Die Erfindung betrifft eine Laserbearbeitungsvorrichtung mit Optikschutz sowie ein Verfahren zum Schutz der Optik einer Laserbearbeitungsvorrichtung. Sie eignet sich besonders für Laserschneidvorrichtungen bzw. für das Laserschneiden.

Bei Laserbearbeitungsverfahren wie dem Laserstrahlschneiden wird Schneidgas als Prozessmedium, welches unter hohem Druck von bis zu 2500 kPa aus der Schneid- gasdüse des Laserbearbeitungskopfes austritt, gemeinsam mit dem Laserstrahl auf das zu schneidende Werkstück gerichtet. Die Optik zur Strahlformung des Laser- strahls ist in bekannter Weise, siehe beispielsweise DE 44 26 458 A1 innerhalb der Laserbearbeitungsvorrichtung durch ein abgedichtetes Schutzfenster vom druckbe- aufschlagten, mit der Schneidgasdüse verbundenem Arbeitskanal getrennt, um die wertvollen optischen Komponenten vor Verschmutzungen, zum Beispiel durch Pro- zessspritzer oder -dämpfe, zu schützen. Im Bereich innerhalb der Laserbearbei- tungsvorrichtung, in dem die optischen Komponenten verbaut sind, hier Optikkam- mer genannt, herrscht normaler atmosphärischer Druck. Aufgrund dessen ist das den Normaldruckbereich der Optikkammer vom Hochdruckbereich des Arbeitskanals abschirmende bzw. trennende Schutzfenster hohen Druckunterschieden ausgesetzt.

Dieses Schutzfenster ist typischerweise ein mit einer Schutzfensterdichtung verse- henes, leicht wechselbares Glasfenster. Durch Dichtungsdefekte, zum Beispiel infol- ge von Alterungseffekten oder Verschleißerscheinungen, können allerdings Ver- schmutzungen in den Bereich der Optik gelangen.

Bekannt ist, ein zusätzliches Hilfsschutzfenster zwischen Schutzfenster und Optik vorzusehen, wodurch zwischen dem Arbeitskanal und der Optikkammer ein zusätzli- cher Zwischenraum ausgebildet ist. Trotz dieser Maßnahme kann - insbesondere beim Laserschneiden - nicht gänzlich verhindert werden, dass Verschmutzungen aufgrund des hohen Schneidgasdruckes in die Optikkammer eindringen.

Die Verschmutzungen der optischen Komponenten der Laserbearbeitungsvorrich- tung bewirken eine Leistungsabsorption des Lasers, durch die sich der Laserbearbei- tungskopf erwärmt. Diese Erwärmung kann letztlich bis zur Zerstörung des Laserbe- arbeitungskopfes führen. Zudem fehlt die absorbierte Laserleistung im Bearbeitungs- prozess.

Es ist bekannt, zum Beispiel aus DE 299 03 385 U1 , DE 198 39 930 C1 oder DE 101 13 518 A1 , die Erwärmung im Laserbearbeitungskopf an verschiedenen Po- sitionen zu messen, das durch den Schmutz gestreute Licht sensorisch oder Be- schädigungen des Schutzfensters zu erfassen.

Auch bei Verwendung dieser bekannten Vorrichtungen und Verfahren zur Überwa- chung bzw. zum Schutz der Optik vor Überlastung bleiben Dichtungsdefekte über einen relativ langen Zeitraum unbemerkt, da Temperaturerhöhungen erst detektiert werden, wenn bereits merklichen Verschmutzungen vorliegen. Die kontaminierten optischen Komponenten müssen in der Folge regelmäßig ausgetauscht werden, da sich die Verschmutzungen durch den Laserstrahl in den Komponenten einbrennen und nicht mehr entfernen entfernen lassen. Aufgrund der dann notwendigen Spezial- reparaturen stehen die Laserbearbeitungsvorrichtungen häufig längere Zeit nicht zur Verfügung.

Der Einbau des Hilfsschutzfensters schafft nur bedingt Abhilfe, da im Fall defekter Dichtungen auch die Hilfsschutzfenster einem erhöhten Druck ausgesetzt sind und die Verschmutzung der Optik letztlich nur verzögert wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Laserbearbeitungsvorrichtung mit Optikschutz und ein Verfahren zum Schutz der Optik einer Laserbearbeitungsvorrichtung bereitzustel- len, die es ermöglichen, Dichtungsdefekte, insbesondere Defekte der Schutzfenster- dichtung, frühzeitig zu erkennen. Zudem soll die Schutzfensterdichtung einfach und schnell austauschbar sein.

Diese Aufgabe wird durch eine Laserbearbeitungsvorrichtung mit den kennzeichnen- den Merkmalen nach Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Schutz der Optik der La- serbearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 9 gelöst; zweckmäßige Weiterbildungen der Laserbearbeitungsvorrichtung sind in den Ansprüchen 2 bis 8 beschrieben. Die Laserbearbeitungsvorrichtung mit Optikschutz besitzt ein Gehäuse aus einem oder mehreren Gehäuseelementen; dies ist zum Beispiel das Gehäuse des Laserbe- arbeitungskopfes mit den darin eingefügten Gehäuseeinsätzen.

Sie umfasst weiterhin eine die Optik aufnehmende Optikkammer sowie einen mit ei- nem Prozessmedium druckbeaufschlagten Arbeitskanal, aus dem das Prozessmedi- um bei bestimmungsgemäßem Gebrauch zur Bearbeitungsposition der mit dem La- ser zu bearbeitenden Werkstücke strömt.

Der Arbeitskanal ist in bekannter Weise mittels eines im Strahlengang des Laser- strahls angeordneten, in das Gehäuse eingesetzten Schutzfensters verschlossen, d. h., das Schutzfenster schirmt die Optik der Laserbearbeitungsvorrichtung gegen den Zutritt des Prozessmediums ab. Um den Durchtritt des Prozessmediums auch an den Kontaktpositionen zwischen Schutzfenster und Gehäuse zu verhindern, ist das Schutzfenster mittels einer Schutzfensterdichtung gegen eindringendes Pro- zessmedium abgedichtet. Die Schutzfensterdichtung kann aus mehreren Dichtungs- komponenten bestehen.

Weiterhin ist ein Hilfsschutzfenster im Strahlengang des Laserstrahls in das Gehäuse der Laserbearbeitungsvorrichtung eingesetzt. Das Hilfsschutzfenster verschließt die Optikkammer. Es ist zwischen der Optikkammer und dem Schutzfenster, beab- standet zum Schutzfenster, angeordnet, sodass zwischen Hilfsschutzfenster und Schutzfenster ein Zwischenraum im Gehäuse ausgebildet ist. In dem Zwischenraum und in der Optikkammer herrscht bei bestimmungsgemäßem Betrieb der Laserbear- beitungsvorrichtung atmosphärischer Normaldruck, während der Arbeitskanal unter dem hohen Druck des Prozessmediums steht.

Am Hilfsschutzfenster ist eine - vorzugsweise gasdichte - Hilfsschutzfensterdichtung angebracht, die zwischen der Messkammer und der Optikkammer abdichtet.

Der mittels der Optik gelenkte Laserstrahl trifft bei bestimmungsgemäßer Nutzung nach Durchtritt durch die Optikkammer, das Hilfsschutzfenster, den Zwischenraum, das Schutzfenster und den Arbeitskanal auf die zu bearbeitenden Werkstücke. Nach Maßgabe der Erfindung ist der im Gehäuse zwischen Schutzfenster und Hilfs- schutzfenster ausgebildete Zwischenraum eine geschlossene Messkammer, die mit- tels der am Schutzfenster angebrachten, vorzugsweise gasdichten Schutzfenster- dichtung gegen eindringendes Prozessmedium aus dem druckbeaufschlagten Ar- beitskanal abgedichtet ist. In die Messkammer ist ein Sicherheitsdrucksensor zur Be- stimmung des Messkammerdruckes integriert.

Dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Schutz der Optik der Laserbearbeitungs- vorrichtung zufolge wird der Messkammerdruck während des Betriebs der Laserbe- arbeitungsvorrichtung mittels des Sicherheitsdrucksensors gemessen; beim Über- schreiten eines vorgegebenen Messkammerdrucks bzw. bei einer vorgegebenen Druckerhöhung in der Messkammer innerhalb eines vorgegebenen Zeitraums wird ein Warnsignal an den Maschinenbediener und/oder ein Stoppsignal zur Abschaltung der Laserbearbeitungsvorrichtung ausgegeben. Gleichfalls kann die Warnung bzw. die Abschaltung der Laserbearbeitungsvorrichtung bei Detektion eines charakteristi- schen Messkammerdruck-Zeit-Verlaufs erfolgen. Vorgegebene charakteristische Messkammerdruck-Zeit-Verläufe, die zum Beispiel für bestimmten Dichtungsfehler bzw. -defekte bekannt sind, können in einer Steuerungs- und Regelungseinheit der Laserbearbeitungsvorrichtung hinterlegt sein, die bei Übereinstimmung des erfassten Messkammerdruck-Zeit-Verlaufs mit einem der hinterlegten, charakteristischen Messkammerdruck-Zeit-Verläufe das Warn- bzw. Stoppsignal ausgibt.

Durch die erfindungsgemäße Laserbearbeitungsvorrichtung mit Optikschutz und das Verfahren zum Schutz der Optik der Laserbearbeitungsvorrichtung können frühzeitig Undichtigkeiten der Schutzfensterdichtung detektiert und somit eine Beeinträchtigung der Optik durch Verschmutzungen verhindert werden. In der weitestgehend gasdich- ten Messkammer können auch kleine Druckänderungen mittels des Sicherheits- drucksensors detektiert werden.

Die Schutzfensterdichtung kann nach Erkennung des Defekts ausgetauscht werden; teure Reparaturen der Optik werden vermieden.

Es kann vorgesehen sein, das die Messkammer ein Überdruckventil aufweist, wel- ches die Messkammer im Überlastfall mit der Umgebungsatmosphäre verbindet. Dies reduziert bei schlagartigem Versagen des Schutzfensters die Druckbelastung des Hilfsschutzfensters.

Weiterhin kann die Schutzfensterdichtung ein erstes, arbeitskanalseitiges, axialdich- tendes Dichtungselement und ein zweites, messkammerseitiges Dichtungselement umfassen. Das erste Dichtungselement ist beispielsweise eine Dichtung aus Polytet- rafluroethylen (PTFE) mit einem integrierten Federelement. Das zweite, vorzugswei- se aus einem metallischen Werkstoff bestehende Dichtungselement kann als einsei- tige Randfassung des Schutzfensters ausgebildet sein.

In einer Ausgestaltung weist die Laserbearbeitungsvorrichtung mit Optikschutz eine Schutzfensterschublade zum lösbaren Einschieben in das Gehäuse der Laserbear- beitungsvorrichtung auf. Das Schutzfenster ist zusammen mit der Schutzfensterdich- tung auswechselbar in der Schutzfensterschublade eingesetzt. Diese Schubladen- konstruktion, die auch bei anderen Modulen einer Laserbearbeitungsvorrichtung, wie zum Beispiel bei der Lichtleitkabel-Entkopplung, dem Autofokus, der Fokussierung oder der Linsenfassung im Sinne eines„Plug & Play“ anwendbar ist, gewährleistet einen leichten Austausch der Komponenten. Dies ermöglicht neben der Einsparung von Ersatzteilkosten bei Defekten einzelner Komponenten u. a. auch den Einbau vor- justierter Module mit verkürzten Reparaturzeiten und erhöht somit letztlich die Sys- temverfügbarkeit der Laserbearbeitungsvorrichtung.

Vorteilhafterweise ist die Schubladenbauweise mit der mehrteiligen Schutzfenster- dichtung, umfassend das erste, arbeitskanalseitige, axialdichtende Dichtungselement und das zweite, messkammerseitige Dichtungselement, kombiniert, wobei sich das erste Dichtungselement und das zweite Dichtungselement der Schutzfensterdichtung bei eingeschobener Schutzfensterschublade an den anliegenden Gehäuseelementen abstützen. Das erste axialdichtende Dichtungselement steht hierbei unter Vorspan- nung.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. Dazu zeigen: Fig. 1 : die Laserbearbeitungsvorrichtung mit Optikschutz in Schubladenbauweise im Vertikalschnitt,

Fig. 2: die Laserbearbeitungsvorrichtung mit Optikschutz in Schubladenbauweise im Vertikalschnitt, und

Fig. 3: das Detail eines Dichtungselementes der Schutzfensterdichtung.

Die Laserbearbeitungsvorrichtung mit Optikschutz gemäß der Fig. 1 und der Fig. 2 weist die Schutzfensterschublade 1 mit dem eingesetztem Schutzfenster 2 aus ei- nem Glaswerkstoff auf. Die Schutzfensterschublade 1 ist seitlich in das aus mehre- ren Gehäuseelementen 3, 8, 10 gebildete Gehäuse des Laserbearbeitungskopfs der Laserbearbeitungsvorrichtung (in Einschubrichtung F) eingeschoben. Das Schutz- fenster 2 ist innerhalb des Laserbearbeitungskopfes der Laserbearbeitungsvorrich- tung, oberhalb des durch das Schneidgas mit bis zu 2500 kPa druckbeaufschlagten Arbeitskanals 6 angeordnet und verschließt den Arbeitskanal 6.

Die Schutzfensterdichtung 4, 5 umfasst das erste, axialdichtende Dichtungsele- ment 5 und das zweite Dichtungselement 4. Das zweite Dichtungselement 4 besteht aus einem metallischen Werkstoff; es stützt sich nach dem Einschieben der Schutz- fensterschublade 1 am Gehäuseelement 10 des Laserbearbeitungskopfes ab und bringt das als Federelement ausgebildete erste Dichtungselement 5 durch Andrü- cken gegen den mit einer Dichtfläche versehenen Gehäuseeinsatz 3 unter Vorspan- nung.

Das in der Fig. 2 bezeichnete Detail D ist in der Fig. 3 zur Verdeutlichung des Auf- baus des ersten, axialdichtenden Dichtungselements 5 wiedergegeben. Das Dich- tungselement 5 umfasst ein PTFE-Element und ein darin integriertes Federelement.

Das Hilfsschutzfenster 9 befindet sich gemäß der Fig. 1 innerhalb des Laserbearbei- tungskopfes unterhalb der nicht dargestellten Optik auf dem mit einer Dichtfläche versehenen Gehäuseelement 8.

Zwischen Hilfsschutzfenster 9 und Schutzfenster 2 befindet sich die Messkammer 7, in der sich der nicht dargestellte Sicherheitsdrucksensor befindet. Mittels des Sicher- heitsdrucksensors wird kontinuierlich der Messkammerdruck während der Laserbe- arbeitung, zum Beispiel beim Laserschneiden, gemessen. Erhöht sich der Mess- kammerdruck innerhalb eines vorgegebenen Zeitraums signifikant gegenüber dem im Normalfall in der Messkammer 7 anliegenden atmosphärischen Umgebungsdruck wird der Maschinenanwender durch ein Warnsignal informiert und ggf. der Laser ab- geschaltet. Die eventuell defekten Dichtungselemente 4, 5 können nach dem Her- ausziehen der Schutzfensterschublade 1 getauscht werden.

Die Schutzfensterschublade 1 ist gegenüber den Gehäuseelementen 3, 10 des La- serbearbeitungskopfes durch getrennte Dichtungen in der Schubladenebene und am Schubladenanschlag abgedichtet. Dies vermeidet das Kreuzen der Dichtungen.

Liste der verwendeten Bezugszeichen

1 Schutzfensterschublade

2 Schutzfenster

3 Gehäuse, Gehäuseelement, Gehäuseeinsatz mit Dichtfläche

4 zweites Dichtungselement der Schutzfensterdichtung

5 erstes Dichtungselement der Schutzfensterdichtung

6 Arbeitskanal

7 Messkammer mit Sicherheitsdrucksensor

8 Gehäuse, Gehäuseelement mit Dichtfläche

9 Hilfsschutzfenster

10 Gehäuse, fest installiertes Gehäuseelement

F Einschubrichtung der Schutzfensterschublade

D Detail