Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Gaszufuhrvorrichtung und einen Laserbearbei tungskopf mit derselben, wie beispielsweise einen Laserbearbeitungskopf zum Laserschnei den. Die vorliegende Offenbarung betrifft insbesondere eine Gasführung zum Laserschnei den eines Werkstücks.

Stand der Technik

In einer Vorrichtung zur Materialbearbeitung mittels Laser, z.B. in einem Laserbearbei- tungskopf etwa zum Laserschweißen oder Laserschneiden, wird der von einer Laserlichtquelle oder einem Ende einer Laserleitfaser austretende Laserstrahl mit Hilfe einer Strahl- führungs- und Fokussierungsoptik auf das zu bearbeitende Werkstück fokussiert oder ge bündelt. Standardmäßig wird ein Laserbearbeitungskopf mit einer Kollimatoroptik und einer Fokussierungsoptik verwendet, wobei das Laserlicht über eine Lichtleitfaser zugeführt wird.

Beim Schneiden metallischer Materialien mittels Las er Strahlung tritt üblicherweise gemein sam mit dem Laserstrahl eine Gasströmung aus dem Bearbeitungskopf aus. Zu diesem Zweck ist am Bearbeitungskopf eine Schneiddüse angebracht, durch die Laserstrahlung und Schneidgas auf ein zu bearbeitendes Werkstück gerichtet werden. Im Schneidprozess erfüllt das Schneidgas verschiedene Aufgaben. Zum einen unterstützt es durch die Übertragung von Druck- und Scherkräften an der Schnittfront und an den Schnittflanken den Austrieb des aufgeschmolzenen Materials aus der Schnittfuge. Diese Funktion des Schneidgases do- miniert beim Schneiden von Edelstahl, weshalb in diesem Anwendungsfall ein inertes Medium (üblicherweise Stickstoff N ₂ ) verwendet wird. Beim Schneiden von Baustahl hingegen wird ein reaktives Gas verwendet (üblicherweise Sauerstoff 0 ₂ ). Das Schneidgas unterstützt in diesem Anwendungsfall den Trennvorgang, indem es die Umsetzung von Eisen zu Eisenoxid ermöglicht. Auf diese Weise wird neben der Laserstrahlung zusätzlich Reaktionswärme in den Prozess eingebracht. Daneben bleibt auch beim Baustahls chnitt die Funktion des Schmelzaustriebs erhalten. Als dritte Aufgabe verhindert das Schneidgas eine Verschmutzung des letzten optischen Elementes im Bearbeitungskopf, indem Prozessemissio- nen durch Impulsübertrag abgelenkt werden.

Für die oben genannten Funktionen des Schneidgases - vor allem der Schmelzaustrieb und die Oxidationsreaktion - ist es von Vorteil, wenn Strömungs großen beim Austritt aus der Schneiddüse möglichst homogen und symmetrisch über den Strömungsquerschnitt verteilt sind. Die Gleichverteilung der Strömungsgrößen gewinnt mit der Bearbeitung zunehmender Blechstärken (s > 10 mm) und dem Einsatz zunehmender Laserleistungen (P > 4 kW) an Bedeutung für das Prozessergebnis. Eine möglichst gleichmäßige Verteilung der Strö mungsgrößen verbessert die Oberflächenqualität und Rechtwinkligkeit der resultierenden Schnittkanten und ermöglicht höhere Schnittgeschwindigkeiten. Die US 4 467 171 A beschreibt eine Laserschneiddüse für eine Laserschneidvorrichtung, die einen fokussierten Strahl auf einen Punkt auf einem Werkstück richtet. Die Düse hat einen zylindrischen Körper mit einer konischen Spitze, die einen konisch gefonnten hohlen Innenraum aufweist. Eine Vielzahl von Gaseinlasslöchem erstreckt sich durch den Körper zu dem hohlen Innenraum, so dass eine Gas-Wirbelströmung koaxial durch die Düse zu erzeugt und durch eine Öffnung an der konischen Spitze auf das Werkstück gerichtet wird.

Die EP 0 695 600 A2 beschreibt einen Laserbearbeitungskopf, der einen Gasverteiler zum Einfuhren von Gas neben einer innerhalb des Gehäuses gehaltenen Fokussierlinse umfasst. Der Gasverteiler besteht aus einer Vielzahl von gewinkelten Verteilungsschlitzen, die eine Gas-Wirbelströmung erzeugen, die von der Fläche der Linse weg und in Richtung des Dü senauslasses gerichtet ist.

Offenbarung der Erfindung

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, eine Gaszufuhrvorrichtung für einen Bearbeitungskopf sowie einen Bearbeitungskopf mit derselben, insbesondere einen Laserbearbeitungskopf zum Laserschneiden bereitzustellen, wobei eine verbesserte Oberflächen qualität und Rechtwinkligkeit der Schnittkanten und höhere Schnittgeschwindigkeit erzielt wird.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhaf te Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung umfasst eine Gaszufuhr Vorrich tung für einen Laserbearbeitungskopf zum Erzeugen eines homogenen Gasstroms einen Gaseinlass, ein gemeinsames Volumen zum Überlagern eines Laserstrahls und des Gasstroms, und ein Gaskanalsystem, das sich ausgehend vom Gaseinlass mindestens zwei mal verzweigt und den Gaseinlass mit mehreren, z.B. mit mindestens drei, Auslassöffnun- gen am gemeinsamen Volumen verbindet. Mit anderen Worten kann das Gaskanalsystem mindestens zwei Verzweigungspunkte, die hintereinander entlang des Strömungswegs vom Gaseinlass zum gemeinsamen Volumen liegen können, und/oder mindestens drei Gaskanäle aufweisen, die den Gaseinlass mit jeweils mindestens einer Auslassöffnung verbinden. Das Gassystem kann mindestens einen Verzweigungspunkt aufweisen, an dem der den Ver zweigungspunkt durchströmende Gasstrom je hälftig auf zwei nachfolgende Gaskanäle aufgeteilt wird. Alternativ oder zusätzlich kann das Gaskanalsystem mindestens einen Verzweigungspunkt aufweisen, an dem der Gasstrom auf mindestens drei Gaskanäle gleichmä ßig aufgeteilt wird.

Gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung umfasst eine Gaszu fuhrvorrichtung für einen Laserbearbeitungskopf zum Erzeugen eines homogenen Gasstroms einen Gaseinlass, ein gemeinsames Volumen zum Überlagern eines Laserstrahls und des Gasstroms, und ein Gaskanalsystem, das sich ausgehend vom Gaseinlass in mindes tens drei Gaskanäle verzweigt, die den Gaseinlass mit jeweils mindestens einer Auslassöff- nung am gemeinsamen Volumen verbinden. Die Gaskanäle können so eingerichtet sein, dass sie gleichmäßig mit dem Gasstrom beaufschlagt werden. Vorzugsweise erfolgt die Aufteilung in dem Gaskanalsystem derart, dass zwischen dem Gaseinlass und jeder Aus- lassöffnung am gemeinsamen Volumen gleich viele Verzweigungspunkte liegen. Besonders bevorzugt ist, dass sich an Verzweigungspunkten, die um die gleiche Anzahl von Verzwei- gungspunkten vom Gaseinlass beabstandet sind, die gleiche Anzahl an Gaskanälen ver zweigen.

Beispielsweise kann ein erster Gaskanal, der mit dem Gaseinlass verbunden ist, an einem ersten Verzweigungspunkt in zwei zweite (nachfolgende) Gaskanäle aufgeteilt sein, und die zweiten Gaskanäle können an einem zweiten Verzweigungspunkt jeweils in zwei dritte Gaskanäle aufgeteilt sein. Die dritten Gaskanäle können mit je einer Auslassöffnung verbunden sein. Alternativ können die dritten Gaskanäle an weiteren Verzweigungspunkten mindestens ein weiteres Mal hälftig verzweigt werden.

Eine Kanalstrecke bzw. Kanallänge oder eine Weglänge kann vom Gaseinlass zu jeder Aus- lassöffhung im Wesentlichen gleich lang sein.

Vorzugsweise sind die Gaskanäle stromabwärts von dem mindestens einen Verzweigungs punkt voneinander getrennt bzw. nicht miteinander verbunden. Somit wird das durch den Gaseinlass eingeführte Gas in mehrere Gaskanäle aufgeteilt und erst wieder im gemeinsa men Volumen zusammengeführt. Hier können die Gaskanäle den Gaseinlass mit jeweils genau einer Auslassöfftiung am gemeinsamen Volumen verbinden. Alternativ können die Gaskanäle bereits vor dem gemeinsamen Volumen zusammengeführt werden, beispielsweise kann zwischen dieser Stelle der Zusammenführung und dem gemeinsamen Volumen zu- sätzlich ein Element zur Gleichrichtung der Strömung vorgesehen werden.

Das Gaskanalsystem und die Auslassöffnungen können eingerichtet sein, um einen im Wesentlichen homogenen Gasstrom im und/oder aus dem gemeinsamen Volumen bereitzustellen. Durch das verzweigte Gaskanalsystem und mehrere Auslassöffnungen am gemeinsa- men Volumen kann ein Gasstrom mit homogener und über einen Strömungsquerschnitt symmetrischer Verteilung von wichtigen Strömungsgrößen bereitgestellt werden, wodurch Funktionen des Gases, wie etwa Schmelzaustrieb und Oxidation beim Laserschneiden, und dadurch auch eine Bearbeitungsqualität verbessert werden. Die Auslassöffhungen können an einem Umfangsbereich des gemeinsamen Volumens angeordnet sein. Die Auslassöffnungen können symmetrisch am gemeinsamen Volumen bzw. an einem Umfang des gemeinsamen Volumens angeordnet sein. Durch eine symmetrische Anordnung der Auslassöffnungen an einem Umfang des gemeinsamen Volumens kann der Gasstrom zusätzlich homogenisiert werden. Die Gaszufuhrvorrichtung kann eingerichtet sein, den Gasstrom und den Laserstrahl koaxial zu überlagern und durch die Austrittsöffnung austreten zu lassen.

Die Gaszufuhrvorrichtung kann ferner eine Austrittsöffnung an einem ersten Ende des ge meinsamen Volumens zum Bereitstellen des homogenen Gasstroms aufweisen. Die Gaszu fuhrvorrichtung kann an einem zweiten Ende des gemeinsamen Volumens, das der Aus- trittsöffhung gegenüberliegt, Befestigungsmittel zum Befestigen der Gaszufuhrvorrichtung an einem Laserbearbeitungskopf umfassen. Die Gaszufuhrvorrichtung kann auch im Laser bearbeitungskopf integriert bzw. ein Teil desselben sein. Beispielsweise kann das Gaskanal- system in einem Laserbearbeitungskopf bzw. in mindestens einem Element des Laserbearbeitungskopfes als Bohrungen ausgebildet sein. Dadurch können Vibrationen und auch die Außendimensionen des Laserbearbeitungskopfes reduziert werden.

Vorzugsweise ist das Gaskanalsystem bzw. die Auslassöffnungen dazu eingerichtet, dass der durch jede Auslassöffhung strömende Gasstrahl einen Winkel zwischen 0° und 90° zu einer Symmetrieachse des gemeinsamen Volumens bildet, die mittig durch die Austrittsöff nung der Gaszufuhrvorrichtung führt. Hierbei kann der durch jede Auslassöffnung strömen de Gasstrahl von der Austrittsöffnung der Gaszufuhrvorrichtung weg gerichtet sein. Mit anderen Worten kann der durch jede Auslassöffnung strömende Gasstrahl in Richtung eines (zweiten) Endes des gemeinsamen Volumens gerichtet sein, das der Austrittsöffnung ge genüberliegt.

Die Gaszufuhrvorrichtung kann eine Mittelebene aufweisen, wobei zumindest ein Abschnitt oder ein Teil des Gaskanalsystems, und vorzugsweise das gesamte Gaskanalsystem, sym metrisch zur Mittelebene ist. Die Mittelebene kann im Wesentlichen parallel zu einer opti- schen Achse des Laserbearbeitungskopfes sein. Die optische Achse kann in der Mittelebene verlaufen. Die Mittelebene kann die optische Achse umfassen und sich mittig durch den Gaseinlass erstrecken. Beispielsweise kann die Mittelebene eine Symmetrieebene des ge meinsamen Volumens sein. Die Mittelebene kann sich vom ersten Ende des gemeinsamen Volumens zum zweiten Ende des gemeinsamen Volumens erstrecken.

Des Weiteren kann eine Verzweigung des Gaskanalsystems zur Mittelebene an einem zugehörigen Verzweigungspunkt symmetrisch sein. Beispielsweise kann sich das Gaskanalsys tem an jedem Verzweigungspunkt in zwei Kanäle aufspalten. Mit anderen Worten kann das Gaskanalsystem dazu eingerichtet sein, den Gasstrom an einem Verzweigungspunkt sym metrisch oder hälftig aufzuteilen. In einem Beispiel kann das Gaskanalsystem zur Mittel- ebene eines ersten Verzweigungspunkts symmetrisch sein. Das bedeutet, dass das gesamte Gaskanalsystem eine Symmetrieebene durch den ersten Verzweigungspunkt aufweist.

Das Gaskanal System kann wenigstens eine Staukammer, die wenigstens ein Stauvolumen bereitstellt, umfassen. Die Staukammer kann ringförmig ausgebildet sein. Die Staukammer kann das gemeinsame Volumen umgeben bzw. um das gemeinsame Volumen umlaufend ausgebildet sein. Vorzugsweise ist die Staukammer bzw. das Stauvolumen zwischen den Gaskanälen und den Auslassöffnungen am gemeinsamen Volumen angeordnet. Mit anderen Worten können die Gaskanäle des Gaskanalsystems in ein Stauvolumen münden. Eine Ka nallänge der Gaskanäle oder eine Weglänge vom Gaseinlass zum Stauvolumen kann für alle Gaskanäle gleich sein.

Das Gaskanalsystem kann wenigstens ein Gleichrichterelement umfassen. Das Gleichrichterelement kann so angeordnet sein, dass der Gasstrom vom Gaskanalsystem und/oder vom Stauvolumen über das Gleichrichterelement in das gemeinsame Volumen geführt wird. Mit anderen Worten kann das Gleichrichterelement zwischen dem Gaskanal System und dem gemeinsamen Volumen bzw. den Auslassöffnungen am gemeinsamen Volumen, oder zwi schen der Staukammer und dem gemeinsamen Volumen bzw. den Auslassöffnungen am gemeinsamen Volumen, angeordnet sein. Wenn das Gleichrichterelement zwischen dem Gaskanalsystem und den Auslassöffnungen am gemeinsamen Volumen oder zwischen dem Stauvolumen und den Auslassöffnungen am gemeinsamen Volumen angeordnet ist, kann eine Kanallänge der Gaskanäle oder eine Weglänge vom Gaseinlass zum Gleichrichterele ment für alle Gaskanäle gleich sein.

Das Gleichrichterelement kann aus der Gruppe ausgewählt sein, die Rohrbündel, Siebe, Lamellen, Wabenelemente und Beruhigungsstrecken, o.ä. umfasst. Beispielsweise kann das Gleichrichterelement eine Vielzahl symmetrisch um den Umfang des gemeinsamen Volu- mens verteilter Beruhigungs strecken umfassen. Eine Anzahl der Beruhigungsstrecken kann zwischen 4 und 24 oder zwischen 8 und 16 liegen und/oder die Beruhigungsstrecken kön nen ein Verhältnis D/L von Streckendurchmesser D zu Streckenlänge L zwischen 0,05 und 0,3 oder zwischen 0,1 und 0,3 aufweisen.

Die Auslassöffnungen können einen im Wesentlichen kreisförmigen, ovalen oder länglichen Querschnitt aufweisen.

Der Gaseinlass kann der einzige Gaseinlass zum Gaskanalsystem sein. Ein einziger Gasein- lass ist für einen Benutzer leichter anzuschließen und zu handhaben. Außerdem ist so nur eine Anschlussleitung zur Verbindung mit einer Gasquelle notwendig, sodass auf eine große Anzahl von Anschlussleitungen verzichtet werden kann. Dies ist insbesondere für bewegli che Laserbearbeitungsköpfe vorteilhaft. Ebenso kann hierdurch sichergestellt werden, dass das Anschließen des Bearbeitungskopfes an die Gasquelle keinen negativen Einfluss auf die Homogenität der Gasströmung im gemeinsamen Volumen hat, da bei nur einer Anschluss- leitung hydraulische Unterschiede zwischen den Zuleitung aufgrund unterschiedlicher Längen, Durchmesser oder unterschiedlichen Verlegewegen ausgeschlossen sind. Sollten meh- rere Gaseinlässe vorhanden sein, so ist jeder Gaseinlass über mindestens drei Gaskanäle mit je einer Auslassöffnung verbunden. Das zu jedem Gaseinlass zugeordnete Gaskanalsystem kann mindestens einen Verzweigungspunkt, an dem sich mindestens drei Gaskanäle ab- zweigen, oder mindestens zwei Verzweigungspunkte, an denen sich jeweils zwei Gaskanäle abzweigen, umfassen.

Das Gaskanalsystem und die Auslassöffnungen können eingerichtet sein, um eine im We sentlichen gleichmäßige Verteilung einer oder mehrerer Strömungsgrößen des im gemein samen Volumen strömenden Gases und/oder des aus dem gemeinsamen Volumen ausströ menden Gases bereitzustellen. Die eine oder die mehreren Strömungsgrößen können aus der Gruppe ausgewählt sein, die u.a. eine Strömungsgeschwindigkeit, eine Strömungsrichtung, einen statischen Druck und eine Gasdichte umfasst.

Die Gaszufuhrvorrichtung kann so ausgelegt sein, dass eine optische Achse des Laserbear- beitungskopfes und eine Achse des Gasstromes im gemeinsamen Volumen i Wesentlichen koaxial überlagert sind.

Die Gaszufuhrvorrichtung ist vorzugsweise eine Gaszufuhrvorrichtung zum Zuführen von Schneidgas. Mit anderen Worten kann es sich bei dem Gasstrom insbesondere um Schneid- gas handeln.

Ferner ist ein Laserbearbeitungskopf angegeben, der eine Laservorrichtung zum Bereitstel- len eines Laserstrahls und eine Gaszufuhrvorrichtung zum Erzeugen eines homogenen Gasstroms nach einem der hier beschriebenen Ausführungsbeispiele umfasst.

Der Laserbearbeitungskopf kann weiter ein optisches Element umfassen, wie beispielsweise eine Fokussieroptik oder ein Schutzglas. Das gemeinsame Volumen kann direkt im An schluss an das optische Element angeordnet sein bzw. daran angrenzen. Der Laserbearbei tungskopf kann ferner eine Düse mit einer Düsenöffnung umfassen, die derart eingerichtet ist, dass ein Laserstrahl und ein Gasstrahl durch die Düsenöffnung auf ein Werkstück gerichtet werden können. Insbesondere kann das optische Element ein letztes optisches Ele- ment im Strahlengang des Laserstrahls sein.

Gemäß weiteren Ausführungs formen der vorliegenden Offenbarung ist ein Verfahren zur Laserbearbeitung angegeben. Das Verfahren umfasst ein Einleiten eines Gasstroms in einen Gaseinlass, ein Aufteilen des Gasstroms in einem Gaskanalsystem mit mindestens zwei Verzweigungen, ein Zuführen des Gases aus dem Gaskanalsystem zu einem gemeinsamen Volumen, und ein Überlagern eines Laserstrahls mit dem zugeführten Gasstrom im gemeinsamen Volumen.

Gemäß der vorliegenden Offenbarung kann durch das verzweigte Gaskanalsystem eine im Wesentlichen homogene und symmetrische Gaszufuhr zum gemeinsamen Volumen bereitgestellt werden. Die erfindungsgemäße Gaszufuhrvorrichtung kann insbesondere eine gleichmäßige Verteilung wichtiger Strömungs großen an der Austrittsöffhung bereitstellen. Durch das erfindungsgemäße verzweigte Gaskanalsystem kann eine verbesserte Oberflä chenqualität und Rechtwinkligkeit der Schnittkanten sowie eine höhere Schnittgeschwindigkeit ermöglicht werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Offenbarung sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines Laserbearbeitungskopfs mit einer darin integrierten Gaszuführvorrichtung gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung,

Figur 2 ein Prinzip der Ausbildung des Gaskanalsystems einer Gaszuführvorrichtung gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung,

Figur 3 ein Gaskanalsystem einer Gaszuführvorrichtung gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung,

Figur 4 ein Gaskanalsystem einer Gaszuführvorrichtung gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung,

Figur 5 ein Gaskanalsystem einer Gaszuführvorrichtung gemäß noch weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung,

Figuren 6A und B simulierte Geschwindigkeitsverteilungen im gemeinsamen Volumen, und

Figuren 7A und B simulierte Geschwindigkeitsverteilungen in einer horizontalen Schnittebene am Düsenauslass.

Ausführungsformen der Offenbarung

Im Folgenden werden, sofern nicht anders vennerkt, für gleiche und gleichwirkende Ele mente gleiche Bezugszeichen verwendet.

Figur 1 zeigt eine Gaszufuhrvorrichtung für einen Laserbearbeitungskopf zum Erzeugen eines homogenen Gasstroms gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. In der gezeigten Ausführungsform ist die Gaszuführvorrichtung im Laserbearbeitungskopf 100 integriert oder ein Teil desselben. In anderen Ausführungsformen kann die Gaszuführvor richtung an einem unteren Teil bzw. einer Spitze des Laserbearbeitungskopfes 100, z.B. zum Laserschneiden, befestigt sein. Die Gaszufuhrvorrichtung 100 für einen Laserbearbeitungskopf zum Erzeugen eines homo genen Gasstroms umfasst einen Gaseinlass 110 (z.B. ein Pneumatikfitting), ein gemeinsa- mes Volumen 120 zum Überlagern eines Laserstrahls und eines Gasstroms, und ein Gaska- nalsystem 130, das sich ausgehend vom Gaseinlass 110 mindestens zweimal verzweigt und den Gaseinlass 110 über mehrere Gaskanäle 105 mit jeweils einer Auslassöffnung 132 an einem gemeinsamen Volumen verbindet. Das Gaskanal System 130 und die Auslassöffiiun- gen 132 sind eingerichtet, um einen im Wesentlichen homogenen Gasstrom im bzw. aus dem gemeinsamen Volumen bereitzustellen.

Eine möglichst gleichmäßige Verteilung wichtiger Strömungsgrößen am Austritt setzt vo raus, dass diese Strömungsgrößen bereits im gemeinsamen Volumen von (Schneid-)gas und Laserstrahl möglichst gleichmäßig verteilt sind. Der konvergente Verlauf des gemeinsamen Volumens hat zwar einen homogenisierenden Einfluss auf die Gasströmung, jedoch reicht diese Beruhigungsstrecke - insbesondere bei kürzeren Fokusbrennweiten unter ungefähr f=200 mm - nicht aus, um die Strömung voll auszubilden.

Gemäß der vorliegenden Offenbarung wird daher das verzweigte Gaskanalsystem verwen det, um eine Gleichverteilung von Strömungsgrößen im gemeinsamen Volumen und/oder an einer Austrittsöffnung 142 der Gaszufuhrvorrichtung 100 zu erreichen. Wird das Gas im Bearbeitungskopf vom Gaseinlass 110 beispielsweise direkt zum letzten optischen Element geleitet, so würde keine Gleichverteilung im gemeinsamen Volumen erreicht. Die Offenba rung sieht daher vor, die Gasführung mehrmals aufzuteilen und z.B. vor dem letzten opti- schen Element des Laserbearbeitungskopfs, wie beispielsweise einer Fokussierlinse und/oder einem Schutzglas, symmetrisch wieder zusammenzuführen.

Der Laserbearbeitungskopf, beispielsweise zum Laserschneiden, gemäß Ausführungsfor- men der vorliegenden Offenbarung umfasst eine Laservorrichtung zum Bereitstellen eines Laserstrahls, wie etwa eine Lichtleitfaser. Der Laserstrahl kann auch als„Bearbeitungs- strahl“ oder„Bearbeitungslaserstrahl“ bezeichnet werden. Der Laserbearbeitungskopf ist eingerichtet, um den Laserstrahl auf einen Bearbeitungsbereich eines Werkstücks zu lenken. Der Laserbearbeitungskopf kann eine Kollimatorlinse zur Kollimation des Laserstrahls und eine Fokussieroptik, wie beispielsweise eine Fokussierlinse oder Anordnung von Fokussier linsen zum Fokussieren des Laserstrahls auf das Werkstück aufweisen.

Der Laserbearbeitungskopf umfasst ferner die Gaszufuhrvorrichtung 100 zum Erzeugen eines homogenen Gasstroms gemäß den hierin beschriebenen Ausführungsformen. Die Gaszufuhrvorrichtung 100 kann dazu eingerichtet sein, dass ein vom Laserbearbeitungssys tem zugeführter Laserstrahl und der durch den Gaseinlass 110 zugeführte und über das Gas kanalsystem geleitete Gasstrom im gemeinsamen Volumen im Wesentlichen koaxial über lagert werden. Beispielsweise kann ein optischer Zugang 150, der eine Faserbuchse sein kann, vorgesehen sein, durch den der Laserstrahl in das gemeinsame Volumen eintreten kann.

Der Laserbearbeitungskopf kann gemäß Ausführungsformen entlang einer Bearbeitungsrichtung bewegbar sein. Die Bearbeitungsrichtung kami eine Schneidrichtung und/oder eine Bewegungsrichtung des Laserbearbeitungskopfes bezüglich des Werkstücks sein. Insbeson dere kann die Bearbeitungsrichtung eine horizontale Richtung sein. Die Bearbeitungsrich tung kann auch als„Schneidrichtung“ oder„Vorschuhrichtung“ bezeichnet werden.

Figur 2 zeigt das Prinzip der Ausbildung eines Kanals des erfmdungs gemäßen Gaskanalsys tems 130 der Gaszufuhrvorrichtung 100. Wenn, wie in Figur 1 dargestellt, die Gaszufuhr vorrichtung 100 im Laserbearbeitungskopf integriert ist, kann das Gaskanalsystem 130 durch Bohrungen 210 in einem oder mehreren Elementen 201, 202, 203, 204 des Laserbear beitungskopfes realisiert werden.

Bezugnehmend auf die Figur 2 umfasst das Gaskanalsystem 130 nach dem Gaseinlass 110 Leitungen oder Kanäle, wie beispielsweise Bohrungen 210, in einem oder mehreren Bauteilen oder Elementen 201, 202, 203, 204 der Gaszufuhrvorrichtung 100 bzw. des Laserbear beitungskopfes. Die Bohrungen 210 können angeordnet sein, dass sie sich mehrmals ver zweigen und die Gasführung so immer weiter aufgefächert wird. Beispielsweise kann die Gaszufuhrvorrichtung 100 wenigstens ein Element mit einem Hohlraum oder einer Kammer umfassen, wobei der Hohlraum oder die Kammer das gemeinsame Volumen definiert. Zu sätzlich können Bohrungen 210 im wenigstens einen Element vorgesehen sein, die das Gas kanalsystem 130 definieren. In manchen Ausfuhrungsformen kann die Gaszufuhrvorrichtung 100 aus mehreren Bauteilen oder Elementen 201, 202, 203, 204 (die auch Bauteile bzw. Elemente des Laserbearbeitungskopfes sein können) bestehen, die jeweils Bohrungen 210 aufweisen und miteinander verbunden bzw. verbindbar sind. Zwischen den einzelnen Bauteilen oder Elementen können entsprechende Dichtringe 220 vorgesehen sein, um eine verlustfreie Führung des Gases zu gewährleisten. In Figur 2 ist beispielhaft gezeigt, wie durch das Zusammenfügen mehrere Komponenten ein Strömungskanal für das (Schneid- )gas entsteht. Somit kann die Gasführung nach dem Gaseinlass 110 mehrmals aufgeteilt und anschließend im gemeinsamen Volumen symmetrisch zusammengeführt werden.

Das Gaskanalsystem 130 kann mehrere Bohrungen 210 oder Gaskanäle 105 umfassen, die in einem Winkel zueinander verlaufen. Anders gesagt können zumindest einige Bohrungen 210 oder Kanäle 105 nicht parallel zueinander verlaufen. Beispielsweise können zumindest einige Bohrungen 210 oder Kanäle 105 senkrecht zueinander verlaufen. Typischerweise umfasst das Gaskanalsystem 130 vertikale und horizontale Bohrungen 210 oder Kanäle 105, die miteinander verbunden sind. Ein Richtungswechsel der Bohrungen 210 oder Kanäle 105 kann beispielsweise an jeder Verzweigung des Gaskanal Systems 130 erfolgen. Die Gaszufuhrvorrichtung 100 umfasst die Austrittsöffnung 142 an einem ersten Ende des gemeinsamen Volumens. Die Austrittsöffnung 142 kann den kleinsten Durchmesser der Gaszufuhrvorrichtung 100 bzw. der gesamten Gasführung darstellen, so dass an dieser Stel le die höchste Geschwindigkeit vorliegt und bei überkritischen Strömungsverhältnissen hier der Massenstrom festgelegt werden kann. Die Gaszufuhrvorrichtung 100 kann dazu eingerichtet sein, an einem zweiten Ende des gemeinsamen Volumens am Laserbearbeitungskopf befestigt zu werden. Das zweite Ende des gemeinsamen Volumens kann dem ersten Ende gegenüberliegend angeordnet sein. Alternativ kann die Gaszufuhrvorrichtung ein Teil des Laserbearbeitungskopfes sein oder darin integriert sein.

Der im Wesentlichen homogene Gasstrom kann der im gemeinsamen Volumen strömende Gasstrom und/oder der aus dem gemeinsamen Volumen ausströmende Gasstrom sein. Insbesondere können das verzweigte Gaskanalsystem, die Auslassöffnungen und das gemein same Volumen so eingerichtet sein, dass ein im Wesentlichen homogener Gasstrom aus der Gaszufuhrvorrichtung 100 bzw. aus der Austrittsöffnung 142 austritt. Gemäß einigen Ausführungsformen, die mit anderen hier beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden können, sind das Gaskanalsystem 130 und die Auslassöffhungen eingerichtet, um eine im Wesentlichen gleichmäßige Verteilung einer oder mehrerer Strömungsgrößen des im gemeinsamen Volumen strömenden Gases und/oder des durch die Austrittsöffnung 142 aus dem gemeinsamen Volumen ausströmenden Gases bereitzustellen. Die eine oder die mehreren Strömungsgrößen können aus der Gruppe ausgewählt sein, die eine Strömungsge schwindigkeit, eine Strömungsrichtung, einen statischen Druck und eine Gasdichte und ähnliches umfasst.

Das Gas, das auch als„Schneidgas“ bezeichnet werden kann, kann gemäß Ausführungsfor men ein Inertgas, wie beispielsweise Stickstoff, oder ein reaktives Gas, wie beispielsweise Sauerstoff sein. Beim Schneiden von Edelstahl kann beispielsweise Stickstoff (N2) verwen det werden. Beim Schneiden von Baustahl hingegen kann Sauerstoff (O2) verwendet werden. Das Schneidgas unterstützt in diesem Anwendungsfall den Trennvorgang, indem es die Umsetzung von Eisen zu Eisenoxid ermöglicht. Auf diese Weise wird neben der Laserstrahlung zusätzlich Reaktionswärme in den Prozess eingebracht.

Typischerweise kann die Gaszufuhrvorrichtung 100 eine Schneiddüse 140 umfassen, die das gemeinsame Volumen 120 enthält oder an einem ersten Ende des gemeinsamen Volumens 142 angeordnet ist. Die Schneiddüse 140 kann die Austrittsöffnung 142 umfassen. Durch die Austrittsöffnung 142 der Schneiddüse 140 können die Laserstrahlung und das (Schneid-)Gas vom gemeinsamen Volumen kommend auf eine Bearbeitungsstelle eines Werkstücks gerichtet werden.

Der Gaseinlass 110 kann der einzige Gaseinlass zum Gaskanalsystem 130 sein. Anders gesagt kann in manchen Ausführungsformen das Gas nur über einen einzigen Gaseinlass zuge- führt werden. Der Gaseinlass 110 kann seitlich oder oben an der Gaszufuhrvorrichtung 100 bzw. am Bearbeitungskopf angeordnet sein. Das Schneidgas kann am Einlass entweder di- rekt durch einen Schlauch von extern oder durch weitere Bauteile des Bearbeitungskopfes von intern in den Gaseinlass 110 zugeführt werden.

Die Gleichverteilung des Gases im gemeinsamen Volumen wird insbesondere dadurch erschwert, wenn die Zuleitung des Gases in das gemeinsame Volumen 120 üblicherweise durch einen einzelnen Einlass erfolgt. Hierdurch ergibt sich eine starke Richtungsabhängigkeit aller Strömungsgrößen im gemeinsamen Volumen in Abhängigkeit von der Position des Einlasses. Die Verwendung eines einzelnen Einlasses bzw. von nur wenigen Einlassen ist aus Anwendungssicht aber wünschenswert, da dies den Anschluss und die Zuleitung des Schneidgases von einem Gasflaschenbündel zum Bearbeitungskopf erleichtert. Das erfin- dungsgemäße verzweigte Gaskanalsystem ermöglicht eine Gleichverteilung der Strömungs- größen im gemeinsamen Volumen trotz einseitigem Anschluss der Gaszuleitung.

Die Gaszufuhrvorrichtung 100 kann an einem Laserbearbeitungskopf befestigt oder darin integriert sein. Der Laserbearbeitungskopf umfasst gemäß Ausführungsformen ein optisches Element, das insbesondere das letzte optische Element im Strahlengang des Laserstrahls sein kann. Typischerweise ist das optische Element eine Fokussieroptik (z.B. eine Fokus sierlinse oder eine Anordnung von mehreren Fokussierlinsen, die die optische Achse definieren können) oder ein Schutzglas, das die davor befindliche Fokussieroptik vor Verschmutzung durch Prozessemissionen schützt. Die Gaszufuhrvorrichtung 100 kann so am Laserbearbeitungskopf befestigbar oder integriert sein, dass das optische Element am zwei ten Ende des gemeinsamen Volumens, das der Austrittsöffnung 142 gegenüberliegt, ange ordnet ist. Insbesondere kann das gemeinsame Volumen direkt im Anschluss an das opti sche Element angeordnet sein. Anders gesagt befinden sich keine weiteren optischen Elemente zwischen dem optischen Element und dem gemeinsamen Volumen. Insbesondere kann das gemeinsame Volumen zwischen dem optischen Element und der Austrittsöffnung 142 angeordnet sein. Das (Schneid-)Gas und der Laserstrahl können demzüfolge unterhalb des letzten optischen Elementes vereinigt (d.h. überlagert oder überlappt) werden. Vom letzten optischen Element ausgehend werden die Laserstrahlung und Gasströmung im gemeinsamen Volumen geführt, das zur Austrittsöffnung 142 hin konvergent verlaufen kann.

Gemäß Ausführungsformen ist die Gaszufuhrvorrichtung 100, und insbesondere das Gaska nalsystem 130 eingerichtet, um eine im Wesentlichen homogene oder gleichmäßige Gaszu fuhr entlang eines gesamten Umfangs des optischen Elements des Laserbearbeitungskopfes bereitzustellen. Der Umfang des optischen Elements ist typischerweise in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse, die beispielsweise durch die Fokussieroptik bereitgestellt wird, definiert. In manchen Ausführungsformen können die Auslassöffnungen 132 zum gemeinsamen Vo- lumen so angeordnet sein, dass der Gasstrom zum zweiten Ende der Gaszufuhrvorrichtung 100, das am Laserbearbeitungskopf befestigbar ist, bzw. zum optischen Element des Laserbearbeitungskopfes, hin gerichtet ist. Beispielsweise kann der Gasstrom im Wesentlichen senkrecht auf das optische Element gerichtet sein. Typischerweise können die Auslassöff nungen in einem Winkel gegenüber der Vertikalen und/oder der optischen Achse ausgerichtet sein. Gemäß Ausführungsfonnen kann der Winkel gegenüber der Vertikalen ein Winkel zwischen 0° (senkrecht zum optischen Element) und 90° (parallel zum optischen Element) sein.

Figur 3 zeigt ein Gaskanalsystem 300 gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. In Figur 3 ist eine erfmdungsgemäße Gasführung eines Laserschneidkopfes sche matisch dargestellt, die sich vom Einlass 110 ausgehend dreimal verzweigt und im gemeinsamen Volumen 120 wieder symmetrisch zusammengeführt wird. Flier weist das Gaskanalsystem also vier Gaskanäle 305 auf, die den Gaseinlass 110 über je eine Auslassöffhung 132 mit dem gemeinsamen Volumen 120 verbinden. Gezeigt ist dabei das Volumen, das das Gas in der Gaszufuhrvorrichtung oder im Schneidkopf einnimmt. Die Struktur der Gaszufuhr vorrichtung (oder des Schneidkopfes) stellt somit die entsprechende Negativform dar.

In Figur 3 ist neben dem Gasvolumen eine optische Achse 1 dargestellt, die eine Achse des Laserstrahls ist. Der einzelne Gaseinlass 110 (z.B. ein Schneidgasanschluss) ist oben am Fluidvolumen dargestellt. Von hier aus verzweigt sich die Gasführung mehrmals an den Verzweigungspunkten 302 und 304 in insgesamt vier Gaskanäle 305. Anschließend wird das Gas dem gemeinsamen Volumen 120 durch vier Auslassöffnungen 132, d.h. Zuleitun gen, zugeführt. Gemäß Ausführungsformen korreliert oder skaliert die Anzahl der Gaskanä le mit der Anzahl an Auslassöffnungen 132. Es können zwei oder mehr Verzweigungen bzw. Verzweigungspunkte vorgesehen sein. In Figur 3 sind beispielsweise drei Verzweigungspunkte gezeigt, in Figur 4 sieben Verzweigungspunkte.

Die Gaszufuhrvorrichtung kann eine Mittelebene aufweisen. Die Mittelebene kann im We sentlichen parallel zur optischen Achse 1 des Laserbearbeitungskopfes sein. Die Mittelebene kann sich vom ersten Ende des gemeinsamen Volumens 120 zum zweiten Ende des ge meinsamen Volumens 120 erstrecken. Typischerweise ist zumindest ein Abschnitt des Gaskanalsystems 300, und vorzugsweise das gesamte Gaskanalsystem 300 (mit oder ohne den Gaseinlass 110) symmetrisch zur Mittelebene. Beispielsweise kann die Mittel ebene eine Symmetrieebene des gemeinsamen Volumens 120 sein. Die Symmetrie kann eine Spiegel symmetrie sein.

Die Auslassöffnungen 132 können symmetrisch um einen Umfang des gemeinsamen Volumens 120 angeordnet sein, und können insbesondere symmetrisch bezüglich der Mittel ebene angeordnet sein. Das mehrfach verzweigte Gaskanalsystem 300 kann das Gas den sym- metrisch angeordneten Auslassöffnungen 132 zuführen, so dass eine homogene Gaszufuhr zum gemeinsamen Volumen 120 sowie ein homogener Gasstrom innerhalb des gemeinsa men Volumens 120 erreicht werden kann.

Gemäß Ausführungsformen kann die Gasführung an jeder Verzweigung symmetrisch zu einer jeweiligen Mittelebene aufgebaut sein, um eine gleichverteilte Durchströmung der folgenden Gaskanäle zu gewährleisten. Hierdurch ist sichergestellt, dass durch jeden der Gaskanäle zum gemeinsamen Volumen 120 der gleiche Volumenstrom geführt wird, wodurch sich eine gleichverteilte, richtungsunabhängige Verteilung wichtiger Strömungsgrößen im gemeinsamen Volumen 120 ergibt.

Figur 4 zeigt ein Gaskanalsystem 400 gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Figur 4 zeigt dabei eine erfindungsgemäße Gasführung mit einer Aufteilung in acht Gaskanäle 405 und acht Auslassöffhungen 132. Wiederum wird die Gasführung an jeder Verzweigung 402, 404, 406 symmetrisch zu einer Mittelebene fortgeführt. Je mehr Gaskanäle 405 bzw. Auslassöffnungen 132 in das gemeinsame Volumen 120 zur Verfügung stehen, desto gleichmäßiger sind wichtige Strömungsgrößen im gemeinsamen Volumen 120 verteilt.

In einigen Ausführungsfomien ist nicht an jeder Verzweigung eine symmetrische Fortfüh- rang der Gaskanäle vorgesehen. Ein Grund hierfür kann sein, dass im Schneidkopf nur be- grenzter Bauraum zur Verfügung steht bzw. nur in eine Richtung zur Verfügung steht. Ist eine symmetrische Fortführung nicht vorhanden, so kann gemäß Ausführungsformen ein hydraulischer Ab gleich durchgeführt werden. Hierzu können die Fortführungen bzw. die weiterführenden Bohrungen in ihrem Durchmesser, ihrer Länge und/oder in ihrer Lage so dimensioniert sein, dass jede weiterführende Bohrung bzw. jeder abgehende Kanal den glei chen Volumenstrom führt.

Figur 5 zeigt ein Gaskanalsystem 500 gemäß noch weiteren Ausführungsformen der vorlie- genden Offenbarung.

Gemäß Ausführungsformen umfasst die Gaszufuhrvorrichtung, und insbesondere das Gas- kanalsystem 500, wenigstens ein Stauvolumen 510 und/oder wenigstens ein Gleichrich terelement 520. Der Gasstrom kann vom Stauvolumen 510 aus über das Gleichrichterelement 520 in das gemeinsame Volumen 120 geführt werden. Insbesondere kann das Gleich- richterelement 520 zwischen dem Stauvolumen 510 und dem gemeinsamen Volumen 120 angeordnet sein.

Das Stauvolumen 510 sorgt dafür, dass die Geschwindigkeit der Gasströmung reduziert wird. Aufgrund der Energieerhaltung erhöht sich gleichzeitig der statische Druck der Strömung. Je vollständiger die Strömung abgebremst wird, desto gleichmäßiger ist die Vertei- lung des statischen Drucks im Stauvolumen 510. Eine Gleichverteilung des statischen Drucks wiederum bewirkt, dass die Ausgänge des Stauvolumens 510 gleichmäßig mit Schneidgas beaufschlagt werden und dieses somit gleichmäßig beispielsweise über den Umfang verteilt in das gemeinsame Volumen 120 einströmt. Die Richtungsabhängigkeit, die der Strömung durch den einseitigen Gaseinlass 110 aufgeprägt wird, kann somit weiter vermindert werden.

Im Beispiel der Figur 5 wird die Gasführung zunächst auf vier Gaskanäle 505 aufgefächert. Die einzelnen Leitungen werden dann im Stauvolumen 510, beispielsweise in der Nähe des letzten optischen Elementes des Laserbearbeitungskopfes, wieder zusammengeführt. Das Stauvolumen 510 sorgt für eine zusätzliche Homogenisierung der Strömung. Vom Stauvo- lu en 510 aus wird das Gas über das Gleichrichterelement 520 zu den Auslassöffnungen 132 am gemeinsamen Volumen 120 geführt. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass das letzte optische Element über den Umfang besonders gleichverteilt angeströmt wird und so mit auch die Strömungs großen im gemeinsamen Volumen 120 besonders gleichverteilt sind.

Das Gleichrichterelement 520 kann aus der Gruppe ausgewählt sein, die Rohrbündel, Siebe, Lamellen, Wabenelemente, Beruhigungsstrecken und ähnliches umfasst. Beispielsweise kann das Gleichrichterelement 520 eine Vielzahl symmetrisch um den Umfang des gemeinsamen Volumens 120 verteilter Beruhigungsstrecken 522 umfassen. Eine Anzahl der Beruhigungsstrecken 522 kann zwischen 4 und 24, oder zwischen 8 und 16, liegen. Des Weite ren können die Beruhigungsstrecken ein Verhältnis D/L von Streckendurchmesser D zu Streckenlänge L zwischen 0,05 und 0,3, oder zwischen 0,1 und 0,3, aufweisen. Der Stre ckendurchmesser D kann auch als„Kanalbreite“ oder„Rohrdurchmesser“ bezeichnet wer- den.

Figuren 6A und B zeigen simulierte Geschwindigkeitsverteilungen im gemeinsamen Volu- men. In den Figuren 6A und B sind insbesondere CFD-Simulationsergebnisse im gemeinsamen Volumen dargestellt. Die betrachtete Strömungsgröße ist in beiden Figuren die Absolutgeschwindigkeit.

Figur 6A zeigt eine simulierte Ges chwindigkeits Verteilung im gemeinsamen Volumen mit einseitiger Zuleitung des Schneidgases ohne das erfindungsgemäße Gaskanalsystem. Die betrachtete Strömungsgröße ist ungleichmäßig verteilt.

Figur 6B zeigt eine simulierte Geschwindigkeitsverteilung im gemeinsamen Volumen mit aufgefächerter und symmetrischer Zuleitung des Schneidgases gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Die betrachtete Strömungsgröße ist gleichmäßig verteilt. Es ist insbesondere zu erkennen, dass die Geschwindigkeit bei symmetrischer Zuleitung we sentlich homogener im gemeinsamen Volumen verteilt ist, als dies bei einseitiger Zuleitung der Fall ist. Figuren 7A und B zeigen simulierte Geschwindigkeitsverteilungen in einer horizontalen Schnittebene am Düsenauslass bzw. an der Austrittsöffnung 142. Insbesondere ist die simu- lierte Geschwindigkeitsverteilung in einer horizontalen Schnittebene kurz über dem Düsen auslass dargestellt.

Figur 7A zeigt eine simulierte Geschwindigkeitsverteilung in einer horizontalen Schnittebe- ne am Düsenauslass bei einseitiger Zuleitung des Schneidgases ohne das erfindungsgemäße Gaskanalsystem. Die ungleichmäßige Verteilung der betrachteten Strömungsgröße setzt sich im gemeinsamen Volumen bis zur Austrittsöffnung 142 fort.

Figur 7B zeigt eine simulierte Geschwindigkeitsverteilung in einer horizontalen Schnittebe ne am Düsenauslass bei symmetrischer Zuleitung des Schneidgases unter Verwendung des erfindungsgemäßen Gaskanalsystems. Die betrachtete Strömungsgröße ist auch in der Aus- trittsöffnung 142 viel gleichmäßiger verteilt.

Es zeigt sich, dass sich die Homogenität der Geschwindigkeitsverteilung im gemeinsamen Volumen auch auf die Verteilung am Düsenauslass bzw. an der Austrittsöffnung 142 aus- wirkt. Bei nur einer Zuleitung (Figur 7A) ist die Geschwindigkeitsverteilung sehr unsym metrisch. Das Maximum ist deutlich aus der Mitte heraus verschoben und das Minimum liegt einseitig an einem Teil des Randbereichs vor. Im Gegensatz hierzu bildet sich bei der erfindungsgemäßen aufgefächerten Zuführung eine rotationssymmetrische Verteilung der Geschwindigkeit um den Mittelpunkt des Schnittkreises aus, wie in Figur 7B gezeigt. Das Maximum liegt in der Kreismitte, das Minimum liegt im gesamten Randbereich vor. Mit einer derartigen Geschwindigkeitsverteilung sind bessere Schneidergebnisse zu erreichen als im Fall der Verteilung der Figur 7A.

Gemäß der vorliegenden Offenbarung wird ein verzweigtes Gaskanalsystem verwendet, um eine Gasströmung zu homogenisieren. Insbesondere wird die Gasströmung vor dem Eintritt in das gemeinsame Volumen kopfmtem in mehrere Gasleitungen aufgeteilt und im gemein samen Volumen wieder symmetrisch zusammen geführt. Hierbei werden entsprechende Leitungen bzw. Kanäle mit dem annähernd gleichen Volumenstrom beaufschlagt. Durch die erfindungsgemäße Aufteilung der Gasführung, z.B. in einem Laserbearbeitungskopf, durch die erfindungsgemäße Gaszufuhrvonichtung können wichtige Strömungsgrößen an der Gasaustrittsöffnung vergleichmäßigt werden. Dadurch kann eine verbesserte Oberflächen qualität und Rechtwinkligkeit der Schnittkanten und höhere Schnittgeschwindigkeit erzielt werden.