WO2023036647A1 - Schutzglasanordnung für laserbearbeitungskopf - Google Patents

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WO2023036647A1
WO2023036647A1 PCT/EP2022/073937 EP2022073937W WO2023036647A1 WO 2023036647 A1 WO2023036647 A1 WO 2023036647A1 EP 2022073937 W EP2022073937 W EP 2022073937W WO 2023036647 A1 WO2023036647 A1 WO 2023036647A1
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WO
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protective glass
cartridge
sleeve
laser
axial end
Prior art date
Application number
PCT/EP2022/073937
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English (en)
French (fr)
Inventor
Alexander Huber
Stefan LEINBERGER
Tobias Kluehspies
Karsten Scholz
Original Assignee
TRUMPF Werkzeugmaschinen SE + Co. KG
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Publication date
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    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/70—Auxiliary operations or equipment
    • B23K26/702—Auxiliary equipment
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/14—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor
    • B23K26/1462—Nozzles; Features related to nozzles
    • B23K26/1494—Maintenance of nozzles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/36—Removing material
    • B23K26/38—Removing material by boring or cutting

Definitions

  • the present invention relates to the field of laser processing machines.
  • the invention relates to a protective glass arrangement with a protective glass on the optics side and a protective glass on the process side for a laser processing head, in particular a laser cutting head.
  • Optical elements in processing heads have high requirements in terms of positioning accuracy and cleanliness. Contamination of an optical element leads to increased absorption of the laser radiation and thus to an increase in the temperature of the optics and to thermally induced stresses.
  • protective glasses are installed in laser processing systems at the end facing the process (below the focusing lens of laser processing heads), which shield the optics from the processing process (see Fig. 2). For systems for laser flame cutting or
  • the cutting gas which is aimed at the workpiece together with the laser beam, is usually introduced into the cutting head below the protective glass.
  • Protective glasses are exposed to a comparatively high degree of contamination (e.g. splashes that get into the cutting head through the processing nozzle during material processing, or other dirt particles that get to the protective glass and accumulate on it through the cutting gas). Dirty protective glasses must be replaced. When replacing a protective glass, there is a risk of dirt particles getting into the optics.
  • an additional protective glass on the optics side can be used in addition to a protective glass on the process side.
  • the protective glass on the optics side is arranged between the protective glass on the process side and the processing optics and protects the optics from contamination when the protective glass on the process side is replaced.
  • the object of the present invention is to improve the prior art.
  • the exchange of a protective glass on the process side should be simplified in order to enable the operating personnel of a laser processing system to exchange the protective glass in a simple, process-reliable manner without damaging or contaminating the surrounding components of the laser processing head.
  • the protective glass on the process side should be possible independently of at least one further protective glass on the optics side. If the protective glass on the optics side is soiled (e.g. due to improper replacement of the protective glass on the process side), the protective glass on the optics side must also be replaced. Replacing the protective glass on the optics has even greater demands on cleanliness and precise installation and is also intended to be simplified by the invention.
  • a protective glass arrangement for a laser processing head is provided according to a first aspect.
  • the protective glass arrangement can preferably be designed for use in a laser cutting head for laser flame cutting or laser fusion cutting. Nevertheless, the protective glass arrangement can also be suitable for use in other laser processing heads, for example for laser welding.
  • the protective glass arrangement comprises an essentially hollow-cylindrical sleeve and an essentially hollow-cylindrical cartridge that can be accommodated in the sleeve. Furthermore, the protective glass arrangement comprises a first, optics-side protective glass that can be positioned on a first, upper axial end of the sleeve and a second, process-side protective glass that can be positioned on a first, upper axial end of the cartridge.
  • the protective glasses can preferably each be designed as cylindrical plane plates.
  • the sleeve and the cartridge can each preferably be made of a metallic material, in particular steel.
  • the wording "essentially hollow-cylindrical" is to be understood as meaning that the corresponding components can have the shape of a hollow cylinder with a circular inner and outer contour. Slight deviations from this basic shape are also included (e.g. corners, recesses, projections or similar).
  • the protective glass arrangement also includes a flat sealing ring made of plastic, which is on the underside of the Receiving area of the sleeve is arranged and which forms an upper stop for the second protective glass.
  • the flat sealing ring is designed to seal an intermediate space, which is formed between the protective glass on the optics side and the protective glass on the process side, against the ingress of dirt particles.
  • the flat sealing ring can consist, for example, of a high-temperature-resistant thermoplastic material, in particular of polyetheretherketone (PEEK).
  • the protective glass on the optics side can be fastened to the sleeve by means of a fastening ring made of plastic, in particular made of PEEK, with the fastening ring forming a reversible snap connection with the sleeve.
  • the fastening ring can have, at its upper end, a holding section which protrudes radially inwards and which is designed to grip over the first protective glass.
  • the fastening ring can have closure elements which extend in the axial direction outside of the first protective glass and engage in recesses provided for this purpose on the outer circumference of the sleeve to form a reversible snap connection.
  • the cartridge can have a mount for accommodating the second protective glass.
  • the cartridge can form a support surface for the second protective glass at its upper axial end with an edge that extends outside of the second protective glass over part of the thickness of the second protective glass.
  • the second protective glass can thus be positioned precisely on the cartridge.
  • a sealing ring can preferably be arranged in the recess (or on the support surface).
  • the sealing ring can be designed, together with the second protective glass, to prevent cutting gas from penetrating into the optics chamber of the cutting unit or the cutting head.
  • the sealing ring can, for example, be made of an elastomer, for example with a Shore hardness of 70 Shore A.
  • the cartridge can have a convex guide ring made of plastic, preferably made of PEEK, on its outer circumference, which protrudes radially on the outer circumference of the cartridge.
  • the guide ring can be arranged in particular in the upper third of the cartridge.
  • the cartridge can have a circumferential groove on its outer circumference, which is used for stationary positioning of the guide ring on the outer circumference of the cartridge.
  • the guide ring can serve as wear protection and prevent an inner surface of the case and/or an outer surface of the cartridge from being damaged.
  • the protective glass arrangement can also include an insertion ring made of plastic, preferably made of PEEK, which can be fastened to a second, lower axial end of the sleeve and which has an insertion bevel that facilitates insertion of the cartridge into the sleeve.
  • the insertion ring fulfills a wear protection function in particular. When inserting the cartridge into the case, damage to the outer circumference of the cartridge can be avoided in particular by the guide ring.
  • the protective glass arrangement which includes the flat sealing ring on the underside of the receiving area of the sleeve, as well as the guide ring on the outer circumference of the cartridge and the insertion ring on the lower end of the sleeve, a particularly high level of wear protection for both the sleeve and the cartridge can be achieved with the Installation / deinstallation of the cartridge can be guaranteed.
  • some of the components can preferably be made of the wear-resistant plastic PEEK.
  • PEEK polyetherketone
  • PPS polyphenylene sulfide
  • the cartridge can have a circumferential groove on its underside, as well as bores, each of which extends from the circumferential groove (in the axial direction) in the wall of the cartridge and opens out on an inside wall of the cartridge.
  • the peripheral groove can be mounted in a bearing surface on the underside of the cartridge.
  • the circumferential groove can be connected to a connection for process gas/cutting gas.
  • the cutting gas is fed into the groove under pressure, from where it is discharged via the Holes get into the interior of the cartridge. From the interior of the cartridge, the process gas reaches the cutting nozzle via a nozzle body, where it exits the laser cutting head together with the laser beam.
  • the sealing ring for the second protective glass and (at least partially) the flat sealing ring ensure a seal.
  • a sensor system can be provided which detects pressure changes in an annular intermediate space between the cartridge and the sleeve (ie radially between the cartridge and the sleeve). In the event of a cutting gas leak, provision can be made to interrupt a running laser cutting process and to switch off the laser.
  • the wall of the cartridge can preferably have a wedge shape in cross section, so that the cartridge is funnel-shaped on the inside.
  • the cartridge can also have a large number of indentations on its outer circumference, which extend in the longitudinal direction of the cartridge and which are preferably arranged at regular intervals on the outer circumference of the cartridge.
  • These elongate indentations facilitate insertion of the cartridge into and removal from the case by facilitating air exchange between the interior of the case and the environment at the lower end of the case.
  • a large volume of air can be exchanged at a low flow rate due to a large-volume design of these elongated indentations. This is important to counteract the ingestion of particles from the environment into the cartridge.
  • a laser processing head in particular a laser cutting head, is provided according to a second aspect, which comprises the protective glass arrangement according to one of the variants described above.
  • the laser cutting head can be designed in particular for laser flame cutting or laser fusion cutting and can have a cutting gas supply line which can be coupled to the circumferential groove at the lower end of the cartridge.
  • FIG. 1 shows a laser cutting system in a perspective overall view
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a laser cutting device in the form of a laser cutting head of a system according to FIG. 1;
  • FIGs. 3a-b views of a protective glass arrangement according to the present invention
  • FIG. 4 shows a sectional view of a first assembly with a sleeve and a first protective glass for use in a protective glass arrangement according to the invention
  • 5 shows a sectional view of a second assembly with a cartridge and a second protective glass for use in a protective glass arrangement according to the invention
  • FIG. 6 shows a detail of a laser cutting head with a protective glass arrangement according to the invention.
  • FIG. 1 shows a laser cutting system 20 in which a protective glass arrangement according to the invention can be used.
  • the laser cutting system 20 has a laser beam generator 21 (eg for a CO2 laser or a solid-state laser). It has a movable laser cutting head 22 and a workpiece support 23 on which the workpiece 28 is arranged.
  • the laser beam 29 is generated in the laser beam generator 21 and guided from the laser beam generator 21 to the laser cutting head 22 by means of an optical fiber cable (not shown) or deflection mirrors (not shown).
  • the laser beam 29 is directed onto the workpiece 28 by means of focusing optics arranged in the laser cutting head 22 .
  • the laser cutting system 20 is also supplied with cutting gases 24, such as oxygen and/or nitrogen.
  • the cutting gas 24 is supplied to a cutting gas nozzle 25 of the laser cutting head 22, from which it emerges together with the laser beam 29.
  • the laser cutting system 20 also includes switching optics 26 (for example a diffractive optical element or an adaptive mirror) for switching between a larger and a smaller focus diameter of the laser beam 29 or a zoom optics arranged in the laser cutting head 22 and consisting of several lenses for varying the focus position and Focus diameter of the laser beam 29, and a machine control 27 which is programmed to move both the laser cutting head 22 together with its cutting gas nozzle 25 according to the cutting contour relative to the workpiece 28 and the To control switching optics 26 or the zoom optics.
  • the switching optics 26 do not necessarily have to be arranged in the laser cutting head 22, but can also be located in or on the beam generator 21 in front of an optical fiber cable or at another point in the beam guide.
  • FIG. 2 shows an exemplary structure of a laser processing head in the form of a laser cutting head 22, which can be used on a laser cutting system 20, with a housing 32 into which the laser beam 29 is coupled via a transport fiber 34.
  • the laser beam 29 hits a first lens 35 with a short focal length divergently and is imaged onto a second lens 37 via an intermediate focus 36 .
  • the laser beam 29 collimated by the second lens 37 is focused on a workpiece surface 39 for laser material processing via a (stationary) additional lens 38 held by a holder 46, which serves as focusing optics.
  • lens holders 43, 44 for first lens 35 and second lens 37 are provided by means of focus adjustment devices 40, 42 (controlled by control signals specified by a controller) along optical axis 31 of laser beam 29 movable. It goes without saying that the lens arrangement described above based on the principle of a Keppler telescope can alternatively be replaced by a Galileo telescope arrangement.
  • the lens holders 43, 44 for guiding the first and second lenses 35, 37 have overflow channels 33 which ensure pressure equalization between the chambers 47, 48, 49 when the lenses 35, 37 are moved.
  • the processing head 22 Downstream of the focusing optics in the beam propagation direction, the processing head 22 has a protective glass/pressure window 30 held by a holder 46 .
  • a collision protection not shown in detail, provides that a collision-related separation can take place in the area 41a between the focusing optics and the protective glass/pressure window 30 .
  • a bellows 41 fitted around this area 41a on the housing 32 of the beam-shaping unit prevents the ingress of dirt particles which, in the worst case, could settle directly on the focusing optics.
  • the protective glass arrangement according to the invention can be arranged in a laser cutting head 22 according to FIG. 2 instead of the protective glass 30 shown schematically.
  • FIG. 3a shows a protective glass arrangement 100 in an isometric representation.
  • FIG. 3b shows a longitudinal section through the same protective glass arrangement 100.
  • the protective glass arrangement 100 comprises a sleeve 210 in the form of a hollow cylinder, in which a cartridge 310, which is also in the form of a hollow cylinder, is accommodated.
  • a first protective glass 220 on the optics side is mounted on a sealing ring 240, which is accommodated in a groove on the upper side of the sleeve 210.
  • the first protective glass 220 is attached to the sleeve 210 by means of an attachment ring 230 .
  • the mounting ring 230 is made of polyetheretherketone (PEEK) or a comparable high temperature resistant plastic.
  • the mounting ring 230 has a Holding portion 232, which extends, preferably with a predetermined inclination, radially inward.
  • the holding section 232 engages over the first protective glass 220 .
  • the holding section 232 of the fastening ring 230 rests on a peripheral bevel of the first protective glass 220 which is formed on an upper outer edge of the first protective glass 220 .
  • the bevel and the inclined holding section 232 of the fastening ring 230 allow the first protective glass 220 to be positioned precisely on the sleeve 210 and centered in a simple manner in the beam path of a laser processing head.
  • the fastening ring 230 also has closure elements 234 and counter-holding elements 236 which are arranged at regular intervals on the circumference of the fastening ring 230 and which extend downwards in the axial direction outside the first protective glass 220 .
  • the locking elements 234 each have an elongated locking part with a wedge-shaped hook, and an elongated opening part spaced from the locking part by a gap in the circumferential direction of the fastening ring 230 .
  • the locking elements are designed to engage in recesses 216 provided for this purpose at the upper end 212 of the sleeve 210 and to form a reversible snap lock with the sleeve 210 .
  • the first protective glass 220 is fixed on the sleeve 210 by the snap closure and can be inserted into the beam path of a laser processing head and removed therefrom together with the sleeve 210 .
  • the counter-retaining elements 236 each have a protuberance at their lower end, which protuberance extends radially inward in order to reach under the first protective glass 220 and hold it in the fastening ring 230 .
  • the fastening ring 230 can be clipped onto the first protective glass 220 and together with the first protective glass 220 by means of the locking elements 234 on the sleeve 210 to be attached. This additionally facilitates the installation/removal of the first protective glass 220 .
  • the fastening ring 230 preferably has approximately the same outer diameter as the sleeve 210. So that the counter-holding elements 236 do not collide with the sleeve 210 when they are placed on the sleeve 210, the sleeve 210 also has recesses 218 at its upper end 212, into which the counter-holding elements 236 can protrude without colliding with the sleeve 210.
  • the sleeve 210 has a receiving area 250 which projects radially inwards.
  • the flat sealing ring 260 forms an upper stop for a second protective glass 320 on the process side, which is arranged on the cartridge 310 .
  • the second protective glass 320 is positioned in a bezel at the top 312 of the cartridge 310 .
  • the border forms a narrow, peripheral edge which surrounds the second protective glass 320 so that it can be positioned exactly centered on the cartridge 310.
  • the second protective glass 320 is mounted on a sealing ring 340 which is accommodated in a groove in the mount at the upper end 312 of the cartridge 310 .
  • a guide ring 350 having a convex outer surface.
  • the guide ring 350 consists of PEEK or a comparable high-performance plastic.
  • the guide ring 350 is fastened in a groove provided for this purpose on the outer circumference of the cartridge 310 and protrudes radially beyond the outer circumference of the cartridge 310 with its convex outer surface.
  • the insertion ring 270 which forms a peripheral insertion bevel for the cartridge 310 .
  • the insertion ring 270 consists of a high-performance plastic, in particular PEEK.
  • the insertion ring 270 at the lower end 214 of the sleeve, as well as the convex guide ring 350 on the outer circumference of the cartridge 310 and the flat sealing ring 260 below the receiving area 250 of the sleeve 210 allow the cartridge 310 to be installed/removed in the sleeve 210 with particularly little wear.
  • the cartridge 310 To change the second protective glass 320, the cartridge 310 must be removed from the sleeve 210 downwards.
  • the cartridge 310 When the cartridge 310 is removed manually, as well as when the cartridge 310 is subsequently inserted with a protective glass 320 that has been replaced, it is practically impossible to avoid contact between the outside of the cartridge 310 and the inside of the sleeve 210 .
  • Both the sleeve 210 and the cartridge 310 are made of metal, such as steel. Collisions between cartridge 310 and case 210 can result in damage to the inside of case 210 and/or the outside of cartridge 310.
  • the plastic elements 260, 350 and 270 can largely prevent such damage.
  • the cartridge 310 When the cartridge 310 is inserted into the sleeve 210, the cartridge 310 is guided through the insertion bevels of the insertion ring 270 into the opening on the underside of the sleeve 210. As the cartridge 310 is inserted further into the sleeve 210, the cartridge 310 is guided on the one hand by means of the convex guide ring 350 and on the other hand by means of the insertion ring 270 until the second protective glass 320 rests against the flat sealing ring 260.
  • the wall of the cartridge 310 has a wedge-shaped cross section, so that a funnel-shaped beam path is formed in the interior of the cartridge 310 .
  • the cartridge 310 has a circumferential groove 360 at its lower end 314 .
  • Bores 362 in the wall of the cartridge 310 extend in the axial direction from the groove 360 and open out on a wall inside of the cartridge 310 .
  • the groove 360 and the bores 362 are used to supply cutting gas/process gas for laser cutting.
  • the cutting gas is introduced into the groove 360 via a gas connection on the underside of the cartridge 310 .
  • the introduced cutting gas in particular nitrogen or oxygen, is distributed over the entire circumference of the groove 360 and reaches the interior of the cartridge via the bores 362 . From there it is directed downwards to a cutting nozzle, where it exits the laser cutting head together with the laser beam, into which the protective glass arrangement can be inserted.
  • a plurality of, e.g., 7 or more, elongated indentations 370 are formed on the outer periphery of the cartridge 310 .
  • the indentations 370 are preferably arranged at equal distances from one another in the circumferential direction of the cartridge 310 and each extend in the longitudinal direction of the cartridge 310.
  • the indentations 370 are intended to facilitate air exchange when inserting the cartridge 310 into the sleeve 210 or when removing the cartridge 310 from the Facilitate sleeve 210 between the sleeve interior and the environment. This makes it easier to pull out or push in the cartridge 310 .
  • a voluminous design of the indentations also reduces the inflow and outflow speed of the air, which reduces the risk of particle intake.
  • Figure 4 shows a longitudinal section of a first assembly 200 comprising a sleeve 210 with a first protective glass 220 on the optics side for use in a protective glass arrangement 100 according to the invention
  • Sleeve 210 shown, and the first protective glass 220 and the fastening ring 230 correspond to the sleeve 210, the protective glass 220 and the fastening ring 230 according to the illustrations in Figures 3a and 3b. Reference is therefore made to the description there.
  • the flat sealing ring 260 and the insertion ring 270 (cf. FIG. 3b) are not shown in FIG.
  • the position of the flat sealing ring 260 and the insertion ring 270 on the sleeve 210 can be seen from the representation according to Figure 3b and Figure 6.
  • FIG. 5 shows a longitudinal section through a second assembly 300, which comprises a cartridge 310 with a second, process-side protective glass 320 and which is designed for use in a protective glass arrangement 100 according to the invention.
  • the cartridge 310 shown in FIG. 5 with the second protective glass 320 corresponds to the illustration according to FIGS. 3a and 3b. Reference is therefore made to the description there.
  • FIG. 6 shows a detail of a laser processing head 22 according to the invention in the form of a laser cutting head 22.
  • a protective glass arrangement 100 according to the invention is arranged in the laser cutting head 22 below the focusing optics with the lens 38 (cf. also FIG. 2).
  • the sleeve 210 of the protective glass arrangement 100 is inserted from below into a recess provided for this purpose in the laser cutting head 22 so that the holding area 232 of the fastening ring 230 is pressed against a corresponding receiving surface of the laser cutting head 22 .
  • the sleeve 210 is fastened in the laser cutting head 22 with suitable fastening means (eg screws).
  • the cartridge 310 is inserted into the sleeve 210 from below so that the second protective glass 320 is pressed against the flat sealing ring 260 .
  • the lower end 314 of the cartridge 310 protrudes downward out of the sleeve 210.
  • the cartridge 310 borders on the bottom to a nozzle body 400 of the cutting head 22.
  • a channel section is formed on the upper side of the nozzle body 400, which connects a gas line for the supply of cutting gas to the circumferential groove 360 of the cartridge 310.
  • the cutting gas reaches the cartridge interior from the gas line via the bores 362 . From there it is directed via the cutting nozzle at the lower end of the nozzle body 400 together with the laser beam onto a workpiece to be machined.
  • the cartridge 310 can be connected to the nozzle body 400, for example by means of a screw connection.
  • a sensor system (not shown in the figures) can be provided, which detects pressure changes in the radial intermediate space between the cartridge 310 and the sleeve 210 .
  • the laser can be switched off automatically in order to prevent damage to the laser cutting head 22 .
  • the cartridge 310 together with the nozzle body 400 can be removed downwards from the sleeve 210 .
  • the damaged second protective glass 320 can now be replaced and reinserted into the sleeve 210 together with the cartridge 310 and the nozzle body 400 .
  • the cutting optics are further protected by the first protective glass 220 during the replacement of the second protective glass 320 .
  • the plastic components in particular flat sealing ring 260, convex guide ring 350 and insertion ring 270) can protect the cartridge 310 and the sleeve 210 from damage during the protective glass change, even if they are handled carelessly.
  • the cutting gas line is only open at one end of the channel section on the upper side of the nozzle body 400 when the protective glass is changed. As a result, the entry possibilities for dirt particles from the environment can be kept low.

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Abstract

Bereitgestellt wird eine Schutzglasanordnung (100) für einen Laserbearbeitungskopf (22), die Schutzglasanordnung (100) umfassend: Eine, im Wesentlichen hohlzylinderförmige, Hülse (210); Eine, im Wesentlichen hohlzylinderförmige, Patrone (310), die in die Hülse (210) aufnehmbar ist; Ein erstes, optikseitiges Schutzglas (220), das auf einem ersten, oberen axialen Ende (212) der Hülse (210) positionierbar ist; Ein zweites, prozessseitiges Schutzglas (320), das auf einem ersten, oberen axialen Ende (312) der Patrone (310) positionierbar ist; Wobei die Hülse (210) an ihrem ersten axialen Ende (212) einen radial nach innen ragenden Aufnahmebereich (250) aufweist; und Wobei die Schutzglasanordnung (100) ferner einen Flachdichtring (260) aus Kunststoff aufweist, der an einer Unterseite des Aufnahmebereichs (250) angeordnet ist und der einen oberen Anschlag für das zweite Schutzglas (320) bildet. Ferner wird ein Laserbearbeitungskopf bereitgestellt, der die Schutzglasanordnung umfasst.

Description

Schutzglasanordnung für Laserbearbeitungskopf
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Laserbearbeitungsmaschinen. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Schutzglasanordnung mit einem optikseitigen und einem prozessseitigen Schutzglas für einen Laserbearbeitungskopf, insbesondere einen Laserschneidkopf.
Stand der Technik
Optische Elemente in Bearbeitungsköpfen haben eine hohe Anforderung an Positionsgenauigkeit und Sauberkeit. Verschmutzungen eines optischen Elements führen zu erhöhter Absorption der Laserstrahlung und damit zu einer Temperaturerhöhung der Optik sowie zu thermisch induzierten Spannungen. Zum Schutz der sensiblen Optik werden in Laserbearbeitungsanlagen an dem dem Prozess zugewandten Ende (unterhalb der Fokussierlinse von Laserbearbeitungsköpfen) Schutzgläser eingebaut, die die Optik gegenüber dem Bearbeitungsprozess abschirmen (vgl. Fig. 2). Bei Anlagen zum Laserbrennschneiden oder
Laserschmelzschneiden wird das Schneidgas, welches gemeinsam mit dem Laserstrahl auf das Werkstück gerichtet wird in der Regel erst unterhalb des Schutzglases in den Schneidkopf eingeführt.
Schutzgläser sind in vergleichsweise hohem Maße Verschmutzungen ausgesetzt (z.B. Spritzer, die bei der Materialbearbeitung durch die Bearbeitungsdüse in den Schneidkopf gelangen, oder andere Schmutzpartikel, die durch das Schneidgas an das Schutzglases gelangen und sich daran anlagern). Verschmutzte Schutzgläser müssen ausgetauscht werden. Beim Tausch eines Schutzglases besteht die Gefahr, dass Schmutzpartikel in die Optik geraten.
Um den Schutz gegenüber Verschmutzung der Laserbearbeitungsoptik zu erhöhen kann zusätzlich zu einem prozessseitigen Schutzglas ein weiteres, optikseitiges Schutzglas verwendet werden. Das optikseitige Schutzglas ist zwischen dem prozessseitigen Schutzglas und der Bearbeitungsoptik angeordnet und schützt die Optik vor Verschmutzung beim Tausch des prozessseitigen Schutzglases.
Lösungen zur Verwendung zweier Schutzgläser in einer Laserbearbeitungsoptik sind beispielsweise aus EP3045258A1, EP3112073A1, DE102018131668A1 oder W02020230844A1 bekannt. Die Schutzgläser im vorgenannten Stand der Technik sind teilweise in Kassetten angeordnet, die zum Tausch des entsprechenden Schutzglases seitlich aus einem Laserbearbeitungskopf entnehmbar sind.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde den Stand der Technik zu verbessern. Insbesondere soll der Tausch eines prozessseitigen Schutzglases vereinfacht werden, um es dem Bedienpersonal einer Laserbearbeitungsanlage zu ermöglichen das Schutzglas auf einfache Weise prozesssicher auszutauschen, ohne dabei umliegende Komponenten des Laserbearbeitungskopfes zu beschädigen oder zu verschmutzen. Das prozessseitige Schutzglas soll unabhängig von wenigstens einem weiteren, optikseitigen, Schutzglas möglich sein. Im Falle einer Verschmutzung des optikseitigen Schutzglases (etwa durch unsachgemäßen Tausch des prozessseitigen Schutzglases) muss auch das optikseitige Schutzglas ausgetauscht werden. Der Tausch des optikseitigen Schutzglases hat noch höhere Anforderungen an die Sauberkeit und die präzise Installation und soll durch die Erfindung ebenfalls vereinfacht werden. Die Erfindung
Zur Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt eine Schutzglasanordnung für einen Laserbearbeitungskopf bereitgestellt. Die Schutzglasanordnung kann vorzugsweise für die Verwendung in einem Laserschneidkopf zum Laserbrennschneiden oder Laserschmelzschneiden ausgebildet sein. Gleichwohl kann die Schutzglasanordnung auch für die Verwendung in anderen Laserbearbeitungsköpfen - etwa zum Laserschweißen - geeignet sein.
Die Schutzglasanordnung umfasst eine, im Wesentlichen hohlzylinderförmige, Hülse und eine, im Wesentlichen hohlzylinderförmige, Patrone, die in die Hülse aufnehmbar ist. Ferner umfasst die Schutzglasanordnung ein erstes, optikseitiges Schutzglas, das auf einem ersten, oberen axialen Ende der Hülse positionierbar ist und ein zweites, prozessseitiges Schutzglas, das auf einem ersten, oberen axialen Ende der Patrone positionierbar ist. Die Schutzgläser können vorzugsweise jeweils als zylinderförmige Planplatten ausgebildet sein. Die Hülse und die Patrone können jeweils vorzugsweise aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere aus Stahl, hergestellt sein.
Die Formulierung „im Wesentlichen hohlzylinderförmig" ist im Zusammenhang der vorliegenden Offenbarung so zu verstehen, dass die entsprechenden Komponenten die Form eines Hohlzylinders mit kreisförmiger Innen- und Außenkontur aufweisen können. Ferner sind leichte Abweichungen von dieser Grundform umfasst (z.B. Ecken, Ausnehmungen, Vorsprünge oder Ähnliches).
Die Hülse weist an ihrem ersten axialen Ende einen radial nach innen ragenden Aufnahmebereich auf. Die Schutzglasanordnung umfasst ferner einen Flachdichtring aus Kunststoff, der an einer Unterseite des Aufnahmebereichs der Hülse angeordnet ist und der einen oberen Anschlag für das zweite Schutzglas bildet. Der Flachdichtring ist dazu ausgebildet einen Zwischenraum, der zwischen dem optikseitigen und dem prozessseitigen Schutzglas ausgebildet ist, gegen das Eindringen von Schmutzpartikeln abzudichten. Der Flachdichtring kann beispielsweise aus einem hochtemperaturbeständigen thermoplastischen Kunststoff bestehen, insbesondere aus Polyetheretherketon (PEEK).
Angaben wie „oben", „unten", „übereinander", „untereinander", „auf', „unter", „vertikal", „horizontal" beziehen sich im Rahmen dieser Offenbarung auf die Lage der entsprechenden Komponenten in einem in einen Laserbearbeitungskopf eingebauten Zustand der Schutzglasanordnung, wobei der Laserstrahl von oben nach unten durch den Laserschneidkopf geleitet wird. Die Schutzglasanordnung ist in einem Laserbearbeitungskopf räumlich zwischen einer Fokussieroptik für den Laserbearbeitungsstrahl und der Öffnung (Düse) des Laserbearbeitungskopfes anordenbar, durch die der Laserbearbeitungsstrahl auf ein zu bearbeitendes Werkstück gerichtet wird. Wenn die Schutzglasanordnung in einem Laserbearbeitungskopf installiert ist, dann ist das prozessseitige Schutzglas näher an der Düse angeordnet und das optikseitige Schutzglas näher an der Fokussieroptik.
Das optikseitige Schutzglas kann mittels eines Befestigungsrings aus Kunststoff, insbesondere aus PEEK, auf der Hülse befestigbar sein, wobei der Befestigungsring eine reversible Schnappverbindung mit der Hülse bildet. Insbesondere kann der Befestigungsring an seinem oberen Ende einen radial nach innen ragenden Halteabschnitt aufweisen, der dazu ausgebildet ist über das erste Schutzglas zu greifen. Ferner kann der Befestigungsring Verschlusselemente aufweisen, die sich in axialer Richtung außerhalb des ersten Schutzglases erstrecken und in dafür vorgesehene Aussparungen am Außenumfang der Hülse eingreifen, um eine reversible Schnappverbindung zu bilden. Mittels des Befestigungsrings kann die Installation / Deinstallation der Hülse in einem Laserbearbeitungskopf erleichtert werden, indem das erste Schutzglas auf einfache Weise gemeinsam mit der Hülse in den Laserbearbeitungskopf einsetzbar bzw. daraus entnehmbar ist.
Die Patrone kann an ihrem oberen axialen Ende eine Einfassung zur Aufnahme des zweiten Schutzglases aufweisen. Mit anderen Worten kann die Patrone an ihrem oberen axialen Ende eine Ablagefläche für das zweite Schutzglas bilden mit einem Rand, der sich außerhalb des zweiten Schutzglases über einen Teil der Dicke des zweiten Schutzglases erstreckt. Das zweite Schutzglas kann somit positionsgenau auf der Patrone gelagert werden. Vorzugsweise kann in der Ausnehmung (bzw. auf der Ablagefläche) ein Dichtungsring angeordnet sein. Der Dichtungsring kann dazu ausgebildet sein, gemeinsam mit dem zweiten Schutzglas das Eindringen von Schneidgas in den Optikraum der Schneideinheit bzw. des Schneidkopfes zu verhindern. Der Dichtungsring kann beispielsweise aus einem Elastomer hergestellt sein, beispielsweise mit einer Shore-Härte von 70 Shore A.
Die Patrone kann im Bereich ihres oberen axialen Endes an ihrem Außenumfang einen konvexen Führungsring aus Kunststoff, vorzugsweise aus PEEK, aufweisen, der am Außenumfang der Patrone radial hervorsteht. Der Führungsring kann insbesondere im oberen Drittel der Patrone angeordnet sein. Die Patrone kann an ihrem Außenumfang eine umlaufende Nut aufweisen, die zur ortsfesten Positionierung des Führungsrings am Außenumfang der Patrone dient. Beim Einsetzen der Patrone in die Hülse kann der Führungsring als Verschleißschutz dienen und verhindern, dass eine Innenfläche der Hülse und/oder eine Außenfläche der Patrone beschädigt werden. Die Schutzglasanordnung kann ferner einen Einführring aus Kunststoff, vorzugsweise aus PEEK, umfassen, der an einem zweiten, unteren axialen Ende der Hülse befestigbar ist, und der eine Einführschräge aufweist, die ein Einführen der Patrone in die Hülse erleichtert. Wie auch der Führungsring am Außenumfang der Patrone erfüllt der Einführring insbesondere eine Verschleißschutzfunktion. Beim Einführen der Patrone in die Hülse können durch den Führungsring insbesondere Beschädigungen am Außenumfang der Patrone vermieden werden. In einer bevorzugten Variante, der Schutzglasanordnung, die den Flachdichtring an der Unterseite des Aufnahmebereichs der Hülse, sowie den Führungsring am Außenumfang der Patrone und den Einführring am unteren Ende der Hülse umfasst, kann ein besonders hoher Verschleißschutz sowohl der Hülse als auch der Patrone bei der Installation / Deinstallation der Patrone gewährleistet werden.
Wie oben erwähnt können einige der Komponenten vorzugsweise aus dem verschleißresistenten Kunststoff PEEK hergestellt sein. Alternativ zu PEEK können auch andere geeignete Kunststoffe, beispielsweise aus den Gruppen der Polyetherketone (PEK) oder der Polyphenylsulfide (PPS) für diese Komponenten verwendet werden. Diese Kunststoffe zeichnen sich insbesondere durch ihre hohe Temperaturbeständigkeit und ihre guten mechanischen Eigenschaften aus.
Die Patrone kann an ihrer Unterseite eine umlaufende Nut aufweisen, sowie Bohrungen, die sich jeweils von der umlaufenden Nut aus (in axialer Richtung) in der Wand der Patrone erstrecken und an einer Wandinnenseite der Patrone münden. Die Umlaufende Nut kann in einer Auflagefläche an der Unterseite der Patrone angebracht sein. In einem in einen Laserschneidkopf eingebauten Zustand kann die umlaufende Nut mit einem Anschluss für Prozessgas / Schneidgas verbunden sein. Das Schneidgas wird unter Druck in die Nut geleitet, von wo aus es über die Bohrungen in den Innenraum der Patrone gelangt. Vom Innenraum der Patrone aus gelangt das Prozessgas über einen Düsenkörper zur Schneiddüse, an der es gemeinsam mit dem Laserstrahl aus dem Laserschneidkopf austritt. Um einen sicheren Schneidprozess zu gewährleisten ist es wichtig, dass die Schutzglasanordnung lateral und nach oben hin gegen eine Schneidgasleckage abgedichtet ist. Nach oben hin sorgen der Dichtungsring für das zweite Schutzglas und (zumindest teilweise) der Flachdichtring für eine Abdichtung. Zur Überprüfung der Dichtheit der Patrone kann eine Sensorik vorgesehen sein, die Druckänderungen in einem ringförmigen Zwischenraum zwischen der Patrone und der Hülse (also radial zwischen Patrone und Hülse). Im Falle einer Leckage von Schneidgas kann es vorgesehen sein, einen laufenden Laserschneidprozess zu unterbrechen und den Laser abzuschalten.
Die Wand der Patrone kann vorzugsweise im Querschnitt eine Keilform aufweisen, sodass die Patrone innenseitig trichterförmig ausgebildet ist.
Die Patrone kann an ihrem Außenumfang ferner eine Vielzahl von Einbuchtungen aufweisen, die sich in Längsrichtung der Patrone erstrecken und die vorzugsweise in gleichmäßigen Abständen am Außenumfang der Patrone angeordnet sind. Diese länglichen Einbuchtungen erleichtern das Einführen der Patrone in die Hülse bzw. ihre Entnahme aus der Hülse, indem ein Luftaustausch zwischen dem Innenraum der Hülse und der Umgebung am unteren Ende der Hülse erleichtert wird. Zudem kann durch eine großvolumige Gestaltung dieser länglichen Einbuchtungen ein großes Luftvolumen bei niedriger Strömungsgeschwindigkeit ausgetauscht werden. Dies ist wichtig, um einem Einsaugen von Partikeln aus der Umgebung in die Patrone entgegenzu wirken. Zur Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe wird gemäß einem zweiten Aspekt ein Laserbearbeitungskopf, insbesondere ein Laserschneidkopf, bereitgestellt, der die Schutzglasanordnung gemäß einer der oben beschriebenen Varianten umfasst. Der Laserschneidkopf kann insbesondere zum Laserbrennschneiden oder Laserschmelzschneiden ausgebildet sein und eine Schneidgaszuführleitung aufweisen, die mit der umlaufenden Nut am unteren Ende der Patrone koppelbar ist.
Ausführungsbeispiele
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Laserschneidanlage in einer perspektivischen Gesamtansicht;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Laserschneidvorrichtung in Form eines Laserschneidkopfs einer Anlage gemäß Figur 1;
Fign. 3a-b Ansichten einer Schutzglasanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 eine Schnittansicht einer ersten Baugruppe mit einer Hülse und einem ersten Schutzglas zur Verwendung in einer erfindungsgemäßen Schutzglasanordnung; Fig. 5 eine Schnittansicht einer zweiten Baugruppe mit einer Patrone und einem zweiten Schutzglas zur Verwendung in einer erfindungsgemäßen Schutzglasanordnung; und
Fig. 6 ausschnittsweise einen Laserschneidkopf mit einer erfindungsgemäßen Schutzglasanordnung.
Figur 1 zeigt eine Laserschneidanlage 20, in der eine erfindungsgemäße Schutzglasanordnung eingesetzt werden kann.
Die Laserschneidanlage 20 weist einen Laserstrahlerzeuger 21 auf (z.B. für einen CO2 Laser oder einen Festkörperlaser). Sie weist einen verfahrbaren Laserschneidkopf 22 und eine Werkstückauflage 23 auf, auf der das Werkstück 28 angeordnet ist. Im Laserstrahlerzeuger 21 wird der Laserstrahl 29 erzeugt und mittels eines (nicht gezeigten) Lichtleitkabels oder (nicht gezeigten) Umlenkspiegeln vom Laserstrahlerzeuger 21 zum Laserschneidkopf 22 geführt. Der Laserstrahl 29 wird mittels einer im Laserschneidkopf 22 angeordneten Fokussieroptik auf das Werkstück 28 gerichtet. Die Laserschneidanlage 20 wird darüber hinaus mit Schneidgasen 24, beispielsweise Sauerstoff und/oder Stickstoff, versorgt. Das Schneidgas 24 wird einer Schneidgasdüse 25 des Laserschneidkopfes 22 zugeführt, aus der es zusammen mit dem Laserstrahl 29 austritt. Die Laserschneidanlage 20 umfasst ferner eine Umschaltoptik 26 (beispielsweise ein diffraktives optisches Element oder einen adaptiven Spiegel) zum Umschalten zwischen einem größeren und einem kleineren Fokusdurchmesser des Laserstrahls 29 oder eine im Laserschneidkopf 22 angeordnete, aus mehreren Linsen bestehende Zoom-Optik zur Variation von Fokuslage und Fokusdurchmesser des Laserstrahls 29, sowie eine Maschinensteuerung 27, die programmiert ist, sowohl den Laserschneidkopf 22 samt seiner Schneidgasdüse 25 entsprechend der Schneidkontur relativ zum Werkstück 28 zu verfahren als auch die Umschaltoptik 26 oder die Zoom-Optik anzusteuern. Die Umschaltoptik 26 muss nicht zwangsläufig im Laserschneidkopf 22 angeordnet sein, sondern kann sich auch im oder am Strahlerzeuger 21 vor einem Lichtleitkabel oder an anderer Stelle in der Strahlführung befinden.
Figur 2 zeigt einen beispielhaften Aufbau eines Laserbearbeitungskopfs in Form eines Laserschneidkopfs 22, der an einer Laserschneidanlage 20 zum Einsatz kommen kann, mit einem Gehäuse 32, in das der Laserstrahl 29 über eine Transportfaser 34 eingekoppelt wird. Der Laserstrahl 29 trifft divergent auf eine erste Linse 35 mit kurzer Brennweite und wird über einen Zwischenfokus 36 auf eine zweite Linse 37 abgebildet. Der durch die zweite Linse 37 kollimierte Laserstrahl 29 wird über eine (ortsfeste) weitere, durch eine Halterung 46 gehaltene Linse 38, die als Fokussieroptik dient, auf eine Werkstückoberfläche 39 zur Lasermaterialbearbeitung fokussiert.
Zur Einstellung von Fokuslage und Fokusdurchmesser des Laserstrahls 29 sind jeweils Linsen-Halterungen 43, 44 für die erste Linse 35 bzw. die zweite Linse 37 mittels Fokuseinstelleinrichtungen 40, 42 (gesteuert durch von einer Steuerung vorgegebene Steuersignale) entlang der optischen Achse 31 des Laserstrahls 29 verschiebbar. Es versteht sich, dass die oben beschriebene Linsen-Anordnung nach dem Prinzip eines Keppler- Teleskops alternativ durch eine Galileo-Teleskop-Anordnung ersetzt werden kann.
Die Linsen-Halterungen 43, 44 zur Führung der ersten bzw. zweiten Linse 35, 37 weisen Überströmungskanäle 33 auf, die für einen Druckausgleich zwischen den Kammern 47, 48, 49 beim Bewegen der Linsen 35, 37 sorgen. In Strahlausbreitungsrichtung der Fokussieroptik nachgeordnet, weist der Bearbeitungskopf 22 ein durch eine Halterung 46 gehaltenes Schutzglas/Druckfenster 30 auf. Ein nicht näher gezeigter Kollisionsschutz sieht dabei vor, dass eine kollisionsbedingte Trennung in dem Bereich 41a zwischen Fokussieroptik und Schutzglas/Druckfenster 30 erfolgen kann. Ein um diesen Bereich 41a an dem Gehäuse 32 der Strahlformungseinheit angebrachter Faltenbalg 41 verhindert in einem solchen Fall das Eindringen von Schmutzpartikeln, die sich im ungünstigsten Fall direkt an der Fokussieroptik absetzen könnten.
Die erfindungsgemäße Schutzglasanordnung kann anstelle des schematisch dargestellten Schutzglases 30 in einem Laserschneidkopf 22 gemäß Figur 2 angeordnet sein.
Im Zusammenhang mit den Figuren 3a und 3b werden im Folgenden Aspekte einer erfindungsgemäßen Schutzglasanordnung näher beschrieben.
Figur 3a zeigt eine Schutzglasanordnung 100 in einer isometrischen Darstellung. Figur 3b zeigt einen Längsschnitt durch die gleiche Schutzglasanordnung 100. Die Schutzglasanordnung 100 umfasst eine hohlzylinderförmige Hülse 210 in die eine ebenfalls hohlzylinderförmige Patrone 310 aufgenommen ist.
An einem ersten, oberen axialen Ende 212 der Hülse 210 ist ein erstes, optikseitiges Schutzglas 220 auf einem Dichtungsring 240 gelagert, der in einer Nut an der Oberseite der Hülse 210 aufgenommen ist. Das erste Schutzglas 220 ist mittels eines Befestigungsrings 230 an der Hülse 210 befestigt. Der Befestigungsring 230 besteht aus Polyetheretherketon (PEEK) oder einem vergleichbaren hochtemperaturbeständigen Kunststoff.
An seinem oberen Ende weist der Befestigungsring 230 einen Halteabschnitt 232 auf, der sich, vorzugsweise mit einer vorgebbaren Neigung, radial nach innen erstreckt. Der Halteabschnitt 232 greift über das erste Schutzglas 220. Genauer gesagt liegt der Halteabschnitt 232 des Befestigungsrings 230 an einer umlaufenden Fase des ersten Schutzglases 220 an, die an einer oberen Außenkante des ersten Schutzglases 220 ausgebildet ist. Durch die Fase und den geneigten Halteabschnitt 232 des Befestigungsrings 230 lässt sich das erste Schutzglas 220 positionsgenau auf der Hülse 210 anbringen und im Strahlengang eines Laserbearbeitungskopfes auf einfache Weise zentrieren.
Der Befestigungsring 230 weist ferner Verschlusselemente 234 und Gegenhalteelemente 236 auf, die in gleichmäßigen Abständen am Umfang des Befestigungsrings 230 angeordnet sind und die sich außerhalb des ersten Schutzglases 220 in axialer Richtung nach unten erstrecken. Die Verschlusselemente 234 weisen jeweils ein längliches Verschlussteil mit einem keilförmigen Haken auf, sowie ein längliches Öffnungsteil, das durch einen Zwischenraum in Umfangsrichtung des Befestigungsrings 230 von dem Verschlussteil beabstandet ist. Die Verschlusselemente sind dazu ausgebildet in dafür vorgesehene Ausnehmungen 216 am oberen Ende 212 der Hülse 210 einzugreifen und einen reversiblen Schnappverschluss mit der Hülse 210 zu bilden. Durch den Schnappverschluss wird das erste Schutzglas 220 auf der Hülse 210 fixiert und kann gemeinsam mit der Hülse 210 in den Strahlengang eines Laserbearbeitungskopfes eingesetzt und daraus entnommen werden.
Die Gegenhalteelemente 236 weisen an ihrem unteren Ende jeweils eine Ausstülpung auf, die sich radial nach innen erstreckt, um unter das erste Schutzglas 220 zu greifen und dieses in dem Befestigungsring 230 zu halten. Mithilfe der Gegenhalteelemente 236 kann der Befestigungsring 230 auf das erste Schutzglas 220 geklippt und gemeinsam mit dem ersten Schutzglas 220 mittels der Verschlusselemente 234 auf der Hülse 210 befestigt werden. Dies erleichtert die Installation / Deinstallation des ersten Schutzglases 220 zusätzlich.
Der Befestigungsring 230 weist vorzugsweise etwa den gleichen Außendurchmesser auf wie die Hülse 210. Damit die Gegenhalteelemente 236 beim Aufsetzen auf die Hülse 210 nicht mit der Hülse 210 kollidieren, weist die Hülse 210 an ihrem oberen Ende 212 ferner Ausnehmungen 218 auf, in die die Gegenhalteelemente 236 hineinragen können, ohne mit der Hülse 210 zu kollidieren.
Die Hülse 210 weist an ihrem oberen Ende 212 einen radial nach innen ragenden Aufnahmebereich 250 auf. An der Unterseite des Aufnahmebereichs 250 ist ein Fachdichtring 260 aus Kunststoff, beispielsweise aus PEEK angeordnet. Der Flachdichtring 260 bildet einen oberen Anschlag für ein zweites, prozessseitiges Schutzglas 320, das auf der Patrone 310 angeordnet ist.
Das zweite Schutzglas 320 ist in einer Einfassung am oberen Ende 312 der Patrone 310 positioniert. Die Einfassung bildet am oberen Ende 312 der Patrone 310 einen schmalen, umlaufenden Rand, der das zweite Schutzglas 320 umgibt, sodass es exakt zentriert auf der Patrone 310 positionierbar ist. Zur Abdichtung des Innenraums der Patrone 310 gegen ein Entweichen von Schneidgas / Prozessgas in den Optikraum ist das zweite Schutzglas 320 auf einem Dichtungsring 340 gelagert, der in einer Nut in der Einfassung am oberen Ende 312 der Patrone 310 aufgenommen ist.
Kurz unterhalb des oberen axialen Endes 312 der Patrone 310 ist ein Führungsring 350 mit einer konvexen Außenfläche am Außenumfang der Patrone 310 angebracht. Der Führungsring 350 besteht aus PEEK oder einem vergleichbaren Hochleistungs-Kunststoff. Der Führungsring 350 ist in eine dafür vorgesehene Nut am Außenumfang der Patrone 310 befestigt und ragt mit seiner konvexen Außenfläche radial über den Außenumfang der Patrone 310 hinaus.
Am unteren Ende 213 der Hülse 210 ist ein Einführring 270 angeordnet, der eine umlaufende Einführschräge für die Patrone 310 bildet. Wie der Befestigungsring 230, der Flachdichtring 260 und der konvexe Führungsring 350 besteht der Einführring 270 aus einem Hochleistungskunststoff, insbesondere aus PEEK. Durch den Einführring 270 am unteren Ende 214 der Hülse, sowie den konvexen Führungsring 350 am Außenumfang der Patrone 310 und den Flachdichtring 260 unterhalb des Aufnahmebereichs 250 der Hülse 210 kann die Installation / Deinstallation der Patrone 310 in der Hülse 210 besonders verschleißarm durchgeführt werden. Zum Wechseln des zweiten Schutzglases 320 muss die Patrone 310 nach unten aus der Hülse 210 entnommen werden. Bei der manuellen Entnahme, wie auch beim anschließenden Einsetzen der Patrone 310 mit einem ausgetauschten Schutzglas 320 können Berührungen zwischen der Außenseite der Patrone 310 und der Innenseite der Hülse 210 praktisch nicht vermieden werden. Sowohl die Hülse 210 als auch die Patrone 310 sind aus Metall, beispielsweise aus Stahl, gefertigt. Kollisionen zwischen Patrone 310 und Hülse 210 können zu Beschädigungen an der Innenseite der Hülse 210 und/oder der Außenseite der Patrone 310 führen. Durch die Kunststoffelemente 260, 350 und 270 können derartige Beschädigungen weitestgehend vermieden werden. Beim Einsetzen der Patrone 310 in die Hülse 210 wird die Patrone 310 durch die Einführschrägen des Einführrings 270 in die Öffnung an der Unterseite der Hülse 210 geleitet. Beim weiteren Einführen der Patrone 310 in die Hülse 210, wird die Patrone 310 einerseits mittels des konvexen Führungsrings 350 und andererseits mittels des Einführrings 270 geführt, bis das zweite Schutzglas 320 an dem Flachdichtring 260 anliegt. Die Wand der Patrone 310 weist einen keilförmigen Querschnitt auf, sodass ein trichterförmiger Strahlengang im Innenraum der Patrone 310 gebildet wird. An ihrem unteren Ende 314 weist die Patrone 310 eine umlaufende Nut 360 auf. Von der Nut 360 aus erstrecken sich in axialer Richtung Bohrungen 362 in der Wand der Patrone 310, die an einer Wandinnenseite der Patrone 310 münden. Die Nut 360 und die Bohrungen 362 dienen der Zufuhr von Schneidgas / Prozessgas zum Laserschneiden. Das Schneidgas wird über einen Gasanschluss an der Unterseite der Patrone 310 in die Nut 360 eingeleitet. Das eingeleitete Schneidgas, insbesondere Stickstoff oder Sauerstoff, verteilt sich auf dem gesamten Umfang der Nut 360 und gelangt über die Bohrungen 362 in den Patroneninnenraum. Von dort aus wird es nach unten hin zu einer Schneiddüse geleitet, an der es gemeinsam mit dem Laserstrahl aus dem Laserschneidkopf austritt, in den die Schutzglasanordnung einsetzbar ist.
Am Außenumfang der Patrone 310 sind mehrere, z.B. 7 oder mehr, längliche Einbuchtungen 370 ausgebildet. Die Einbuchtungen 370 sind in Umfangsrichtung der Patrone 310 vorzugsweise in gleichmäßigen Abständen zueinander angeordnet und erstrecken sich jeweils in Längsrichtung der Patrone 310. Die Einbuchtungen 370 sollen den Luftaustausch beim Einsetzen der Patrone 310 in die Hülse 210 bzw. bei der Entnahme der Patrone 310 aus der Hülse 210 zwischen dem Hülseninnenraum und der Umgebung erleichtern. Dadurch wird das Herauszeihen bzw. das Einschieben der Patrone 310 erleichtert. Ebenso wird durch eine voluminöse Gestaltung der Einbuchtungen die Ein- bzw. Ausströmgeschwindigkeit der Luft reduziert, wodurch die Gefahr der Partikeleinsaugung reduziert wird.
Figur 4 zeigt im Längsschnitt eine erste Baugruppe 200 umfassend eine Hülse 210 mit einem ersten, optikseitigen Schutzglas 220 zur Verwendung in einer erfindungsgemäßen Schutzglasanordnung 100. Die in Figur 4 dargestellte Hülse 210, sowie das erste Schutzglas 220 und der Befestigungsring 230 entsprechen der Hülse 210, dem Schutzglas 220 und dem Befestigungsring 230 gemäß den Darstellungen in den Figuren 3a und 3b. Es sei daher auf die dortige Beschreibung verwiesen. Der Einfachheit halber wurde in Figur 4 auf eine Darstellung des Flachdichtrings 260 und des Einführrings 270 (vgl. Fig. 3b) verzichtet. Die Lage des Flachdichtrings 260 und des Einführrings 270 an der Hülse 210 ergeben sich aus den Darstellung gemäß Figur 3b und Figur 6.
In Figur 5 ist eine zweite Baugruppe 300 im Längsschnitt dargestellt, die eine Patrone 310 mit einem zweiten, prozessseitigen Schutzglas 320 umfasst und die zur Verwendung in einer erfindungsgemäßen Schutzglasanordnung 100 ausgebildet ist. Die in Figur 5 dargestellte Patrone 310 mit dem zweiten Schutzglas 320 entspricht der Darstellung gemäß den Figuren 3a und 3b. Es sei daher auf die dortige Beschreibung verwiesen.
Figur 6 zeigt ausschnittsweise einen erfindungsgemäßen Laserbearbeitungskopf 22 in Form eines Laserschneidkopfes 22. In dem Laserschneidkopf 22 ist unterhalb der Fokussieroptik mit der Linse 38 (vgl. auch Fig. 2) eine erfindungsgemäße Schutzglasanordnung 100 angeordnet. Die Hülse 210 der Schutzglasanordnung 100 wird von unten in eine dafür vorgesehene Aussparung in dem Laserschneidkopf 22 eingesetzt, sodass der Haltebereich 232 des Befestigungsrings 230 gegen eine entsprechende Aufnahmefläche des Laserschneidkopfes 22 gedrückt wird. An ihrem unteren Ende 214 wird die Hülse 210 mit geeigneten Befestigungsmitteln (z.B. Schrauben) im Laserschneidkopf 22 befestigt. Die Patrone 310 wird von unten in die Hülse 210 eingesetzt, sodass das zweite Schutzglas 320 gegen den Flachdichtring 260 gedrückt wird. Im eingebauten Zustand ragt das untere Ende 314 der Patrone 310 nach unten aus der Hülse 210 hinaus. Nach unten hin grenzt die Patrone 310 an einen Düsenkörper 400 des Schneidkopfes 22. An der Oberseite des Düsenkörpers 400 ist ein Kanalabschnitt ausgebildet, der eine Gasleitung für die Zufuhr von Schneidgas mit der umlaufenden Nut 360 der Patrone 310 verbindet. Wie exemplarisch durch einen gestrichelten Pfeil dargestellt, gelangt das Schneidgas von der Gasleitung über die Bohrungen 362 in den Patroneninnenraum. Von dort aus wird es über die Schneiddüse am unteren Ende des Düsenkörpers 400 gemeinsam mit dem Laserstrahl auf ein zu bearbeitendes Werkstück gerichtet. Die Patrone 310 kann mit dem Düsenkörper 400, etwa mittels einer Schraubverbindung, verbunden sein.
Zur Detektion der Dichtheit des Patroneninnenraumes kann eine Sensorik (in den Figuren nicht dargestellt) vorgesehen sein, die Druckänderungen in dem radialen Zwischenraum zwischen der Patrone 310 und der Hülse 210 erfasst. Bei einer Druckänderung die auf eine Undichtheit der Patrone 310 hinweist kann eine automatische Abschaltung des Lasers vorgesehen sein, um Beschädigungen des Laserschneidkopfes 22 vorzubeugen.
Wenn das zweite Schutzglas - etwa durch Schmutzpartikel oder Spritzer, die beim Laserschneiden über die Schneiddüse in den Schneidkopf gelangen - beschädigt wird, kann die Patrone 310 mitsamt des Düsenkörpers 400 nach unten aus der Hülse 210 entnommen werden. Das beschädigte zweite Schutzglas 320 kann nun ausgetauscht und gemeinsam mit der Patrone 310 und dem Düsenkörper 400 wieder in die Hülse 210 eingesetzt werden. Die Schneidoptik wird während des Austauschs des zweiten Schutzglases 320 weiter durch das erste Schutzglas 220 geschützt. Durch die Kunststoffkomponenten (insbesondere Flachdichtring 260, konvexer Führungsring 350 und Einführring 270) können die Patrone 310 und die Hülse 210 auch bei unvorsichtiger Handhabung vor Beschädigungen während des Schutzglaswechsels geschützt werden. Durch die gemeinsame Entnahme der Patrone 310 mit dem Düsenkörper 400 liegt die Schneidgasleitung beim Schutzglaswechsel nur an einem Ende des Kanalabschnitts an der Oberseite des Düsenkörpers 400 offen. Dadurch können die Eintrittsmöglichkeiten für Schmutzpartikel aus der Umgebung geringgehalten werden.
Bezugszeichenliste
20 Laserschneidanlage
21 Laserstrahlerzeuger
22 Laserschneidkopf
23 Werkstückauflage
24 Schneidgas
25 Schneidgasdüse
26 Umschaltoptik
27 Maschinensteuerung
28 Werkstück
29 Laserstrahl
30 Schutzglas / Druckfenster
31 Optische Achse
32 Gehäuse
33 Überströmungskanäle
34 Transportfaser
35 Erste Linse
36 Zwischenfokus
37 Zweite Linse
38 Gehaltene Linse
39 Werkstückoberfläche
40, 42 Fokuseinstelleinrichtung
41 Faltenbalg
41a Bereich für eine Verkippung des unteren Teils des
Laserschneidkopfs im Kollisionsfall
43, 44, 45 Linsen-Halterungen
46 Schutzglas-Halterung
47, 48, 49 Kammern
100 Schutzglasanordnung
200 Erste Baugruppe
210 Hülse Erstes, oberes axiales Ende der Hülse Zweites, unteres axiales Ende der Hülse Ausnehmung für Schnappverschluss Ausnehmung für Gegenhalteelement Erstes, optikseitiges Schutzglas Befestigungsring
Halteabschnitt
Verschlusselement
Gegenhalteelement
Dichtungsring
Aufnahmebereich
Flachdichtring
Einführring
Zweite Baugruppe
Patrone
Erstes, oberes axiales Ende der Patrone Zweites, unteres axiales Ende der Patrone Zweites, prozessseitiges Schutzglas Dichtungsring
Konvexer Führungsring
Umlaufende Nut
Bohrungen
Einbuchtung
Düsenkörper

Claims

Patentansprüche
1. Schutzglasanordnung (100) für einen Laserbearbeitungskopf (22), die Schutzglasanordnung (100) umfassend :
Eine, im Wesentlichen hohlzylinderförmige, Hülse (210);
Eine, im Wesentlichen hohlzylinderförmige, Patrone (310), die in die Hülse (210) aufnehmbar ist;
Ein erstes, optikseitiges Schutzglas (220), das auf einem ersten, oberen axialen Ende (212) der Hülse (210) positionierbar ist;
Ein zweites, prozessseitiges Schutzglas (320), das auf einem ersten, oberen axialen Ende (312) der Patrone (310) positionierbar ist;
Wobei die Hülse (210) an ihrem ersten axialen Ende (212) einen radial nach innen ragenden Aufnahmebereich (250) aufweist; und
Wobei die Schutzglasanordnung (100) ferner einen Flachdichtring (260) aus Kunststoff aufweist, der an einer Unterseite des Aufnahmebereichs (250) angeordnet ist und der einen oberen Anschlag für das zweite Schutzglas (320) bildet.
2. Schutzglasanordnung (100) nach Anspruch 1, wobei das erste, optikseitige Schutzglas (220) mittels eines Befestigungsrings (230) aus Kunststoff, insbesondere aus PEEK, auf der Hülse (210) befestigbar ist; wobei der Befestigungsring (230) eine reversible Schnappverbindung mit der Hülse (210) bildet.
3. Schutzglasanordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Patrone (310) an ihrem oberen axialen Ende (312) eine Einfassung zur Aufnahme des zweiten Schutzglases (320) aufweist.
4. Schutzglasanordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Patrone (310) im Bereich ihres oberen axialen Endes (312) an ihrem Außenumfang einen konvexen Führungsring (350) aus Kunststoff, vorzugsweise aus PEEK, aufweist, der am Außenumfang der Patrone (310) radial hervorsteht.
5. Schutzglasanordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend:
Einen Einführring (270) aus Kunststoff, vorzugsweise aus PEEK, der an einem zweiten, unteren axialen Ende (214) der Hülse (210) befestigbar ist, und der eine Einführschräge aufweist, die ein Einführen der Patrone (310) in die Hülse (210) erleichtert.
6. Schutzglasanordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Patrone (310) ferner an ihrer Unterseite eine umlaufende Nut (360) aufweist, sowie Bohrungen (362), die sich jeweils von der umlaufenden Nut (360) aus in der Wand der Patrone (310) erstrecken und an einer Wandinnenseite der Patrone (310) münden.
7. Schutzglasanordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Patrone (310) an ihrem Außenumfang eine Vielzahl von Einbuchtungen (370) aufweist, die sich in Längsrichtung der Patrone (310) erstrecken und die vorzugsweise in gleichmäßigen Abständen am Außenumfang der Patrone (310) angeordnet sind.
8. Laserbearbeitungskopf (22), insbesondere Laserschneidkopf (22), umfassend die Schutzglasanordnung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7.
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