WO2023213505A1 - Laserbearbeitungsanlage - Google Patents

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    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/03—Observing, e.g. monitoring, the workpiece
    • B23K26/032—Observing, e.g. monitoring, the workpiece using optical means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B23K26/70—Auxiliary operations or equipment
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    • B23K37/00—Auxiliary devices or processes, not specially adapted for a procedure covered by only one of the other main groups of this subclass
    • B23K37/003—Cooling means for welding or cutting

Definitions

  • coolants based on ethylene glycol can also be used as coolants.
  • these cannot be used in all industrial environments due to their flammability.
  • Ethylene glycol also has hygroscopic properties. Therefore, it cannot be ruled out that this coolant will enrich itself over time with diffused water from the ambient air.
  • cooling with liquid coolants is cooling with compressed air.
  • a switch to a cooling concept based on Compressed air means a redesign of the components to be cooled.
  • the cooling channels of the optics and plug connections of laser light cables in existing laser processing systems are neither designed for the ideally required pressure level of air or gas cooling in terms of their cross sections nor their courses. Particularly when connecting laser light cables, a relatively large amount of heat must be dissipated in a very small installation space.
  • the cross section of the cooling channels is so small that, especially at high laser powers, sufficient cooling medium can basically only be passed through the component with liquid cooling.
  • the invention is therefore based on the object of providing a laser processing system in which reliable cooling of the optical components of the system is guaranteed under all operating conditions.
  • a laser processing system with a laser device, at least one processing and / or scanner optics and at least one laser light cable with plug connections, which is characterized in that a cooling circuit is provided, which at least the processing and / or scanner optics and the plug connections of the passes through or protrudes into at least one laser light cable and in which a diorganopolysiloxane circulates as a coolant.
  • Diorganopolysiloxane or silicone oil does not contain any water but is hydrophobic.
  • diorganopolysiloxanes are chemically inert, non-corrosive, non-flammable, non-electrically conductive, non-toxic and compatible with all common construction materials and sealing materials.
  • Other positive properties include their high temperature resistance and a very low freezing point. Silicone oils with different viscosities are also available. These properties enable it to be used as a coolant for almost all laser processing tasks, with the exception of processing workpieces that are later to be coated with paint, for example in car body construction.
  • the cooling circuit with diorganopolysiloxane it is possible to use the cooling circuit with diorganopolysiloxane to cool the laser device.
  • a separate cooling water circuit can preferably be provided for cooling the laser. This makes it particularly easy to retrofit existing systems that already use water cooling. All you have to do is set up a separate cooling circuit with diorganopolysiloxane for the optical components. The water cooling of the laser can remain.
  • the separate cooling circuit can be formed by a cooling device and lines leading back and forth to the optical components, namely the processing and/or scanner optics with plug connections, the laser processing system, the lines being firmly connected to the optical components. If the optical components are replaced, the leaks that inevitably occur when the cooling circuit is opened arise in the area of the cooling device and not in the area of the optical components.
  • diorganopolysiloxane has a similar or identical viscosity to water.
  • comparable flow conditions arise for the coolant when using a cooling device designed for water.
  • a UV-luminous dye can be added to the diorganopolysiloxane. A leak can be found very quickly by irradiating it with UV light.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a laser processing system with a common cooling circuit for all components
  • Fig. 2 is a schematic representation of a separate cooling circuit for optical components of a laser processing system.
  • the laser processing system 10 shown in FIG. 1 has a laser device 11 which is equipped with at least one laser (not shown) for providing laser radiation. Furthermore, a processing and/or scanner optics 12 is provided, which is connected to the laser device 11 via a laser light cable 13 and a plug connection 14.
  • a processing optics is a device that directs a processing beam to a workpiece
  • a scanner optics is a device that directs a scanning beam to a workpiece for monitoring a machining process. It goes without saying that several processing and/or scanner optics 12 can be connected to the laser device 11 in an analogous manner.
  • the laser device 11 is cooled via a cooling device 15, which is connected to the laser device 11 via a coolant inlet 16 and a coolant return 17.
  • the cooling device 15 not only cools the laser device 11 but also the processing and/or scanner optics 12 and the plug connection 14 via a supply line 17 and a return line 18 between the laser device 11 and the processing and/or scanner optics 12.
  • a single cooling circuit is provided for all components, namely laser device 11, processing and/or scanner optics 12 and laser light cable plug connection or plug connection 14 of the laser processing system 10.
  • a diorganopolysiloxane circulates in this cooling circuit as a coolant instead of the cooling water usually used to cool laser processing systems.
  • the laser device 11 can be cooled as usual with cooling water and a separate cooling device 19 with diorganopolysiloxane as a coolant can also be provided, as shown in FIG. 2.
  • the separate cooling device 19 is connected via a supply line 20 and a return line 21 with processing and/or scanner optics 12' and a plug connection 14' for a laser light cable 13 'connected and cools it independently of a laser device, which is shown in Fig.
  • FIG. 2 not shown but is connected to the processing and/or scanner optics 12' via the laser light cable 13'.
  • the alternative shown in Fig. 2 is particularly suitable for retrofitting existing systems.
  • the cooling of the laser device 11 does not need to be changed for this. Only the inlet and return lines 17, 18 (FIG. 1) are removed and a separate cooling device 19 with diorganopolysiloxane as a coolant for the processing and/or scanner optics 12 'and the plug connection 14' is installed.
  • processing and/or scanner optics 12' and the plug connection 14' are thoroughly flushed with dry air in order to completely remove any remaining water from the cooling channels.
  • processing and/or scanner optics 12' cooled with diorganopolysiloxane should be kept or separated from water-cooled optics in the event of repair, so that no silicone oil is transferred to optics that are subsequently used for machining tasks in which the workpieces are free of grease and oil must.

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Abstract

Eine Laserbearbeitungsanlage (10) mit einem Lasergerät (11), mindestens einer Bearbeitungs- und Scanneroptik (12) sowie mindestens einem Laserlichtkabel (13) mit Steckverbindungen (14), wobei ein Kühlkreislauf (15) vorgesehen ist, der zumindest die Bearbeitungs- und/oder Scanneroptik (12) und die Steckverbindungen (14) des mindestens einen Laserlichtkabels (13) durchsetzt und in dem ein Diorganopolysiloxan als Kühlmittel zirkuliert.

Description

Laserbearbeitungsanlage
Bei Laserbearbeitungsprozessen entsteht an unterschiedlichen Orten in einer Laserbearbeitungsanlage Hitze. Schon im Lasergerät selbst wird der Laserstrahl durch optische Linsen geführt und erzeugt dort Wärme, die abgeführt werden muss. Für eine präzise Materialbearbeitung ist es außerdem von besonderer Wichtigkeit, die Temperatur von Bearbeitungs- und Scanoptiken konstant zu halten, um an diesen Optiken Materialausdehnungen und damit Verschiebungen von Fokuspunkten zu vermeiden. Auch an Steckverbindungen zwischen Laserlichtkabeln entsteht Wärme, die zu Materialausdehnungen und damit Strahlveränderungen führen können. Laserbearbeitungsanlagen sind daher mit einer Kühleinrichtung ausgestattet, die in der Regel einen Wasserkühlkreislauf aufweist.
In verschiedenen industriellen Umgebungen, zum Beispiel bei der Produktion von Batterien für Elektrofahrzeuge, ist die Verwendung von Wasser als Kühlmedium für Bearbeitungsoptiken und Steckverbindungen von Laserlichtkabeln jedoch nicht möglich, weil bereits geringe Wasserleckagen zu schwerwiegenden Schäden an Bauteilen oder Anlagen führen können.
Alternativ zu Wasser können als Kühlmittel auch Kühlflüssigkeiten basierend auf Ethylenglycol eingesetzt werden. Auch diese sind jedoch wegen ihrer Brennbarkeit nicht in allen industriellen Umgebungen einsetzbar. Zudem hat Ethylenglycol hygroskopische Eigenschaften. Daher kann es nicht ausgeschlossen werden, dass sich dieses Kühlmittel mit der Zeit mit eindiffundiertem Wasser aus der Umgebungsluft anreichert.
Eine Alternative zur Kühlung mit flüssigen Kühlmitteln bietet die Kühlung mit Druckluft. Allerdings würde eine Umstellung auf ein Kühlkonzept basierend auf Druckluft eine Neuauslegung der zu kühlenden Komponenten bedeuten. Die Kühlkanäle der Optiken und Steckverbindungen von Laserlichtkabeln bestehender Laserbearbeitungsanlagen sind weder von ihren Querschnitten noch von ihren Verläufen her für das idealerweise benötigte Druckniveau einer Luft- oder Gaskühlung ausgelegt. Insbesondere bei Steckverbindungen von Laserlichtkabeln muss auf einem sehr kleinen Bauraum eine relativ große Wärmemenge abgeführt werden. Der Querschnitt der Kühlkanäle ist jedoch so klein, dass insbesondere bei hohen Laserleistungen im Grunde nur mit einer Flüssigkeitskühlung genügend Kühlmedium durch das Bauteil geleitet werden kann.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Laserbearbeitungsanlage bereitzustellen, bei der unter allen Einsatzbedingungen eine zuverlässige Kühlung der optischen Komponenten der Anlage gewährleistet ist.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Laserbearbeitungsanlage mit einem Lasergerät, mindestens einer Bearbeitungs- und/oder Scanneroptik sowie mindestens einem Laserlichtkabel mit Steckverbindungen, die dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Kühlkreislauf vorgesehen ist, der zumindest die Bearbeitungs- und/oder Scanneroptiken und die Steckverbindungen des mindestens einen Laserlichtkabels durchsetzt oder in diese hineinragt und in dem ein Diorganopolysiloxan als Kühlmittel zirkuliert.
Diorganopolysiloxan oder Silikonöl enthält keinerlei Wasser, sondern ist hydrophob. Außerdem sind Diorganopolysiloxane chemisch inert, nicht korrosiv, nicht brennbar, nicht elektrisch leitend, ungiftig und kompatibel mit allen gängigen Konstruktionswerkstoffen und Dichtungsmaterialien. Weitere positive Eigenschaften sind ihre hohe Temperaturbeständigkeit und ein sehr tiefer Gefrierpunkt. Außerdem sind Silikonöle mit unterschiedlicher Viskosität verfügbar. Diese Eigenschaften ermöglichen den Einsatz als Kühlflüssigkeit für fast alle Laserbearbeitungsaufgaben mit Ausnahme der Bearbeitung von Werkstücken, die später mit Lack benetzt werden sollen, also beispielsweise im Karosseriebau.
Änderungen an bestehenden Bearbeitungs- oder Scanneroptiken oder an den Steckverbindungen von Laserlichtkabeln sind nicht notwendig. Die Effizient der Kühlung ist höher als bei der Verwendung von Druckluft. Außerdem ist der Einsatz von Diorganopolysiloxan als Kühlmittel günstiger als die Verwendung von Druckluft.
Prinzipiell besteht die Möglichkeit, den Kühlkreislauf mit Diorganopolysiloxan auch zur Kühlung des Lasergeräts zu verwenden. Bevorzugt kann jedoch ein separater Kühlwasser-Kreislauf zur Kühlung des Lasers vorgesehen sein. Dies ermöglicht insbesondere die einfache Nachrüstung bestehender Anlagen, die bereits mit einer Wasserkühlung arbeiten. Dort muss lediglich ein separater Kühlkreislauf mit Diorganopolysiloxan für die optischen Komponenten eingerichtet werden. Die Wasserkühlung des Lasers kann bestehen bleiben. Der separate Kühlkreislauf kann dabei von einer Kühleinrichtung und zu den optischen Komponenten, nämlich der Bear- beitungs- und/oder Scanneroptik mit Steckverbindungen, der Laserbearbeitungsanlage hin- und rückführenden Leitungen gebildet werden, wobei die Leitungen fest mit den optischen Komponenten verbunden sind. Im Falle des Austauschs der optischen Komponenten entstehen dadurch die beim Öffnen des Kühlkreislaufs zwangsläufig auftretenden Leckagen im Bereich der Kühleinrichtung und nicht im Bereich der optischen Komponenten.
Weitere Vorteile ergeben sich, wenn das Diorganopolysiloxan eine ähnliche oder identische Viskosität wie Wasser aufweist. In diesem Falle entstehen bei Verwendung einer für Wasser ausgelegten Kühleinrichtung vergleichbare Durchflussbedingungen für das Kühlmittel.
Zur einfacheren Detektierung von Leckagen im Kühlkreislauf kann dem Diorganopolysiloxan ein UV-leuchtender Farbstoff zugesetzt werden. Durch Bestrahlung mit UV-Licht lässt sich ein Leck sehr schnell auffinden.
Die schematische Zeichnung verdeutlicht die beiden unterschiedlichen Kühlkonzepte. Dabei zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Laserbearbeitungsanlage mit einem gemeinsamen Kühlkreislauf für alle Komponenten;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines separaten Kühlkreislaufs für optische Komponenten einer Laserbearbeitungsanlage.
Die in Fig. 1 dargestellte Laserbearbeitungsanlage 10 weist ein Lasergerät 11 auf, das mit mindestens einem Laser (nicht dargestellt) zum Bereitstellen von Laserstrahlung bestückt ist. Weiter ist eine Bearbeitungs- und/oder Scanneroptik 12 vorgesehen, die über ein Laserlichtkabel 13 und eine Steckverbindung 14 mit dem Lasergerät 11 verbunden ist. Eine Bearbeitungsoptik ist hierbei eine Vorrichtung, welche einen Bearbeitungsstrahl zu einem Werkstück leitet, eine Scanneroptik ist hierbei eine Vorrichtung, welche einen Scanstrahl zum Überwachen eines Bearbeitungsvorgangs zu einem Werkstück leitet. Es versteht sich, dass in analoger Weise mehrere Bearbeitungs- und/oder Scanneroptiken 12 mit dem Lasergerät 11 verbunden sein können. Das Lasergerät 11 wird über eine Kühleinrichtung 15 gekühlt, die über einen Kühlmittelzulauf 16 und einen Kühlmittelrücklauf 17 mit dem Lasergerät 11 verbunden ist. Die Kühleinrichtung 15 kühlt jedoch nicht nur das Lasergerät 11 sondern über eine Zulaufleitung 17 und eine Rücklaufleitung 18 zwischen dem Lasergerät 11 und der Bearbeitungs- und/oder Scanneroptik 12 auch die Bearbeitungs- und/oder Scanneroptik 12 sowie die Steckverbindung 14. Dies bedeutet, dass ein einziger Kühlkreislauf für alle Komponenten, nämlich Lasergerät 11, Bearbeitungs- und/oder Scanneroptik 12 und Laserlichtkabel-Steckverbindung oder Steckverbindung 14 der Laserbearbeitungsanlage 10 vorgesehen ist. Erfindungsgemäß zirkuliert in diesem Kühlkreislauf ein Diorganopolysiloxan als Kühlmittel anstelle des üblicherweise zur Kühlung von Laserbearbeitungsanlagen verwendeten Kühlwassers.
Alternativ kann das Lasergerät 11 wie üblich mit Kühlwasser gekühlt werden und zusätzlich eine separate Kühleinrichtung 19 mit Diorganopolysiloxan als Kühlmittel vorgesehen werden, wie in Fig. 2 dargestellt ist. Die separate Kühleinrichtung 19 ist über eine Zulaufleitung 20 und eine Rücklaufleitung 21 mit einer Bearbeitungs- und/oder Scanneroptik 12 ' und einer Steckverbindung 14' für ein Laserlichtkabel 13' verbunden und kühlt diese damit unabhängig von einem Lasergerät, das in Fig.
2 nicht gezeigt aber über das Laserlichtkabel 13' mit der Bearbeitungs- und/oder Scanneroptik 12' verbunden ist. Die in Fig. 2 dargestellte Alternative eignet sich insbesondere zur Nachrüstung bestehender Anlagen. Die Kühlung des Lasergeräts 11 muss dazu nicht verändert werden. Es werden lediglich die Zulauf- und Rück- laufleitungen 17, 18 (Fig. 1) entfernt und dafür eine separate Kühleinrichtung 19 mit Diorganopolysiloxan als Kühlmittel für die Bearbeitungs- und/oder Scanneroptik 12 ' und die Steckverbindung 14' installiert.
Bei einer Umrüstung auf eine Kühlung mit Diorganopolysiloxan ist zu beachten, dass eine gründliche Spülung der Kühlkanäle der Bearbeitungs- und/oder Scanneroptik 12' sowie der Steckverbindung 14' mit trockener Luft erfolgt, um noch vorhandenes Wasser restlos aus den Kühlkanälen zu entfernen. Außerdem sollten mit Diorganopolysiloxan gekühlte Bearbeitungs- und/oder Scanneroptik 12 ' im Reparaturfall separat von wassergekühlten Optiken gehalten werden oder getrennt sein, so dass kein Silikonöl auf Optiken übertragen wird, die anschließend für Bearbeitungsaufgaben eingesetzt werden, bei denen die Werkstücke fett- und ölfrei sein müssen.

Claims

Patentansprüche
1. Laserbearbeitungsanlage (10) mit einem Lasergerät (11), mindestens einer Bearbeitungs- und/oder Scanneroptik (12, 12') sowie mindestens einem Laserlichtkabel (13, 13') mit Steckverbindungen (14, 14'), dadurch gekennzeichnet, dass ein Kühlkreislauf mit einer Kühleinrichtung (15, 19) vorgesehen ist, der zumindest die Bearbeitungs- und/oder Scanneroptik (12, 12') und die Steckverbindungen (14, 14') des mindestens einen Laserlichtkabels (13, 13') durchsetzt und in dem ein Diorganopolysiloxan als Kühlmittel zirkuliert.
2. Laserbearbeitungsanlage (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (15) des Kühlkreislaufs auch das Lasergerät (11) kühlt.
3. Laserbearbeitungsanlage (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine separate Kühleinrichtung (19) des Kühlkreislaufs nur die Bearbeitungs- und/oder Scanneroptik (12') mit Steckverbindungen (14') der Laserbearbeitungsanlage kühlt und von der separaten Kühleinrichtung (19) zu der Bearbeitungs- und/oder Scanneroptik (12') mit Steckverbindungen (14') hin- und rückführende Leitungen (20, 21) umfasst, wobei die Leitungen (20, 21) fest mit der Bearbeitungs- und/oder Scanneroptik (12') mit Steckverbindungen (14') verbunden sind.
4. Laserbearbeitungsanlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Diorganopolysiloxan eine Viskosität aufweist, die der Viskosität von Wasser entspricht.
5. Laserbearbeitungsanlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Diorganopolysiloxan ein UV-leuchtender Farbstoff zugesetzt ist.
6. Kühlkreislauf mit einer Kühleinrichtung (15, 19) in einer Laserbearbeitungsanlage (10) nach einem der vorigen Ansprüche.
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