreiten eines weiteren Grenzwerts kann dann beispielsweise der Laserstrahl abgeschaltet werden. Dies kann z.B. durch Öffnen eines Interlockkreises zur Deaktivierung der Laserquelle und/oder durch Schließen einer Blende/eines Shutters erfolgen.
Fig. 1 zeigt beispielhaft Feuchtesensoren 31 an den Ecken der Werkstücklagerungseinheit 5. Die Position und Anzahl der Feuchtesensoren ist durch die Geometrie der abzusichernden Personenzugangszone(n) in Bezug zu den einnehmbaren Positionen der Prozesszone 21 bedingt. Dabei ist zu berücksichtigen, dass zwischen der Prozesszone 21 und dem Benutzer möglicherweise die Raumluft z.B. durch Luftströme von Kompressorkühlern lokal beeinflusst werden kann.
Da es sich bei dem Feuchtesensor um ein sicherheitsrelevantes Element handelt, wird vorzugsweise eine Kombination von zwei oder mehreren Feuchtesensoren eingesetzt, wobei auch die Verkabelung nach sicherheitsrelevanten Aspekten ausgelegt wird.
Da das Lasersystem spektral auf eine hohe Wasserdampfabsorption abgestimmt ist, kann eine (ungewollte) Absorption auf dem Strahlweg vom Strahlerzeuger 2 zur Prozesszone 21 gezielt vermieden oder zumindest soweit wie möglich reduziert werden. Finden beispielsweise Laser Anwendung, die im Spektralbereich von 1,8 μιη bis 2,0 μιη emittieren, so können Glasfasern aus Quarzglas zur Lichtleitung eingesetzt werden. Da mit zunehmendem OH-Gehalt, aber auch aufgrund von zunehmender intrinsischer Infrarot- Absorption, des für die Faser verwendeten Glases die Dämpfung in diesem Spektralbereich zunimmt, sind für die Übertragung der Laserleistung zwischen Strahlerzeuger 2 und Bearbeitungskopf 4 und/oder auch als aktive Faser eines Faserlasers (als Beispiel für einen Strahlerzeuger 2) OH-Gehalt arme Fasern (so genannten wasserarme Fasern) einsetzbar. Beispielsweise weisen Glasfasern aus Quarzglas einen OH-Gehalt viel kleiner als 1000 ppm auf. Bevorzugt sind Konzentrationen von ca. 1 ppm und weniger. Dadurch kann die IR-Transmission des Lasersystems erhöht werden.
Ebenso kann im Bereich einer Freistrahlführung und in der Laserbearbeitungsoptik 4a eine unerwünschte Absorption vermieden oder zumindest soweit wie möglich reduziert werden. Beispielsweise kann die Strahlführung inklusive des Bearbeitungskopfs 4 mit einer auf einem nicht-abschwächenden Gas basierenden Spülung, wie z.B. mit getrocknetem Stickstoff (dessen Feuchtigkeitsanteil beispielsweise hinsichtlich eines Maximalwerts überwacht wird), ab- sorptionsarm gehalten werden. Die im Bearbeitungskopf verwendeten Linsen sind ebenfalls aus einem Material mit geringer Absorption, sodass sich die Linsen möglichst nicht zu sehr erwärmen.
Um ferner den Laserstrahl auf dem Weg zwischen dem Austritt aus der Laserbearbeitungsoptik 4a und der Oberfläche des Werkstücks 8 nicht durch die durchstrahlte Atmosphäre zu dämpfen, kann im Bereich des Laserstrahlaustritts ein absorptionsarmes Gas ausgeströmt werden. Auch hier können besonders getrocknete Prozessgase verwendet werden, z.B. Stickstoff oder Sauerstoff, deren Feuchtigkeitsanteile ebenfalls hinsichtlich eines Maximalwerts überwacht werden können. Derartige Gase können ohnehin für den Laserschneidprozess z.B. zum Schmelzaustrieb bzw. Brennschnitt eingesetzt werden. Ebenso kann beim Laserschweißen der Laserstrahl in einer dämpfungsarmen (möglichst wasserfreien) Schutzgas- Atmosphäre auf die Blechoberseite geführt werden.
Um die Dämpfung des Laserstrahls zu verhindern oder zumindest so gering wie möglich zu halten, ist es somit von Vorteil, wenn der Wasserdampfanteil in den eingesetzten Spül- und Prozessgasen gering gehalten wird, wenn also sogenannte getrocknete Gase eingesetzt werden.
Sowohl für die die Bearbeitung unterstützenden Gase als auch für die Spülgase des Lasersystems weist die Laserbearbeitungsanlage 1 ein Trockengassystem 10 auf, in dem getrocknete Gase, d.h. Gase 10a mit einem geringen Wasserdampfanteil beispielsweise unter 5 ppm H20 bereitgestellt werden. Somit wird verhindert, dass Wasserdampf in den Gasen unerwünscht die von dem Strahlerzeuger 2 bereitgestellte Leistung dämpft.
Die in Fig. 2 gezeigte Laserbearbeitungsoptik 4a ermöglicht das Spülen oder Fluten sowie das Bereitstellen eines absorptionsarmen Strahlaustritts. Das Laserlicht wird über eine Lichtleitfaser 39 einem Gehäuse 41 zugeführt. In diesem sind Linsen (beispielsweise eine Kollimations- linse 43 a und eine Fokussierungslinse 43b) beabstandet angeordnet, sodass sich ein mit Gas gefüllter Innenraum 45 zwischen den beiden Linsen und zwischen der Kollimationslinse 43 a und einer Fasereinkoppelseite des Gehäuses 41 ausbildet. Über einen oder mehrere Anschlüsse 47 kann der Innenraum 45 mit getrocknetem Stickstoff zur Vermeidung einer Dämpfung innerhalb der Laserbearbeitungsoptik 4a geflutet/gespült werden. Die Linsen 43 a und 43b sind beispielsweise aus Heraeus Suprasil® 3002 bzw. 300 mit einem OH-Gehalt von ca. 1 ppm OH bzw. kleiner 1 ppm OH ausgebildet.
Im Anschluss an die Austrittslinse 43b weist die Laserbearbeitungsoptik 4a zusätzlich eine an die Strahlverjüngung angepasste Schürze 49 auf. Über einen Anschluss 51 wird das getrocknete Prozessgas nahe der Linse 43 a zugeführt und dann gezielt und in möglichst geringer Menge entlang des Strahlwegs ausgeströmt, sodass der Laserstrahl 6 keine Umgebungsluft durchstrahlt und entsprechend kaum Absorption vor der Wechselwirkung mit dem Werkstück 8 erfährt.
Die Figuren 6 bis 8 zeigen jeweils vereinfachte Aufsichten auf Laserbearbeitungsanlagen, bei denen das auf Absorption in der Umgebungsluft basierende Schutzkonzept in unterschiedlichen Weisen integriert ist.
In Fig. 6 ist eine Laserbearbeitungsanlage 100 mit einer Werkstücklagerungseinheit 105 gezeigt, wobei eine Personenzugangszone 119 sich vollständig um die Werkstücklagerungseinheit 105 erstreckt.
Im speziellen weist die Laserbearbeitungsanlage 100 zusätzlich eine an der Werkstücklagerungseinheit 105 bewegbar angebrachte Positioniereinheit 120 zum Positionieren eines Laserbearbeitungskopfes 104 auf. Die Positioniereinheit 120 erlaubt es, den Laserbearbeitungskopf 104 derart zu verfahren, dass sich eine von der Position des Laserbearbeitungskopfes 104 abhängige Prozesszone für die Wechselwirkung mit einem Werkstück 108 innerhalb eines Bearbeitungsbereichs 115 einstellen lässt.
Laserbearbeitungsanlage 100 weist ferner einen Laserstrahlerzeuger 102 auf, von dem über eine Lichtleitfaser 139 Laserlicht zum Laserbearbeitungskopf 104 geführt wird. Im Laserbearbeitungskopf 104 wird das Laserlicht umgelenkt und als Laserstrahl auf das Werkstück 108 fokussiert. Aufgrund der Wechselwirkung mit dem Werkstück 108 oder auch der Oberfläche der Werkstücklagerungseinheit 105 kann Laserstrahlung in die verschiedensten Richtungen reflektiert oder gestreut werden. Diese Strahlung 106a, die auf den Laserstrahl zurückgeht, wird beispielhaft mit Pfeilen in Fig. 6 angedeutet. Zur Steuerung des Strahlerzeugers 102 sowie der Positioniereinheit 120 weist die Laserbearbeitungsanlage 100 ferner ein Bedienpult 160 auf, dass über Datenverbindungen 162 mit einer Steuerungseinheit 164 verbunden ist. Steuerungseinheit 164 ist zur Steuerung des Laserstrahlerzeugers sowie der Positioniereinheit 120 und der Werkstücklagerungseinheit 105 ausgebildet. Steuerungseinheit 164 kann ein oder mehrere Bauteile aufweisen, die zum Durchführen von Systemsteuerungen ausgebildet sind, zum Beispiel einen Speicher zum Speichern von Tabellen von Wasserdampfanteil-Mindestabsorptionsweglängen für spezifische Laseremissionswellenlängen, eine Sekundärspeichervorrichtung und einen Prozessor, wie zum Beispiel eine zentrale Recheneinheit. Ein Fachmann wird erkennen, dass die Steuerungseinheit 164 zusätzliche oder andere Bauteile beinhalten kann. Verschiedene andere Schaltkreise, wie zum Beispiel Leistungsversorgungsschaltkreise, Eingabeschaltkreise und/oder andere allgemein bekannte Schaltkreise, Inter-Lock-Systeme und kabelgebundene und kabellose Datenverbindungen können der Steuerungseinheit 164 zugehörig sein.
In Fig. 6 ist zur Verdeutlichung des Schutzkonzepts ferner ein Außenrand 115a des Bearbeitungsbereichs 115 angedeutet. Der Außenrand 115a verläuft beispielsweise parallel zu einer Gehäusekante 23 a der Werkstücklagerungseinheit 105. Dadurch ist ein Mindestabstand (entsprechend eine Mindestweglänge Dmin) zwischen einer möglichen Position der Prozesszone und damit des Ortes der Stahlreflektion oder Strahlstreuung zu einer Person, die sich in der Personenzugangszone 119 aufhält, gegeben. Der Abstand des Außenrands 115a des Bearbeitungsbereichs 115 zum Außenrand 123 a der Werkstücklagerungseinheit 105 kann üblicherweise so groß gewählt werden, dass ein Mindestabstand zwischen der Position der Prozesszone und einer sich in der Personenzugangszone 119 aufhaltenden Person immer gegeben ist. Soll sich der Benutzer auch über den Rahmenbereich beugen dürfen, reduziert sich entweder die Ausdehnung des Bearbeitungsbereichs 115 oder die Breite eines Rahmenbereichs 117 und entsprechend die Weglänge Dmin. Verringert sich die Breite des Rahmenbereichs 117, so müssen Absorptionsverhältnisse geschaffen werden, die eine mögliche Strahlung, die durch Reflektion und Streuung des Laserstrahls entstehen kann, möglichst schon sehr nahe an der Prozesszone 21 unter die erforderlichen Intensitäten bringen. Der in Zusammenhang mit Fig. 10 beschriebene Bearbeitungskopf kann eine entsprechend feuchte Atmosphäre um die Prozesszone 21 bereitstellen.
In Fig. 6 wird die Umgebungsluft 170, die sich oberhalb und rund um die Werkstücklagerungseinheit 105 ausbreitet und damit auch die Prozesszone umgibt, durch Punkte dargestellt. Die Laserwellenlänge des Strahlerzeugers 102 ist auf eine Absorptionslinie der Umgebungsluft 170 eingestellt, sodass allein die Ausbreitung der reflektierten oder gestreuten Laserstrahlung 106a über eine Weglänge, die mindestens der Mindestweglänge Dmin entspricht, zu einer erforderlichen Dämpfung führt. Die Abstimmung der Laserwellenlänge auf die Absorption der Umgebungsluft 170 ist so ausgelegt, dass auch bei einer maximalen möglichen Intensität eines reflektierten Laserstrahls diese in der Personenzugangszone 119 zu einer Intensität führt, welche unter einem erforderlichen Wert für den Laserschutz liegt.
Da die Absorption in der Umgebungsluft wesentlich von der Luftfeuchtigkeit abhängt, weist die Laserbearbeitungsanlage 100 zusätzlich Feuchtesensoren 131 auf, die die Feuchtigkeit der Umgebungsluft 170 messen. Dabei sind die Feuchtesensoren 131 derart angeordnet, dass sie ausreichend Information über die Luftfeuchtigkeit in einem Rahmenbereich 117 liefern. Der Rahmenbereich 117 wird durch den Außenrand 115a und der Gehäusekante 123a begrenzt und entspricht in seiner Breite einem minimalen Weg, den reflektiertes/gestreutes Licht zu einem Benutzer zurücklegen wird. Der Rahmenbereich 117 stellt somit einen minimalen Zwischenraum zwischen der Prozesszone 21 und der Personenzugangszone 119 dar.
Beispielhaft sind in Fig. 6 vier Feuchtesensoren an den jeweiligen Ecken angeordnet. Weitere Feuchtesensoren können beispielsweise am Bearbeitungskopf oder in regelmäßigen Abständen entlang der Gehäusekante 123a angeordnet werden. In Fig. 6 ist ferner ein zugeordneter Abschnitt 131a schematisch illustriert, der einem der an der Ecke angeordneten Feuchtesensoren 131 zugeordnet ist. Zur vollständigen Überwachung kann die Anzahl der Feuchtesensoren und die ihnen zugeordnete Größe des Abschnitts 131a auf den zu überwachenden Grenzbereich zur Personenzugangszone 119 und die Homogenität der Luftfeuchtigkeit in diesem Bereich abgestimmt werden.
Die Feuchtesensoren 131 sind ebenfalls über die Datenverbindungen 162 mit der Steuerungseinheit 164 verbunden. Stellt einer der Feuchtesensoren 131 einen Feuchtigkeitswert für den ihm zugeordneten Volumenbereich der Umgebungsluft fest, wird dieser an die Steuerungseinheit 164 übertragen. Die Steuerungseinheit 164 kann dann den Strahlerzeuger 102 in seiner Leistung entsprechend dem gerade vorliegenden Absorptionskoeffizienten reduzieren, ganz ausschalten oder den Vorschub des Bearbeitungskopfs 104 vermindern. Alternativ kann die Steuerungseinheit 164 den Bearbeitungsbereich 115 verkleinern und dadurch den Zwischenraum zwischen Prozesszone und Personenzugangszone und entsprechend die Absorptions- weglänge vergrößern. Beispielshaft ist ein weiterer Außenrand 115b eines verkleinerten Bearbeitungsbereichs mit einer modifizierten Mindestabsorptionsweglänge Dmin' in Fig. 6 gestrichelt dargestellt. Bei zunehmender Luftfeuchte kann ebenso der Bearbeitungsbereich 115 unter Beibehaltung der Laserschutzgewährleistung vergrößert werden. Um einen Benutzer der Laserbearbeitungsanlage 1 auf eine Abtrocknung der Umgebungsluft 170 hinzuweisen, kann die Steuerungseinheit 164 ferner ein Warnsignal ausgeben, sobald einer der Feuchtesensoren 131 eine Abnahme der Luftfeuchtigkeit in Richtung eines kritischen Luftfeuchtigkeitswerts detektiert. Ebenso kann beispielsweise eine Absperrung vorgesehen werden, die bei Bedarf (z.B. bei abnehmender Luftfeuchte oder einem vorrübergehend erforderlichen nahen Heranfahren des Laserkopfes an die Gehäusekante 123 a) beispielsweise vertikal aus dem Rand der Werkstücklagerungseinheit nach oben ausgefahren werden kann und somit ein sich über den Rand Beugen des Benutzers in Richtung Prozesszone nicht mehr erlaubt oder beispielsweise beim horizontalen Ausfahren einen größeren seitlichen Abstand des Benutzers erzwingt. In einer Ausführungsform kann eine ausfahrbare Wand am Rand der Werkstückauflage während der Bearbeitung so weit nach oben ausgefahren werden, dass der Bediener sich nicht mehr über die Werkstückauflage beugen, aber noch darüber hinweg schauen kann.
Fig. 7 zeigt eine weitere Laserbearbeitungsanlage 200, wobei der Aufbau der Laserbearbeitungsanlage 100 aus Fig. 6 ähnelt und entsprechend ähnliche Komponenten mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind.
Laserbearbeitungsanlage 200 weist zwei Aspekte auf, die jeweils individuell oder auch gemeinsam in Laserbearbeitungsanlagen vorgesehen werden können. Zum einen weist die Laserbearbeitungsanlage 200 eine feste Schutz wandstruktur 280 auf, die sich beispielhaft entlang zweier Seiten der Werkstücklagerungseinheit 105 erstreckt. Derartige Schutzwandstrukturen können beispielsweise vorgesehen werden, wenn kein Zugang in diesen Bereichen möglich sein soll.
Zum anderen weist die Laserbearbeitungsanlage 200 eine Lichtschrankeneinheit 282 auf. Die Lichtschrankeneinheit 282 ist dafür vorgesehen, einen Mindestabstand zwischen der Personenzugangszone 219 und der Werkstücklagerungseinheit 105 festzulegen (oder zu erhöhen). Dies entspricht einer Anpassung der Ausdehnung des Zwischenraums zwischen Personenzugangszone und Prozesszone, beispielsweise einer Verlängerung der Absorptionsweglänge, falls eine vorliegende Luftfeuchte nicht ausreicht. Dadurch ergibt sich ein Minimumabstand Dmin zwischen einem Benutzer in der Personenzugangszone 219 und den möglichen Lagen der Prozesszone im Bearbeitungsbereich 115 aus der Summe der Weglänge im Rahmenbereich 117 und der Weglänge von der Gehäusekante 123a bis zu einer Lichtschranke 284. Diesem Mindestabstand Dmin kann wiederum eine Mindestluftfeuchtigkeit zugeordnet werden, die mit den Feuchtesensoren 131 überwacht und somit gewährleistet wird.
Die Lichtschrankeneinheit 282 ist ebenfalls mit der Steuerungseinheit 164 verbunden, sodass ein Durchbrechen der Lichtschranke 284 durch den Benutzer entsprechende Steuerungsmaßnahmen der Steuerungseinheit 164 auslösen kann. Beispielsweise kann die Leistung des Strahlerzeugers 102 reduziert oder auf null gesetzt werden. Alternativ kann je nach momentaner Lage der Prozesszone im Bearbeitungsbereich 115 ein Warnsignal ausgegeben werden, und, sobald sich die Prozesszone zu nah an den Außenrand 115a bewegt, kann der Strahlerzeuger 102 ausgeschalten werden. Alternativ oder zusätzlich zu der in Fig. 7 dargestellten linearen Lichtschrankeneinheit 282 kann eine dreidimensionale Überwachung der Personenzugangszone erfolgen, sodass insbesondere im Zusammenspiel mit der Lage der Prozesszone eine personenpositionsabhängige Schutzfunktion bereitgestellt werden kann.
Mit Bezug auf die Figuren 8 und 9 werden weitere Ausführungsformen einer Laserbearbeitungsanlage 300 erläutert, in denen durch gezieltes Ausströmen eines feuchten Gasgemisches, d.h. eines Wasser- oder Wasserdampf-haltigen Gasgemisches, die Absorption von gestreuten oder reflektierten Laserlicht gezielt angehoben wird. Dies entspricht dem Ansatz einer Einstellung der Feuchtigkeit zumindest in einem Teilbereich des Zwischenraums zwischen Prozesszone und Personenzugangszone zur Erhöhung der Absorptionsrate. Zur Vereinfachung werden Komponenten der Laserbearbeitungsanlage 300, die im Wesentlichen identisch sind mit denen der zuvor beschriebenen Laserstrahlanlagen 100 und 200 mit den entsprechenden Bezugszeichen versehen.
In einer Ausführungsform wird der Aufstellungsort der Laserbearbeitungsanlage beispielsweise mit Düsen-Luftbefeuchtern, die eine großflächige, effektive und gleichmäßige Luftbefeuchtung gewährleisten, ausgerüstet. So kann beispielsweise mit Injektordüsen, die mit Druckluft und Wasser arbeiten, Wasser bei Ausströmen der Druckluft angesaugt und zerstäubt ausgeblasen werden. Derartige Systeme erlauben eine gezielte Maschinen- oder Bereichsbefeuchtung und das Gewährleisten einer entsprechenden Luftfeuchte. Allgemein ist bei durch Befeuchtung unterstützen Laserschutzkonzepten auch die Überwachung der Wasserdampf- bzw. Wasserzuführung relevant für die Lasersicherheit. Bleibt diese aus, kann kein ausreichender Schutz mehr gegeben sein. Eine entsprechende Überwachung der Funktionsfähigkeit der Befeuchtungsanlage könnte z.B. durch einen Durchflussmesser in der Zuführung oder durch einen Füllstandsanzeiger in einem Vorratsgefäß erfolgen.
In einer weiteren Ausführungsform gemäß Fig. 8 wird im Bereich des Laserbearbeitungskopfs 104 um eine Prozesszone 321 die Umgebungsluft 170 befeuchtet. Dazu weist die Laserbearbeitungsanlage 300 eine Ausströmungsvorrichtung 390 auf, die sich beispielhaft rund um die Laserbearbeitungsoptik erstreckt. In der schematischen Schnittdarstellung der Fig. 9 ist entsprechend eine Kammer 392 der Ausströmungsvorrichtung 390 dargestellt, die den Bereich um eine fokussierende Austrittslinse 343b umgibt und der ein feuchtes Gasgemisch 394 zugeführt wird. Öffnungen 396 der Kammer 392 erlauben ein gleichmäßiges Austreten des feuchten Gasgemisches parallel zu einem fokussierten Laserstrahl 306. Dadurch bildet sich ein ringförmiger Feuchtigkeitsvorhang (als Feuchtigkeitsabschnitt 398a mit erhöhtem Wasserdampfanteil in Fig. 9 gekennzeichnet) um die Prozesszone 321. Eine sich entlang des Laserstrahls erstreckende Schürze 349 kann zusätzlich ein Eindringen des feuchten Gasgemisches in die Prozesszone 321 erschweren und damit eine unerwünschte Absorption des fokussierten Laserstrahls 306 vor dem Werkstück 308 reduzieren.
Beispielhaft sind mehrere Positionen für Feuchtesensoren zur Überwachung der Luftfeuchtigkeit des feuchten Gasgemisches 394 in den Fig. 8 und 9 gezeigt. So können Feuchtesensoren innerhalb der Kammer 392 oder zwischen den Öffnungen 396 oder an der Schürze 349 angeordnet sein.
Die Verwendung von trockenen Prozessgasen, die beispielsweise durch Anschluss 351 entlang des Strahlengangs auf das Werkstück 308 gelenkt werden, kann ferner einem Eindringen der befeuchteten Umgebungsluft in die Prozesszone 321 entgegenwirken. Beispielshaft ist in Fig. 9 ein Gasstrahl 399 angedeutet. Bei Beginn einer Laserbearbeitung kann Gasstrahl 399 durch mehrere Spülstöße unter anderem eingedrungene Luft in der Schürze 349 aus dem Strahlengang entfernen. Gleiches gilt für die Bearbeitungsoptik.
Eine Anordnung der Ausströmungsvorrichtung 390 um die Prozesszone 321 gewährleistet ein zusätzliches Abschirmen der Laserstrahlung unabhängig von der Position der Prozesszone 321 bezüglich der Personenzugangszone 319. Allerdings wird im Gegenzug das Werkstück 8 nahe der Prozesszone 321 zusätzlicher Feuchtigkeit ausgesetzt. Um unerwünschte Effekte der Laserbearbeitung des Werkstücks 308 zu verhindern, kann entsprechend die Feuchtigkeit des feuchten Gasgemisches an die verschiedenen Bearbeitungsprozesse angepasst, demineralisier- tes Wasser eingesetzt oder das Wasser mit einem Korrosionsschutz versehen werden. Alternativ kann eine geringere Feuchtigkeit des eingesetzten Gasgemisches zur Gewährleistung einer erforderlichen Absorption durch eine Verbreiterung des Feuchtigkeitsvorhangs kompensiert werden.
In den Fig. 8 und 9 ist eine weitere Ausströmungsvorrichtung 390a gezeigt, die in Ergänzung oder alternativ zur Ausströmungsvorrichtung 390 eingesetzt werden kann. Die Ausströmungsvorrichtung 390a erstreckt sich entlang des Rahmenbereichs 117 und erhöht in einem sich entsprechend erstreckenden Feuchtigkeitsabschnitt 398b gezielt die Luftfeuchtigkeit. In der beispielhaften Ausführung in Fig. 8 erstreckt sich die Ausströmungsvorrichtung 390a entlang zweier aneinander angrenzender Seiten, wobei die verbleibenden zwei Seiten beispielhaft durch eine Schutzwandstruktur 380 abgesichert werden.
Auch die Ausströmungsvorrichtung 390a weist eine Kammer 392a auf, in die ein feuchtes Gasgemisch 394 einströmt und über Öffnungen 396a als Feuchtigkeitsvorhang in Richtung der Werkstücklagerungseinheit 5 ausströmt. Eine vertikale Länge L des Feuchtigkeitsvorhangs ist derart ausgelegt, dass ein offener Zugang zu der Prozesszone 321 aus der Personenzugangszone 319 heraus besteht. Bei Bedarf kann zusätzlich eine Schutzwandabdeckung oberhalb der Ausströmungsvorrichtung 390a vorgesehen werden.
Fig. 10 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Laserbearbeitungskopfes 404 mit einem integrierten Befeuchtungssystem und einem Feuchtesensor. Der Laserbearbeitungskopf 404 kann beispielsweise beim Laserschneiden eingesetzt werden, bei dem ein heißes Werkstück durch Besprühen mit Wasser gekühlt wird. Durch die Wasserkühlung kann insbesondere bei großen Materialdicken die Ausbildung eines Temperaturunterschiedes zwischen den Materialseiten reduziert werden.
Durch den Sprühnebel sowie durch die Verdampfung des aufgesprühten Wassers wird lokal die Luftfeuchte erhöht. Entsprechend dem hierin beschriebenen Schutzkonzept wird somit Laserstrahlung, die in der Prozesszone reflektiert oder gestreut wird, schon sehr nahe an der Prozesszone absorbiert, sodass gegebenenfalls schon nahe am Laserbearbeitungskopf 404 Intensitäts werte erreicht werden können, die einen weiteren Schutz nicht mehr erforderlich machen oder die eine sich anschließende Absorption in der Luft auf einer reduzierten
Weglänge ausreichen lassen.
Insbesondere zeigt Fig. 10 einen Grundkörper 414, eine am Grundkörper 414 befestigte Düsenhalterung 416 und eine an der Düsenhalterung 416 befestigte Wasser-Sprühdüse 418. Ein fokussierter Laserstrahl 406 verläuft durch den Grundkörper 414, die Düsenhalterung 416 und die Wasser-Sprühdüse 418, tritt durch eine Austrittsöffnung 410 aus und trifft auf ein Werkstück 408 in einer Prozesszone 421. Dadurch bildet sich beispielsweise ein Schnittspalt 409 in dem Werkstück 408 aus.
In einer Ausführungsform wird ein Prozessgas 494 in den Grundkörper 414 eingeführt, so dass dieses wie der Laserstrahl durch die Austrittsöffnung 410 entlang dessen Ausbreitungsrichtung austritt und beispielsweise den Bearbeitungsprozess unterstützt.
Der Laserbearbeitungskopf 404 weist ferner ein Wasserzuführsystem 452 auf. Dieses ist in Fig. 10 durch einen Wasserkanal 454, einen Ringkanal 456, und einer - in Fig. 10 ringförmig ausgebildeten - Wasseraustrittsöffnung 458 angedeutet. Das Wasserzuführsystem 452 ist mit einem Wasserreservoir verbunden, in dem sich z. B. demineralisiertes Wasser befindet.
In der Ausführungsform gemäß Fig. 10 sind der Ringkanal 456 und die Wasseraustrittsöffnung 458 in die Wasser-Sprühdüse 418 integriert. In Fig. 10 erstreckt sich die Wasseraustrittsöffnung 458 ringförmig um die Austrittsöffnung 410 des Laserstrahls 406 und ist derart ausgebildet, dass sich ein Sprühnebel 426 ringförmig um die Prozesszone 421 ausbildet und insbesondere die erwärmte Oberfläche des Werkstücks 408 befeuchtet. Dabei verdampft Wasser, sodass sich sowohl durch den Sprühnebel 426 als auch durch das verdampfte Wasser befeuchtete Bereiche 498a und 498b mit einer erhöhten Luftfeuchte um die Prozesszone 421 ausbilden.
In einer alternativen Ausführungsform, insbesondere bei eindimensional bewegbarem Laser- bearbeitungskopf, ist die Wasseraustrittsöffnung nur auf einer der Vorschubrichtung zugewandten Seite des dargestellten Laserbearbeitungskopfs 404 angeordnet, sodass insbesondere aufgrund der Wechselwirkung des befeuchteten Materials mit dem Laserstrahl die Luftfeuch- tigkeit um die Prozesszone 421 erhöht wird. Des Weiteren kann das Wasserzuführsystem 452 nicht nur Wasser sondern auch Wasserdampf bzw. befeuchtete Luft oder nur Wasserdampf bzw. befeuchtete Luft zuführen.
Der Laserbearbeitungskopf 404 weist ferner ein Feuchtesensorsystem auf, das es erlaubt die Luftfeuchte nahe der Prozesszone 421, insbesondere in den befeuchteten Bereichen 498a und/oder 498b, zu messen. Dadurch erhält ein Kontrollsystem der zugehörigen Laserbearbeitungsmaschine Informationen über die nahe der Prozesszone 421 vorliegenden Absorptionsparameter und kann entsprechend einen gesicherten Betrieb der Laserbearbeitungsmaschine gewährleisten. Ferner kann das Kontrollsystem beispielsweise zusätzliche Maßnahmen einleiten oder zurücknehmen, je nach gemessenen Feuchtewerten nahe der Prozesszone 421.
Feuchtesensoren sind allgemein bekannt und können beispielsweise auf spektroskopischen Messverfahren oder der Materialbeeinflussung durch die vorliegende Feuchte basieren. Beispielhaft sind in Fig. 10 ein sich ringförmig um die Düsenhalterung 416 erstreckender Feuchtesensor 431a sowie ein Feuchtesensor 431b gezeigt. Feuchtesensoren 431b misst beispielsweise entlang einer optischen Messstrecke 433 den Feuchtegehalt spektroskopisch. Allgemein können ein oder mehrere Feuchtesensoren den gewünschten Überwachungsbereich nahe der Prozesszone 421 abdecken. Feuchtesensor 431b kann, insbesondere bei eindimensional bewegbarem Laserbearbeitungskopf, auf einer der Vorschubrichtung abgewandten Seite des Laserbearbeitungskopfes 404 angeordnet sein.
Die in Fig. 10 dargestellte Anordnung von Feuchtesensoren ist nur beispielhaft zu verstehen, da je nach Laserbearbeitungskopf andere Anordnungen für eine entsprechende Überwachung der befeuchteten Bereiche 498a, 498b eingesetzt werden können. Beispielsweise können die Feuchtesensoren auch direkt am Grundkörper 414 vorgesehen werden.
Alternativ oder ergänzend zu Sensoren, die die Luftfeuchtigkeit der befeuchteten Bereiche messen, können auch Sensoren eingesetzt werden, die direkt die Strahlungstransmission eines z.B. von einer Laserdiode erzeugten Strahls in den befeuchteten Bereichen 498a und/oder 498b messen.
Die vorausgehenden Ausführungsbeispiele von Laserbearbeitungsanlagen beziehen sich beispielhaft auf die Blechverarbeitung. Allerdings ist das hier beschriebene Schutzkonzept nicht auf die Bearbeitung von plattenförmigen Werkstücken beschränkt. Vielmehr kann das Laserschutzkonzept auch bei der Bearbeitung von rohrförmigen oder dreidimensionalen variablen geformten Werkstücken und bei an Robotern angebrachten Laserbearbeitungsköpfen Anwendung finden. Ferner versteht sich, dass das hier beschriebene Laserschutzkonzept nicht nur bei einer Laserschneidmaschine, wie sie beispielhaft in Fig. 1 gezeigt wurde, sondern auch bei anderen Laserbearbeitungsmaschinen z.B. zum Laserhärten, Laserschweißen und Laserauftragsschweißen von Materialien bzw. an Stanz-Laser-Kombinationsmaschinen eingesetzt werden kann. Insbesondere kann das Laserschutzkonzept auch an Maschinen mit feststehendem oder nur in einer Richtung bewegbarem Bearbeitungskopf noch einfacher eingesetzt werden.
Es wird explizit betont, dass alle in der Beschreibung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale als getrennt und unabhängig voneinander zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung unabhängig von den Merkmalskombinationen in den Ausführungsformen und/oder den Ansprüchen angesehen werden sollen. Es wird explizit festgehalten, dass alle Bereichsangaben oder Angaben von Gruppen von Einheiten jeden möglichen Zwischenwert oder Untergruppe von Einheiten zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung offenbaren, insbesondere auch als Grenze einer Bereichsangabe.

Claims

Patentansprüche
1. Laserbearbeitungsanlage (1) zum Bearbeiten eines Werkstücks (8) mit einem Laserstrahl (6) mit:
einem Lasersystem zum Bereitstellen des Laserstrahls (6) für eine Wechselwirkung mit dem Werkstück (8) in einer von Umgebungsluft (170) umgebenen Prozesszone (21), wobei der Laserstrahl (6) auf eine von der Umgebungsluft (170) absorbierte Wellenlänge eingestellt ist, und
einer Werkstücklagerungseinheit (5) zum Lagern des Werkstücks (8), wobei die Werkstücklagerungseinheit (5) zur offenen Einsichtnahme eines Benutzers in die Prozesszone (21) aus einer während des Betriebs der Laserbearbeitungsanlage (1) zugänglichen Personenzugangszone (19) heraus ausgebildet ist, indem die Umgebungsluft (170) einen Zwischenraum (17, 117) zwischen der Prozesszone (21) und der Personenzugangszone (19) ausfüllt.
2. Laserbearbeitungsanlage (1) nach Anspruch 1, wobei die Werkstücklagerungseinheit (5) derart dimensioniert ist, dass in der Prozesszone (21) reflektierte oder gestreute Strahlung (6a) des Laserstrahls (6) vor dem Eintritt in die Personenzugangszone (19) im Zwischenraum (17, 117) auf eine Intensität kleiner oder gleich einem vorbestimmten Wert durch Absorption in der Umgebungsluft (170), insbesondere mit einer Mindestluftfeuchte, gedämpft wurde.
3. Laserbearbeitungsanlage (1) nach Anspruch 1 oder 2, ferner mit
einer Steuerungseinheit (14, 164) zur Steuerung des Lasersystems und
mindestens einem mit der Steuerungseinheit (14, 164) verbundenen Feuchtesensor
(31, 131), der zur Messung eines Luftfeuchtigkeitswertes ausgebildet ist, der repräsentativ für die Gaszusammensetzung zumindest in einem dem Feuchtesensor (31) zugeordneten Abschnitt (131a) des Zwischenraums (17, 117) ist.
4. Laserbearbeitungsanlage (1) nach Anspruch 3, wobei ein einem Feuchtesensor (31) zugeordneter Abschnitt (131a) sich zumindest teilweise um die Prozesszone (21) und/oder über den gesamten gasgefüllten Zwischenraum (17, 117) und/oder entlang eines Grenzbereichs zwischen Werkstücklagerungseinheit (5) und Personenzugangszone (19) erstreckt.
5. Laserbearbeitungsanlage (1) nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Steuerungseinheit (14, 164) dazu ausgebildet ist, die Laserleistung in der Prozesszone (21) und/oder die Vorschubge- schwindigkeit eines den Laserstrahl (6) auf das Werkstück (8) ausrichtenden Bearbeitungskopfs (4) in Abhängigkeit des gemessenen Feuchtigkeitswerts einzustellen, wobei die Steuerungseinheit (14, 164) insbesondere dazu ausgebildet ist, bei Unterschreiten eines Feuchtigkeitsschwellenwerts die Vorschubgeschwindigkeit zu reduzieren und bei Unterschreiten eines weiteren, niedrigeren Feuchtigkeitsschwellwerts die Laserbearbeitung zu stoppen.
6. Laserbearbeitungsanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit einer Befeuchtungsvorrichtung (390, 392) zur Einstellung der Feuchtigkeit der Umgebungsluft (170) zumindest in einem Teilbereich eines Zwischenraums (17, 117) zwischen der Prozesszone (21) und der Personenzugangszone (19).
7. Laserbearbeitungsanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Zwischenraum (17, 117) in seiner Ausdehnung (Dmin) und/oder die Gaszusammensetzung zumindest eines Teilbereichs des Zwischenraums (17, 117) in ihrer Feuchtigkeit derart einstellbar ist, dass reflektierte oder gestreute Strahlung (6a) des Laserstrahls (6) aus der Prozesszone (21) beim Ausbreiten durch den Zwischenraum (17, 117) eine derartige Absorption erfährt, dass ein Strahlungswert in der Personenzugangszone (19) unter einem vorgegebenen Grenzwert ist und beispielsweise die Anforderung der Laser Klasse 1 erfüllt, insbesondere gemäß den Anforderungen der DIN EN 60825-1 im Wellenlängenbereich von 1,4 μιη bis
4 μιη auf eine Intensität von 26 mW/cm2 oder weniger bzw. im Wellenlängenbereich größer 4 μιη auf eine Intensität von 1000 W/m2 oder weniger durch Absorption in der Umgebungsluft (170) gedämpft wird.
8. Laserbearbeitungsanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit einer Lichtschrankeneinheit (282), die eine Lichtschranke (284) in einem Abstand zur
Werkstücklagerungseinheit (5) zum Bereitstellen einer zusätzlichen Absorptionsweglänge ausbildet und/oder
einer ausfahrbaren Wand im Randbereich der Werkstücklagerungseinheit (5).
9. Laserbearbeitungsanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit einer Ausströmungsvorrichtung (390, 392) zum Ausströmen eines feuchten Gasgemischs (394) zur Befeuchtung der Umgebungsluft (170), insbesondere zur Erhöhung der Luftfeuchtigkeit in einem Feuchtigkeitsabschnitt (398a, 398b) des Zwischenraums (17, 117).
10. Laserbearbeitungsanlage (1) nach Anspruch 9, wobei der Feuchtigkeitsabschnitt (398a, 398b) sich zumindest teilweise um die Prozesszone (21) und/oder über den gesamten Zwischenraum (17, 117) und/oder entlang eines Grenzbereichs zwischen Werkstücklagerungseinheit (5) und Personenzugangszone (19) erstreckt und/oder
wobei die Ausströmungsvorrichtung (390, 392) entlang eines Grenzbereichs zwischen Werkstücklagerungseinheit (5) und Personenzugangszone (19) oder im Bereich eines den Laserstrahl auf das Werkstück ausrichtenden Bearbeitungskopfs (4) angeordnet ist.
11. Laserbearbeitungsanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Lasersystem einen Laserstrahlerzeuger (2), eine Strahlführung (3) und eine Bearbeitungsoptik (4a) aufweist, und wobei
der Laserstrahlerzeuger (2) auf eine Emission in einem der Wellenlängenbereiche zwischen 1,8 μιη bis 2,0 μιη oder 2,4 μιη bis 2,9 μιη oder 4,2 μιη bis 4,4 μιη oder 4,8 μιη bis 7,8 μιη ausgebildet ist und/oder
die Strahlführung (3) eine bezüglich der Laserwellenlänge absorptionsarme Lichtleitfaser (39) und/oder eine mit trockenem Gas gespülte Freistrahlführung aufweist und/oder die Bearbeitungsoptik (4a) mindestens eine bezüglich der Laserwellenlänge absorptionsarme Linse (43a, 43b) und/oder eine Trockengasspülung aufweist und/oder
wobei das Lasersystem zum Erzeugen eines Laserstrahls (6) ausgebildet ist, dessen gestreute oder reflektierte Strahlung (6a) in der Umgebungsluft (170) mit einem Absorptionskoeffizienten von mindestens 0,02 cm"1, insbesondere von mindestens 0,03 cm"1, absorbiert wird.
12. Laserbearbeitungsanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit einem Trockengassystem (10) zum Spülen von zumindest Teilen des optischen Weges des Laserstrahls (6) vor der Wechselwirkung mit dem Werkstück (8), wobei insbesondere ein Gasstrahl (399) nach dem Austreten des Laserstrahls (6) aus einer Bearbeitungsoptik (4a) des Lasersystems entlang des Laserstrahls vorgesehen ist.
13. Laserbearbeitungsanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit einer Schutzwandstruktur (280), die die Werkstücklagerungseinheit (5) mit Ausnahme des Bereichs der Personenzugangszone (19) umgibt und die zur Verhinderung der Ausbreitung von reflektierter oder gestreuter Strahlung (6a) des Laserstrahls (6) jenseits der Schutzwandstruktur (280) ausgebildet ist.
14. Laserbearbeitungsanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit einer Positioniereinheit (7a, 7b, 7c, 12) zum Positionieren einer Bearbeitungsoptik (4a) relativ zur Werkstücklagerungseinheit (5), wobei die Positioniereinheit (7a, 7b, 7c, 12) einen Bearbeitungsbereich (15) relativ zu einer Außenkante (23a) der Werkstücklagerungseinheit (5) definiert, und mit einer Steuerungseinheit, die zur Anpassung der Ausdehnung des Bearbeitungsbereichs (15) in Abhängigkeit von der Luftfeuchtigkeit der Umgebungsluft (170) im Zwischenraum (17, 117) ausgebildet ist.
15. Laserbearbeitungskopf (404) zur Verwendung in einer Laserbearbeitungsanlage (1) mit
einer Austrittsöffnung (410) für einen Laserstrahls (406) zur Bearbeitung eines Werkstücks (408) in einer Prozesszone (421),
einem Wasserzuführsystem (452) mit einer Wasseraustrittsöffnung (454) nahe der Austrittsöffnung (410) zum Erzeugen eines Sprühnebels (426) und zum Befeuchten des zu bearbeitenden Werkstücks (408) nahe der Prozesszone (421), wobei insbesondere die Wasseraustrittsöffnung (454) sich ringförmig um die Austrittsöffnung (410) erstreckt oder auf einer der Vorschubrichtung zugewandten Seite des Laserbearbeitungskopfes angeordnet ist, und einem Feuchtesensor (431a, 431b) zur Messung der Feuchte der Umgebungsluft (170) in einem Bereich (498a, 498b) nahe der Prozesszone (421) und/oder einem Sensor zur Messung von Strahlungstransmission in der Umgebungsluft (170) in einem Bereich (498a, 498b) nahe der Prozesszone (421).
16. Verfahren zur Überwachung einer Laserbearbeitungsanlage (1), wobei die Strahlensicherheit der Laserbearbeitungsanlage (1) auf Absorption der Laserstrahlung (6, 6a) in der Umgebungsluft (170) in einem sich von einer Prozesszone (21), in der die Laserbearbeitung stattfindet, bis zu einer Personenzugangszone (19), in die einem Benutzer während des Betriebs der Laserbearbeitungsanlage der Zugang erlaubt ist und von der aus der Benutzer freie Einsicht in die Prozesszone (21) hat, erstreckenden Zwischenraum (17, 117) basiert, mit den Schritten:
Bearbeiten eines Werkstücks (8) mit einem Laserstrahl (6), der eine in der Umgebungsluft (170) absorbierte Wellenlänge aufweist,
Messen eines Luftfeuchtigkeitswertes, der repräsentativ für eine Gaszusammensetzung in einem der Messung zugeordneten Abschnitt (131a) des Zwischenraums (17, 117) ist, und Anpassen der Laserleistung in der Prozesszone (21) und/oder der Vorschubgeschwindigkeit eines den Laserstrahl (6) auf das Werkstück (8) ausrichtenden Bearbeitungskopfs (4) und/oder einer Ausdehnung (Dmin) des Zwischenraums (17, 117) in Abhängigkeit vom gemessenen Feuchtigkeitswert.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111687539A (zh) * 2020-07-13 2020-09-22 普斯德(镇江)等离子应用科技有限公司 激光毛化协同低温大气等离子体表面活化一体机
WO2022218667A3 (de) * 2021-04-15 2022-12-22 Trumpf Werkzeugmaschinen Gmbh + Co. Kg Verfahren, bearbeitungsanlage und computerprogramm zum bearbeiten einer vielzahl von werkstücken
CN117758202A (zh) * 2023-12-08 2024-03-26 武汉金顿激光科技有限公司 一种热与湿度耦合辅助激光处理提高不锈钢耐点蚀的方法
CN117758201A (zh) * 2023-12-08 2024-03-26 武汉金顿激光科技有限公司 一种加湿辅助激光处理提高不锈钢耐点蚀的方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS60216597A (ja) 1984-04-11 1985-10-30 Mitsubishi Electric Corp 炭酸ガスレ−ザ−装置
JPH04251690A (ja) 1991-01-24 1992-09-08 Nec Corp レーザー加工装置の反射光減衰装置

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1595201A (en) * 1978-05-25 1981-08-12 Atomic Energy Authority Uk Safety devices for use with lasers
JP2562087Y2 (ja) * 1991-03-15 1998-02-04 旭光学工業株式会社 レーザーパワー調整装置
US5668589A (en) * 1992-09-11 1997-09-16 Fuji Photo Film Co., Ltd. Thermal recording device with controller for correcting laser beam intensity
DE102006053579A1 (de) * 2006-11-10 2008-05-15 Jenoptik Automatisierungstechnik Gmbh Laserschutzvorrichtung mit Sicherheitsabschaltung
JP2011125906A (ja) * 2009-12-18 2011-06-30 Komatsu Ntc Ltd レーザ加工用ノズル

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS60216597A (ja) 1984-04-11 1985-10-30 Mitsubishi Electric Corp 炭酸ガスレ−ザ−装置
JPH04251690A (ja) 1991-01-24 1992-09-08 Nec Corp レーザー加工装置の反射光減衰装置

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111687539A (zh) * 2020-07-13 2020-09-22 普斯德(镇江)等离子应用科技有限公司 激光毛化协同低温大气等离子体表面活化一体机
WO2022218667A3 (de) * 2021-04-15 2022-12-22 Trumpf Werkzeugmaschinen Gmbh + Co. Kg Verfahren, bearbeitungsanlage und computerprogramm zum bearbeiten einer vielzahl von werkstücken
CN117758202A (zh) * 2023-12-08 2024-03-26 武汉金顿激光科技有限公司 一种热与湿度耦合辅助激光处理提高不锈钢耐点蚀的方法
CN117758201A (zh) * 2023-12-08 2024-03-26 武汉金顿激光科技有限公司 一种加湿辅助激光处理提高不锈钢耐点蚀的方法

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