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Title:
DEVICE FOR GUIDING THE FLOW OF A PROCESS MEDIUM FOR A LASER MACHINING DEVICE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2020/064050
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a device for guiding the flow of a process medium for a laser machining device, which permits the production of a largely laminar flow profile of the process medium while effectively cooling an optical element at the same time. The device for guiding flow has an annular nozzle (6) for introducing the process medium into a working channel (9) carrying the process medium in the near region of the optical element (1), and a pressure chamber (4) arranged in the inflow region to the annular nozzle (6) for homogenising the circumferential pressure distribution of the process medium pressure present on the annular nozzle (6). The invention is in particular suitable for the cutting gas guidance of laser cutting devices.

Inventors:
GRIGUHN MARC-GORDON (DE)
NINOW MARK (DE)
Application Number:
DE2019/100801
Publication Date:
April 02, 2020
Filing Date:
September 09, 2019
Export Citation:
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Assignee:
SCANSONIC MI GMBH (DE)
THERMACUT K S (CZ)
International Classes:
B23K26/14; B23K26/16
Foreign References:
JP2004148360A2004-05-27
JP2017170477A2017-09-28
JP2000225488A2000-08-15
CN203509343U2014-04-02
US5756962A1998-05-26
DE4426458A11996-02-01
DE102005025119A12005-12-29
Attorney, Agent or Firm:
KAUFMANN, Sigfrid (DE)
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Claims:
Patentansprüche

1. Vorrichtung zur Strömungsführung eines Prozessmediums für eine Laserbearbei- tungsvorrichtung, umfassend einen Arbeitskanal (9), der das Prozessmedium koaxial zum Laserstrahl zu einer Bearbeitungsposition leitet, wobei der Arbeitskanal (9) ein- seitig mittels eines für den Laserstrahl durchlässigen optischen Elements (1 ) gasdicht verschlossen ist,

dadurch gekennzeichnet, dass

- in der Umfangswandung des Arbeitskanals (9) unterbrechungsfrei über ihren ge- samten Umfang eine Ringdüse (6) zur Einleitung des Prozessmediums in den Ar- beitskanal (9) im Nahbereich des optischen Elements (1 ) eingebracht ist,

- im Zuström bereich zur Ringdüse (6) eine Druckkammer (4) zur Homogenisierung der umfänglichen Druckverteilung des an der Ringdüse (6) anliegenden Prozess- mediendruckes ausgebildet ist, und

- die Druckkammer (4) toroidartig, koaxial zum Arbeitskanal (9) ausgebildet ist, wo bei die Druckkammer (4) eine Zuleitung (2) zur Speisung der Druckkammer (4) mit Prozessmedium und mindestens einen Turbulator (5) zur Beeinflussung der Strö- mungsführung des Prozessmediums aufweist, wobei der Turbulator (5) als radiale Einbuchtung in die Druckkammer (4) ausgebildet und innerhalb der Druckkam- mer (4) an der der Zuleitung (2) entgegengesetzten Umfangsposition der Druck- kammer (4) angeordnet ist.

2. Vorrichtung zur Strömungsführung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Ringdüse (6) derart gestaltet und ausgerichtet ist, dass das ausströmende Prozessmedium im Wesentlich radial in den Arbeitskanal (9) einströmt.

3. Vorrichtung zur Strömungsführung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn- zeichnet, dass das Spaltmaß der Ringdüse (6) 0,20 mm ± 0,05 mm beträgt.

4. Vorrichtung zur Strömungsführung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuström bereich von der Druckkammer (4) zur Ringdü- se (6) in Form eines ringartigen, koaxial zum Arbeitskanal (9) angeordneten Düsen- kanals (8) ausgebildet ist.

5. Vorrichtung zur Strömungsführung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenkanal (8) einen Kanalspalt aufweist, dessen Spaltmaß am Kanalaus- tritt 10 % bis 30 % des Spaltmaßes am Kanaleintritt beträgt. 6. Vorrichtung zur Strömungsführung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn- zeichnet, dass der Düsenkanals (8) im kanalaustrittsseitigen Endbereich einen bo- genförmigen, um 90° abbiegenden Ablenkungbereich zur Strömungsablenkung des Prozessmediums in die Ringdüse (6) aufweist. 7. Vorrichtung zur Strömungsführung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Spaltmaß des Kanalspalts des Düsenkanals (8) stetig im bogenförmi- gen Ablenkungsbereich des Düsenkanals (8) verringert.

8. Vorrichtung zur Strömungsführung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens zwei in die Laserbearbeitungsvor- richtung einsetzbare Verteilereinsätze (3) umfasst, die die Zuström bereiche des Pro- zessmediums zum Arbeitskanal (9) mit der Druckkammer (4) und der Ringdüse (6) ausbilden. - Hierzu zwei Blatt Zeichnungen -

GEÄNDERTE ANSPRÜCHE

beim Internationalen Büro eingegangen am 13 Januar 2020 (13.01.2020)

1. Vorrichtung zur Strömungsführung eines Prozessmediums für eine Laserbearbei- tungsvorrichtung, umfassend ein für den Laserstrahl durchlässiges optisches Ele- ment (1 ) sowie einen Arbeitskanal (9), der das Prozessmedium koaxial zum Laser- strahl zu einer Bearbeitungsposition leitet, wobei der Arbeitskanal (9) einseitig mittels des optischen Elements (1 ) gasdicht verschlossen ist, und wobei

- in der Umfangswandung des Arbeitskanals (9) unterbrechungsfrei über ihren ge- samten Umfang eine Ringdüse (6) zur Einleitung des Prozessmediums in den Ar- beitskanal (9) im Nahbereich des optischen Elements (1 ) eingebracht ist,

- im Zuström bereich zur Ringdüse (6) eine Druckkammer (4) zur Homogenisierung der umfänglichen Druckverteilung des an der Ringdüse (6) anliegenden Prozess- mediendruckes ausgebildet ist, und

- die Druckkammer (4) toroidartig, koaxial zum Arbeitskanal (9) ausgebildet ist, wo bei die Druckkammer (4) eine Zuleitung (2) zur Speisung der Druckkammer (4) mit Prozessmedium aufweist,

dadurch gekennzeichnet, dass die Druckkammer (4) mindestens einen Turbulator (5) zur Beeinflussung der Strömungsführung des Prozessmediums aufweist, wobei der Turbulator (5) als radiale Einbuchtung in die Druckkammer (4) ausgebildet und innerhalb der Druckkammer (4) an der der Zuleitung (2) entgegengesetzten Um- fangsposition der Druckkammer (4) angeordnet ist.

2. Vorrichtung zur Strömungsführung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Ringdüse (6) derart gestaltet und ausgerichtet ist, dass das ausströmende Prozessmedium im Wesentlich radial in den Arbeitskanal (9) einströmt.

3. Vorrichtung zur Strömungsführung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn- zeichnet, dass das Spaltmaß der Ringdüse (6) 0,20 mm ± 0,05 mm beträgt.

4. Vorrichtung zur Strömungsführung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuström bereich von der Druckkammer (4) zur Ringdü- se (6) in Form eines ringartigen, koaxial zum Arbeitskanal (9) angeordneten Düsen- kanals (8) ausgebildet ist.

GEÄNDERTES BLATT (ARTIKEL 19)

5. Vorrichtung zur Strömungsführung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenkanal (8) einen Kanalspalt aufweist, dessen Spaltmaß am Kanalaus- tritt 10 % bis 30 % des Spaltmaßes am Kanaleintritt beträgt. 6. Vorrichtung zur Strömungsführung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn- zeichnet, dass der Düsenkanals (8) im kanalaustrittsseitigen Endbereich einen bo- genförmigen, um 90° abbiegenden Ablenkungbereich zur Strömungsablenkung des Prozessmediums in die Ringdüse (6) aufweist. 7. Vorrichtung zur Strömungsführung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Spaltmaß des Kanalspalts des Düsenkanals (8) stetig im bogenförmi- gen Ablenkungsbereich des Düsenkanals (8) verringert.

8. Vorrichtung zur Strömungsführung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens zwei in die Laserbearbeitungsvor- richtung einsetzbare Verteilereinsätze (3) umfasst, die die Zuström bereiche des Pro- zessmediums zum Arbeitskanal (9) mit der Druckkammer (4) und der Ringdüse (6) ausbilden.

GEÄNDERTES BLATT (ARTIKEL 19)

Description:
Vorrichtung zur Strömungsführung eines Prozessmediums für eine Laserbearbeitungsvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Strömungsführung eines Prozessmediums für eine Laserbearbeitungs-, insbesondere eine Laserschneidvorrichtung.

Bei Laserbearbeitungsverfahren wie dem Laserstrahlschneiden wird Schneidgas als Prozessmedium für einen erfolgreichen Schnitt benötigt. Dazu wird das Schneidgas über eine Druckleitung einem Arbeitskanal im Laserbearbeitungskopf der Laserbear- beitungsvorrichtung zugeführt, aus dem es anschließend an die Bearbeitungsposition der zu bearbeitenden Werkstücke geleitet wird. Nachteilig für eine hohe Schnittquali- tät bzw. ein gutes Schnittbild sind dabei insbesondere Verwirbelungen beim Anströ- men der Bearbeitungs- bzw. Schnittposition.

Des Weiteren ist die Optik der Laserbearbeitungsvorrichtung regelmäßig mittels ei- nes für den Laserstrahl durchlässigen optischen Elements, zum Beispiel eines Schutzglases, gegen Beeinträchtigungen aus dem Bearbeitungsprozess, wie Sprit- zer, Verschmutzungen, Metalldämpfe o. ä., abgeschirmt. Das optische Element bildet hierbei meist den prozessseitigen Abschluss bzw. Verschluss des Arbeitskanals im Laserbearbeitungskopf. Die Erwärmung des optischen Elements, die infolge seiner Nähe zur Bearbeitungsposition und des Laserstrahldurchtritts eintritt, limitiert maß- geblich dessen Lebensdauer.

Bekannt aus dem Stand der Technik sind Vorrichtungen zur Strömungsführung mit einer Vielzahl am Umfang des Arbeitskanals angeordneter Einzeldüsen bzw. am Um- fang angeordneter in Kanalrichtung ausgerichteter Nuten und Stege. Diese besitzen den Nachteil, dass entweder die Entstehung von Strömungsturbulenzen oder die Er- wärmung des optischen Elements nicht effektiv unterdrückt werden. Vorrichtungen zur Strömungsführung in Laserschneidköpfen mit integralem Schutzfenster sind bei- spielsweise in DE 44 26 458 A1 oder DE 10 2005 025 119 A1 beschrieben.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur Strömungsführung eines Prozessmediums in einer Laserbearbeitungsvorrichtung bereitzustellen, die die Er- zeugung eines weitestgehend laminaren Strömungsprofils des Prozessmediums bei gleichzeitig effektiver Kühlung des optischen Elements gewährleistet.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Strömungsführung eines Prozessme- diums für eine Laserbearbeitungsvorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst; zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 8 beschrieben.

Die Vorrichtung zur Strömungsführung eines Prozessmediums für eine Laserbearbei- tungsvorrichtung umfasst einen Arbeitskanal, der das Prozessmedium koaxial zum Laserstrahl zu einer Bearbeitungsposition leitet. Der Arbeitskanal ist einseitig mittels eines für den Laserstrahl durchlässigen optischen Elements, zum Beispiel eines Schutzglases, gasdicht verschlossen. Vorzugsweise besitzt der Arbeitskanal einen kreisförmigen Querschnitt.

Nach Maßgabe der Erfindung ist in der Umfangswandung des Arbeitskanals unter- brechungsfrei über ihren gesamten Umfang eine Ringdüse zur Einleitung des Pro- zessmediums in den Arbeitskanal eingebracht. Die Ringdüse ist im Nahbereich des optischen Elements angeordnet, d. h., die Ringdüse befindet sich in Bezug auf die axiale Position im Arbeitskanal in der Nähe des optischen Elements bzw. schließt an dieses an.

Bei bestimmungsgemäßer Verwendung wird das Prozessmedium durch die Ringdü- se ringförmig in den Arbeitskanal eingeleitet. In dem mit dem optischen Element ver- schlossenen Endbereich des Arbeitskanals trifft ein Teil des aus der Ringdüse aus- tretenden Prozessmediums auf das optische Element und wird an diesem zum axial entgegengesetzt liegenden, offenen Ausgang des Arbeitskanals gelenkt. Der andere Teil des Prozessmediums strömt, je nach Austrittswinkel der Ringdüse, bereits nach dem Austritt aus der Ringdüse in Richtung des Ausgangs des Arbeitskanals. Dieser offene Ausgang des Arbeitskanals ist beispielsweise die Schneidgasdüse einer La- serschneidvorrichtung.

Im Zuströmbereich zur Ringdüse ist erfindungsgemäß eine Druckkammer ausgebil- det. Diese dient zur Homogenisierung der umfänglichen Druckverteilung des an der Ringdüse anliegenden Prozessmediendruckes. Am Übergang von Druckkammer zur Ringdüse bzw. in der Ringdüse selbst findet infolge der einer Düse geometrisch inhä- renten Querschnittsverengung eine Aufstauung des zuströmenden Prozessmediums mit der Folge statt, dass dieses sich gleichmäßig innerhalb der Ringdüse verteilt und an allen Umfangspositionen des Ringdüsenaustritts ein weitestgehend gleicher Druck des Prozessmediums herrscht.

Die Druckkammer der Vorrichtung zur Strömungsführung ist toroidartig, koaxial zum Arbeitskanal ausgebildet; sie besitzt eine Zuleitung zur Zuführung des Prozessmedi- ums.

Zudem weist die Druckkammer mindestens einen Turbulator zur Beeinflussung der Strömungsführung des Prozessmediums auf. Der oder die Turbulatoren verbessern die gleichmäßige Verteilung des aus einer der Zuleitungen zur Druckkammer zuge- führten Prozessmediums vor dessen Einleitung in den Zuström bereich zur Ringdüse.

Einer der Turbulatoren ist als radiale Einbuchtung in die Druckkammer ausgebildet und an der der Zuleitung entgegengesetzten Umfangsposition der Druckkammer an- geordnet. Durch den als Einbuchtung in die Druckkammer gestalten Turbulator wird die Strömung in der Druckkammer gerichtet geführt bzw. umgelenkt, sodass sich an der der Zuleitung entgegengesetzten Umfangsposition der Druckkammer keine Tur- bulenzen ausbilden.

Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Strömungsführung ist, dass durch die Kombination aus Druckkammer und Ringdüse sichergestellt ist, dass das Pro- zessmedium das optische Element gleichmäßig, ringförmig über den gesamten Um- fang anströmt und somit effektiv kühlt. Durch die gleichmäßige Kühlung wird - neben der Lebensdauerverlängerung des optischen Elements durch Verringerung thermi- scher Alterungserscheinungen - gewährleistet, dass sich das optische Element kaum bzw. nur geringfügig durch die thermischen Einwirkungen des Laserstrahls verzieht. Der Laserstrahldurchtritt durch das optische Element wird somit auch bei Dauerbe- trieb kaum beeinträchtigt. Dazu trägt auch bei, dass die Oberfläche des optischen Elements durch das auftreffende Prozessmedium von leichten Verschmutzungen ge- reinigt wird. Ein weiterer Vorteil neben der effektiven Kühlwirkung und Reinigung des optischen Elements und dessen damit verbundener Lebensdauererhöhung ist die Ausbildung eines weitestgehend laminaren Strömungsprofils des strömenden Prozessmediums im Arbeitskanal. Durch die Vermeidung strömungsbehindernder Elemente werden Turbulenzen und die diese begleitenden Strömungsverluste reduziert. Die laminare Strömung im Arbeitskanal ermöglicht somit die wirbelfreie Anströmung der Bearbei- tungsposition der mit der Laserbearbeitungsvorrichtung zu bearbeitenden Werkstü- cke, wodurch letztlich eine hohe Bearbeitungsqualität bzw. ein gutes Schnittbild im Schnittspalt erreichbar sind.

Vorteilhafterweise ist die Ringdüse so gestaltet bzw. ausgerichtet, dass das ausströ- mende Prozessmedium im Wesentlichen radial in den Arbeitskanal einströmt. Die Ringdüse besitzt dazu zum Beispiel in jeder der Axialschnittebenen des Arbeitska- nals eine symmetrische zweidimensionale Geometrie, bezogen auf die mittig im Aus- trittsspalt der Ringdüse angeordnete Radialebene des Arbeitskanals.

Das Spaltmaß der Ringdüse, d. h. der Spalt am Düsenaustritt bzw. der Austrittsspalt, beträgt vorzugsweise 0,20 ± 0,05 mm.

Durch die geometrische Variation des Spaltes der Ringdüse können unterschiedlich ausgeprägte Strömungseffekte erzielt werden. Beispielsweise kann das Spaltmaß derart eingestellt sein, dass gezielt eingebrachte, moderate Verwirbelungen im Ar- beitskanal entstehen, wodurch die Kühlung des optischen Elements verbessert wird, ohne dass hierdurch die Anströmung der Bearbeitungsposition und damit das Bear- beitungsergebnis wesentlich beeinträchtigt werden.

Ferner kann der Zuström bereich von der Druckkammer zur Ringdüse in Form eines ringartigen, koaxial zum Arbeitskanal angeordneten Düsenkanals ausgebildet sein. Der Kanaleintritt des Düsenkanals befindet sich am Übergang zur Druckkammer. Kanalaustrittsseitig geht der Düsenkanal kontinuierlich in die Ringdüse über, d. h., der Kanalaustritt ist durch die Ringdüse selbst gebildet. Das Spaltmaß der Ringdüse entspricht dem Spaltmaß am Kanalaustritt des Düsenkanals. Vorzugsweise weist der Düsenkanal einen Kanalspalt auf, dessen Spaltmaß am Ka- nalaustritt 10 % bis 30 % des Spaltmaßes am Kanaleintritt beträgt.

Weiterhin kann der Düsenkanal im kanalaustrittsseitigen Endbereich einen bogen- förmigen, um 90° abbiegenden Ablenkungsbereich zur Strömungsablenkung des Prozessmediums in die Ringdüse aufweisen. Dadurch ist gewährleistet, dass die Strömung weitestgehend radial in den Austrittskanal einströmt. Vorzugsweise verrin- gert sich das Spaltmaß des Kanalspalts des Düsenkanals stetig im bogenförmigen Ablenkungsbereich des Düsenkanals.

In einer Ausgestaltung umfasst die Vorrichtung zur Strömungsführung mindestens zwei in die Laserbearbeitungsvorrichtung einsetzbare Verteilereinsätze, die die Zu- strömbereiche des Prozessmediums zum Arbeitskanal mit der Druckkammer und der Ringdüse ausbilden. Der modulare Aufbau mit den Verteilereinsätzen gewährleistet eine einfache Fertigung der Bauteile. Die Druckkammer, die Ringdüse und ggf. der Düsenkanal sind nach Montage bzw. Zusammenbau der Verteilereinsätze ausgebil- det.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. Dazu zeigen:

Fig. 1 : die Vorrichtung zur Strömungsführung in Schnittebene A-A,

Fig. 2: die Vorrichtung zur Strömungsführung in Schnittebene B-B, und

Fig. 3: die Vorrichtung zur Strömungsführung in Schnittebene C-C.

In den Fig. 1 und 2 ist die Vorrichtung zur Strömungsführung als Teileinheit des La- serbearbeitungskopfes einer Laserbearbeitungsvorrichtung in zwei verschiedenen Schnittebenen (vgl. Fig. 3) dargestellt. Im Gehäuse 7 ist das optische Ele- ment 1 (Schutzglas) am prozessseitigen Ende des Arbeitskanals 9 angebracht und verschließt den Arbeitskanal 9. In das Gehäuse 7 sind die als Bauteileinsätze ausge- bildeten Verteilereinsätze 3 eingebracht. Die Verteilereinsätze 3 bilden im montierten Zustand die Druckkammer 4, den Düsenkanal 8, die Ringdüse 6 und den Arbeitska- nal 9. Bei bestimmungemäßem Betrieb wird über die Zuleitung 2 das Prozessmedium ein- geleitet, gelangt über die Druckkammer 4 und den Düsenkanal 8 zur Ringdüse 6, strömt anschließend in den Arbeitskanal 9 und schließlich zur Bearbeitungsposition der mit der Laserbearbeitungsvorrichtung zu bearbeitenden Werkstücke.

Die Querschnittdarstellung der Vorrichtung zur Strömungsführung gemäß der Fig. 3 zeigt neben dem Arbeitskanal 9 und der Druckkammer 4, die Zuleitung 2 und den der Zuleitung 2 innerhalb der Druckkammer 4 gegenüberliegenden Turbulator 5. Nach Eintritt des Prozessmediums aus der Zuleitung 2 strömt dieses in der Druckkam- mer 4 um die Umfangswandung des zentralen Arbeitskanals 9 herum, wird an dem als radiale Einbuchtung ausgebildeten Turbulator 5 umgelenkt und verteilt sich gleichmäßig, verwirbelungsfrei in der Druckkammer 4.

Liste der verwendeten Bezugszeichen

1 Optisches Element, Schutzglas

2 Zuleitung für das Prozessmedium 3 Verteilereinsätze

4 Druckkammer

5 Turbulator

6 Ringdüse

7 Gehäuse, Gehäuseelemente 8 Düsenkanal

9 Arbeitskanal