VERFAHREN UND VORICHTtMG ZUR ERZEUGUNG EINES FLüSSIGKEITSSTRAHLS FüR EINE MATERIALBEARBEITUNG UND FLüSSIGKEITSDüSE FüR EINE SOLCHE VORRICHTUNG

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines Flüssigkeitsstrahls, der zur Führung einer in ihn eingekoppelte Laserstrahlung in der Art eines Wellenleiters geeignet ist zwecks Bearbeitung eines Werkstücks, wobei der Flüssigkeitsstrahl mit einer Flüssigkeitsdüse erzeugt wird und wobei der Flüssigkeitsstrahl mantelseitig mit einem Gasstrom umgeben wird. Weiter bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und auf eine Flüssigkeitsdüse für ein solches Verfahren.

Stand der Technik

Die Materialbearbeitung durch Laserstrahlung hat sich in den vergangenen Jahren in vielen

Bereichen etabliert. Eine technisch weiterentwickelte Variante davon ist das Schneiden mit einem wasserstrahlgeführten Laser (EP 0 762 947 B1, WO 99/56907). Der Laserstrahl wird in einen dünnen Wasserstrahl eingekoppelt, um so zur Materialbearbeitungsstelle geführt zu werden. Da der Wasserstrahl den Laserstrahl in der Art eines optischen

Wellenleiters führt, bleibt die Strahlenergie über eine relativ grosse Länge auf den durch den Wasserstrahl vorgegebenen Querschnitt konzentriert. Je grösser die Kohärenzlänge des Wasserstrahls ist, d.h. je später der Wasserstrahl in Tröpfchen zerfällt, desto grösser ist die Variabilität der Arbeitsdistanz der Vorrichtung.

In der JP 2000-334590 ist ebenfalls eine Vorrichtung zur wasserstrahlgeführten Laser¬ bearbeitung beschrieben. Dabei wird vorgeschlagen, den Wasserstrahl mit einem Gas¬ strahl (z.B. Stickstoff-, Argon, Sauerstoff oder Luft) zu umhüllen, indem die Wasserstrahl¬ düse von einer Ringdüse für das Gas umgeben wird.

Eine verbreitete Alternative zur Laserbearbeitung ist das Wasserstrahlschneiden. Dabei wird mit sehr feinen Düsen von deutlich unter 1 mm ein Wasserstrahl erzeugt, mit dessen kinetischer Energie das Werkstück bearbeitet werden kann. Aus der DE 101 13 475 A1 ist dabei bekannt, dass die Kohärenzlänge des Wasserstrahl erhöht werden kann, indem der Wasserstrahl in einem Arbeitsraum mit kontrollierter Atmosphäre verwendet wird. Der Arbeitsraum wird z.B. mit Unterdruck versehen oder mit einem Spülgas beschickt, dessen Dichte kleiner als diejenige von Luft ist (insbesondere Wasserstoff, Helium oder Methan). Das Spülgas ergiesst sich aus einer hinter der Wasserstrahldüse angeordneten Kammer grossvolumig über das Werkstück.

Auf ganz anderen überlegungen basiert die in der US-A 4,047,580 beschriebene Technologie. Diese betrifft ein Verfahren zum Abgraben, Durchdringen oder Zerkleinern von Bodenschichten mit einem grossen Hochgeschwindigkeitswasserstrahl. Damit der Wasserstrahl auch in einer Flüssigkeit (z.B. unter Wasser) eine grossere Strecke durchdringen kann, wird er mit einem Gasstrahl umhüllt, der mindestens die halbe

Schallgeschwindigkeit hat. Zur Strahlerzeugung wird eine konzentrische Doppeldüse verwendet Der Wasserstrahl tritt aus der kreisförmigen Innendüse und der Gasstrahl aus der ringförmigen Aussendüse aus. Der Gasstrahl schafft quasi einen Freiraum im wassergefluteten Arbeitsbereich, so dass der Arbeitswasserstrahl nicht im Wasservolumen verwirbelt, sondern sich in einem "LJnterwasserluftkanal" ausbreiten kann.

Die bisher bekannten Methoden zur Verlängerung der Kohärenzlänge eines Wasserstrahls eignen sich entweder nicht für die wasserstrahl-geführte Lasertechnologie oder bringen namentlich bei dünnen Flüssigkeitsstrahlen keine brauchbaren Ergebnisse.

Darstellung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, ein dem eingangs genannten technischen Gebiet zugehörendes Verfahren zu schaffen, welches auch bei sehr dünnen Flüssigkeitsstrahlen eine ausreichend grosse, insbesondere eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte, Kohärenz der Strahllänge des Flüssigkeitsstrahls ermöglicht. Weiter ist es Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben.

Gemäss der Erfindung besteht die Lösung darin, dass der Flüssigkeitsstrahl durch eine, entfernt von der Flüssigkeitsdüse angeordnete, den Gasstrom formende Gasauslassdüse hindurchgeführt wird. Der Flüssigkeitsstrahl berührt die Gasauslassdüse nicht, sondern schiesst in freiem Flug durch letztere hindurch.

Flüssigkeitsdüse und Gasauslassdüse sind also in z-Achse (Strahlachse) nicht auf der gleichen Position (wie bei der eingangs erwähnten JP 2000-334590) sondern zueinander in z-Richtung versetzt. Zuerst formt die Flüssigkeitsdüse den (vorzugsweise sehr dünnen) Flüssigkeitsstrahl und danach formt die Gasauslassdüse den Gasstrom: Diese Anordnung erlaubt es, die Gasauslassdüse optimal auf die strömungstechnischen Anforderungen für eine gute Gasstrahlerzeugung auszubilden. Anders als bei der "integrierten" Anordnung gemäss JP 2000-334590) muss der Gasauslass nicht um eine Flüssigkeitsdüse herum konstruiert werden (und es muss folglich nicht den Gegebenheiten der Flüssigkeitsdüse Rechnung getragen werden). Ein weiterer Vorteil gegenüber der "integrierten" Anordnung besteht darin, dass die Flüssigkeitsdüse auswechselbar ausgestaltet sein kann. Das heisst,

die (technisch diffizile und daher leichter beschädigbare) Flüssigkeitsdüse kann ersetzt werden, ohne dass gleichzeitig die Gasauslassdüse ersetzt werden muss.

Die erfindungsgemässe Gasauslassdüse wird typischerweise durch einen im Querschnitt kreisförmigen Durchgang gebildet. Der Wasserstrahl schiesst im Wesentlichen zentral durch den Durchgang. Der Gasstrahl wird unmittelbar an den Flüssigkeitsstrahl angeformt. Es sind also keine Trennwände zwischen dem zentralen Flüssigkeitsstrahl und dem Austritt bzw. dem Ort der Erzeugung des Gasstrahls vorhanden, wie z.B. in der eingangs zitierten JP 2000-334590). Unerwünschte Turbulenzen im Gasstrom (insbesondere zwischen dem Flüssigkeitsstrahl und dem Gasstrom) können so minimiert werden.

Nach einer einen Strahl erzeugenden Düse 1 hat jeder Flüssigkeitsstrahl, wie in Figur 1 angedeutet ist, eine stabile Strahllänge £ _s . An diesen stabilen (kohärenten) Bereich schliesst ein Bereich mit einer Länge £Q ^an _> ^m der der Strahlmante! beginnt sich einzu¬ schnüren. Diesen "Einschnürbereich" bezeichnet man als übergangsbereich. Nach dem übergangsbereich erfolgt ein Zerperlen des Strahls in einzelne Tropfen, welche über die Falllänge t _? in leicht abgeflachte annähernd kugelförmige Tropfen übergehen. Die stabile

Strahllänge l _s ist bei einem frei auslaufenden Strahl länger als bei einem, auf eine Werkstückoberfläche zur Materialbearbeitung auftreffenden Strahl.

Wird eine Materialbearbeitung mit einem "abrasiven" Hochdruck-Flüssigkeitsstrahl vor¬ genommen, so kann noch im übergangsbereich, eventuell auch noch mit einem zer- perlenden Flüssigkeitsstrahl, gearbeitet werden. Wird jedoch der Flüssigkeitsstrahl als Strahlleiter verwendet, in dem z.B. die Strahlung eines Laserstrahls eingekoppelt wird, um einen "kalten Schnitt" bzw. einen "kalten" Materialabtrag zu erhalten, wie beispielsweise in der WO 95/32834 und der WO99/56907 beschrieben, so beginnt in den Flüs¬ sigkeitsstrahl eingekoppelte Strahlung im übergangsbereich seitlich aus dem Flüssig- keitsstrahl auszutreten. Diese bereits ausgetretene Strahlung ist für die Materialbear¬ beitung verloren.

Bei einer herkömmlichen Laserbearbeitung, bei der die Laserstrahlung auf die zu bear¬ beitende Werkstückoberfläche fokussiert wird, muss der Fokuspunkt einem Ober-

flächenprofil tiefenmässig (d.h. in Richtung der z-Achse) nachgefahren werden. Bei in einen Flüssigkeitsstrahl eingekoppelter Laserstrahlung hingegen entfällt dieses tiefenmässige Nachstellen hier der Düse, sofern die Profilunterschiede kleiner sind als die stabile

Strahllänge £ _s (minus Düsenabmessungen). Für eine optimale Materialbearbeitung mit einem in einen Flüssigkeitsstrahl eingekoppelten Laserstrahl sollte deshalb eine möglichst grosse stabile Flüssigkeitsstrahllänge erreicht werden.

Um einen Flüssigkeitsstrahl, der als Strahlleiter für eine Laserstrahlung dient, mit einer möglichst langen stabilen Strahllänge £ _s zu erreichen, wird im Gegensatz zum Stand der

Technik zuerst der Flüssigkeitsstrahl mit eingekoppelter Laserstrahlυng erzeugt und dieser Flüssigkeitsstrahl dann durch eine Gasauslassdüse geführt. Die Gasauslassdüse formt einen den Flüssigkeitsstrahl umhüllenden Gasstrahl. Typischerweise (aber nicht zwingend) fällt die Strahlachse des Flüssigkeitsstrahls (bis auf eine Toleranz) mit der Düsenachse der Gasauslassdüse zusammen. Zwischen der Düse, welche den Flüssigkeitsstrahl erzeugt, und der Gasauslassdüse ist quasi ein Stauraum für das Gas gebildet. Es liegt in der Natur einer Düse, dass sie eine Verengung darstellt für das Fluid, welches aus einem ersten Bereich (hier dem Bereich zwischen Flüssigkeitsstrahldüse und Gasauslassdüse) durch die Düse (hier die Gasausiassdüse) in einen zweiten Bereich (hier der Bereich zwischen Gasauslassdüse und Materialoberfläche) strömen soll.

Bei einer Materialbearbeitung mit einem im Flüssigkeitsstrahl geführten Laserstrahl (z.B. die Strahlung eines Nd:YAG-Lasers mit einer Wellenlänge von 1,06 μm) hat der Flüs¬ sigkeitsstrahl typischerweise einen Durchmesser im Bereich von 20 μm bis 200 μm. Die Gasauslassdüse hat einen Durchmesser von typischerweise 0,5 mm bis 2 mm. Als Richtwert sollte gelten: Der Durchmesser des Düsenkanals der Gasauslassdüse sollte etwa zehnmal bis zwanzigmal so gross sein wie der Durchmesser des Kanals der Flüssigkeitsdüse. Dies ist allerdings keine zwingende Dimensionsvorgabe der Erfindung. Eine Toleranz für das übereinstimmen der Gas- und der Flüssigkeitsstrahlachse im Gasauslassdüsenbereich ist vorzugsweise derart, dass der Flüssigkeitsstrahl durch die Mitte der Gasauslassdüse mit einer Toleranz von ± 200 μm gehen sollte.

Im Gegensatz zum Stand der Technik werden lange stabile Strahllängen erreicht, wenn, wie oben ausgeführt, zuerst der Flüssigkeitsstrahl mit eingekoppelter Laserstrahlung gebildet wird und erst nach einem vorgegebenen Weg (d.h. stromabwärts bezüglich der Flüssigkeitsdüse) das Beaufschlagungsgas zugeführt wird. Im Stand der Technik wird das Beaufschlagungsgas immer in unmittelbarer Nähe zur Bildung des Flüssigkeitsstrahles zugeführt, wobei die Ausströmrichtungen der Flüssigkeit des Flüssigkeitsstrahls und diejenige des Beaufschlagungsgases parallel zueinander gewählt wurden.

Die Erfindung geht davon aus, dass die Gasbeaufschlagung derart erfolgen muss, dass am Ort der Gaseinströmung möglichst keine Störung des Flüssigkeitsstrahls erfolgen darf. Eine Störung auf den Flüssigkeitsstrahl wirkt sich nämlich bedeutend stärker auf eine Verkürzung der Strahllänge aus als eine erreichbare Verlängerung durch die Eigenschaften des Beaufschlagungsgases.

Vorzugsweise wird ein Beaufschlagungsgas in einem Hohlraum eines Gehäuses derart eingebracht, dass der eingebrachte Gasstrom den Flüssigkeitsstrahl nicht direkt trifft, sondern dass der gesamte Hohlraum mit dem Beaufschlagungsgas füllbar ist (d.h. das Gas staut sich) und dass das Beaufschlagungsgas den Flüssigkeitsstrahl umhüllend das Gehäuse verlässt.

Vorzugsweise wird das Beaufschlagungsgas in einen Gehäuseinnenraum eingebracht. Bei dem Gehäuse ist dann einem als Gasdüse ausgebildeten Auslass gegenüberliegend die Flüssigkeitsdüse angeordnet. Wie unten noch ausführlich ausgeführt wird, ist dann der durch die Flüssigkeitsdüse erzeugte Flüssigkeitsstrahl sofort mit dem Beaufschlagungsgas umgeben.

Nicht jedes Gas ist gleich gut als Beaufschlagungsgas geeignet. Die kinematische Gas¬ viskosität des verwendeten Beaufschlagungsgases sollte kleiner sein als diejenige des Atmosphärengases (= Umgebungsgas am Bearbeitungsort). Sofern nicht unter einem Schutzgas gearbeitet wird, ist Luft das Atmosphärengas. Unter einer kinematischen Gas¬ viskosität wird eine Viskosität bezogen auf das spezifische Gewicht des Gases verstanden. Die kinematische Gasviskosität von Luft beträgt bei 20°C und einem Druck von 1 atm 151 ,1 ^• 10 ^'3 cm ² /sec.

Gemäss American Institute of Physics Handbook, Second Edition, Seite 2-229 kämen somit beispielsweise die nachfolgenden Gase in Frage, wobei die angegebenen Werte die Dimension 10 ^"3 cm ² /sec haben:

Wasserstoff (H ₂ ) * 1 ,059 Helium (He) 1 ,179

Acetylen (C ₂ H ₂ ) * 80,6

Ammoniak (NH ₃ ) ** ⁺ 138

Argon (Ar) 134,3

Bromgas ^* (Br ₂ ) 22,50 iso-Butan (C ₄ H ₁₀ ) * 31 ,0 n-Butan (C ₄ H ₁₀ ) *35,1

Chlor (C£ ₂ ) ^*f 150,6

Chloroform (CHCI ₃ ) * ^f 20,16

Cyan (C ₂ N ₂ ) ^f 46,35 Ethan (C ₂ H ₆ ) * 72,9

Ethylen (C ₂ H ₄ ) * 85,84 ^• 10 ^"3 cm ² /sec

Bromwasserstoff * ^f (HBr) 54,79

Chlorwasserstoffgas HC£) ^ 93,99

Jodwasserstoff * (HJ) 34,42 Kohlendioxid (CO ₂ ) 80,9

Krypton (Kr) 72,44

Methylbromid (CH ₃ Br) ^* 33,64

Methylchlorid * ^f (CH ₃ CI) 50,97 Distickstoffoxid ** ^f (N ₂ O) 150,9 Propan (C ₃ H ₈ ) * 43,7

Schwefeldioxidgas (SO ₂ ) * ⁺ 46,94 Xenon (Xe) 42,69

Die mit * gekennzeichneten Gase sind, sofern als Flüssigkeitsstrahl ein Wasserstrahl verwendet wird, in diesem lösbar. Je nach Anwendung ist somit Vorsicht geboten. Die mit gekennzeichneten Gase sind brennbar und die mit gekennzeichneten Gase sind giftig bzw. gesundheitsschädlich; auch bei einer Verwendung dieser Gase sollte man Vorsicht walten lassen. Gase ohne eine obige Kennzeichnung, wie beispielsweise Helium, Argon, Kohlendioxid, Krypton und Xenon können ohne Vorsichtsmassnahmen verwendet werden.

Vorzugsweise wird das Gas in einem radialen Abstand von der Achse des Flüssigkeits¬ strahls in einer geraden Strömungsrichtung, welche vom Flüssigkeitsstrahl weggerichtet ist, eingelassen. Damit kann erreicht werden, dass durch die Gasbeaufschlagung möglichst keine Beeinflussung des Flüssigkeitsstrahls am Ort des Gaseinlasses und dessen Umgebung erfolgt. Diese erste Gasströmungsrichtung ist derart ausgelegt, dass die Strömung einen um den Flüssigkeitsstrahl zentrisch gelegten Kreis tangential berührt. Diese erste Strömungsrichtung wird dann in eine zweite Strömungsrichtung umgelenkt, welche um den Flüssigkeitsstrahl rotiert. Die Gaszuführung kann nun an einem einzigen Ort erfolgen. Vorzugsweise wird man jedoch mehrere von einander gleich distanzierte Zuführorte wählen, und die erste Gasströmungsrichtung unter ein und demselben Winkel ("tangentiale" Richtung) vornehmen, wodurch eine Rückwirkung auf den Flüssigkeitsstrahl aufgrund einer weitgehend homogenen Strömung des eingelassenen Gases reduziert wird. Von der Strahlachse aus haben dann jeweils zwei benachbarte Zuführorte den gleichen Zentriwinkel.

Fliesst der Flüssigkeitsstrahl vertikal, wie allgemein üblich, kann die erste Gaseinström¬ richtung horizontal vorgenommen werden. Die erste Gaseinströmrichtung kann jedoch auch nach oben oder nach unten gerichtet sein. Nach oben wird man einen Winkel kleiner 30° und nach unten einen Winkel kleiner 70° wählen.

Wie oben ausgeführt, soll die erste Gasströmrichtung tangential an einen um den Flüs¬ sigkeitsstrahl d.h. und dessen Strahlachse zentrischen Kreis erfolgen. Liegt dieser Kreis in einer Ebene, welche von der Strahlachse senkrecht durchstossen wird, kann die erste Gasströmungsrichtung in dieser Ebene erfolgen oder gegenüber dieser Ebene nach oben (bis +30°) oder nach unten (-70°) gerichtet sein.

Anstelle einer "tangentialen" Gaszufuhr kann auch eine radiale gewählt werden. Die Gaszufuhr kann richtungsmässsig auch diffus sein. Während bei einer gerichteten (radialen, d.h. auf die Achse des Flüssigkeitsstrahl zielenden, oder "tangentialen", d.h. windschief zur. Achse des Flüssigkeitsstrahls zielenden) Gaszufuhrrichtung ist dem Gas eine bestimmte Richtung aufgeprägt (z.B. durch geeignet ausgebildetet Gaszuführkanäle). Bei einer diffusen Gaszufuhr ist dagegen keine bestimmte und zumindest keine einheitliche Richtung vorgegeben.

Die zweite, um den Flüssigkeitsstrahl rotierende Gasströmung wird anschliessend vor¬ zugsweise in eine dritte Gasströmung, welche derjenigen des Flüssigkeitsstrahls entspricht, umgelenkt. Die Umlenkung erfolgt aus einer ersten, annähernd ruhigen Gas¬ beaufschlagungsphase in eine rotierende Gasströmung mit in Fliessrichtung des Flüssig¬ keitsstrahls beschleunigter Gasströmung, wobei auch noch die Rotationsgeschwindigkeit erhöht werden kann. Ein derartiger "rotierender" Einlass, wobei diese Rotationsbewegung ziemlich schnell zum Erliegen kommt, ergibt, wie unten ausgeführt wird, eine grosse stabile Flüssigkeitsstrahllänge £ _s .

Um eine Gasummantelung eines Flüssigkeitsstrahls zu erreichen, welche eine grosse stabile Flüssigkeitsstrahllänge £ _s bewirkt, wird ein mit einer umlaufenden Wandung ver¬ sehenes Gehäuse verwendet. In dem Gehäuse sind eine Flüssigkeitsdüse und wenigstens ein Gaseinlass angeordnet. Ferner ist eine Gasauslassdüse vorhanden, durch die der Flüssigkeitsstrahl derart hindurchführbar ist, dass eine erste Achse des Flüssigkeitsstrahls und eine zweite Achse des durch die Gasauslassdüse ausströmenden Gases im Wesentlichen (d.h. bis auf eine oben angeführte Toleranz) zusammenfallen.

Vorzugsweise wird man einen Gaseinlass, nicht wie es der Stand der Technik tut, am Ort der Flüssigkeitsdüse vornehmen, sondern der Flüssigkeitsdüse strömungstechnisch nachordnen. Wenn der Gasstauraum aber genügend gross ausgebildet ist, kann der Gaseinlass auch an einem anderen Ort (z.B. unmittelbar nach der Flüssigkeitsdüse) platziert werden.

Das Gehäuse wird man vorzugsweise als einen vertikal stehenden (d.h. parallel zur Flüssigkeitsstrahlachse ausgerichteter) Doppelkegel mit einander gegenüberliegenden

Kegelspitzen ausbilden. In der einen oberen Kegelspitze ist dann die Flüssigkeitsdüse angeordnet und in der gegenüberliegenden unteren Kegelspitze die Gasauslassdüse. Den Gaseinlass wird man vorzugsweise im Bereich des grössten Durchmessers des Doppelkegels vornehmen. Die trichterförmig nach unten zusammenlaufende Wandung erzeugt dann eine sich in der nach unten gerichteten Strömung erhöhende Strömungs¬ geschwindigkeit. Eine anfängliche Gasströmungsrotation durch die "tangentialen" Gaseinlässe kommt ziemlich schnell zum Erliegen, da der Wasserstrahl durch Reibung das ^' Gas mitreisst. Diese Art des Gaseinlasses dient nur für eine möglichst homogene Gasbeaufschlagung des Flüssigkeitsstrahls und der Vermeidung einer Störung des Wasserstrahls.

Der zwischen Flüssigkeitsdüse und Gasauslassdüse gebildete Zwischenraum (d.h. der "Gasstauraum") kann auch anders ausgebildet sein. Er kann z.B. einen im Wesentlichen konstanten Querschnitt über seine ganze Länge haben ("Zylinder") oder in z-Richtung asymmetrisch sein (kegelförmig bzw. pyramidenförmig). Er kann auch kubisch sein. Sein maximaler Durchmesser senkrecht zur Achse des Flüssigkeitsstrahls beträgt, insbesondere das 10-fache bis 100-fache, vorzugsweise etwa das 20-fache des Durchmessers des Flüssigkeitsstrahls.

Aus der nachfolgenden Detailbeschreibung und der Gesamtheit der Patentansprüche er¬ geben sich weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Merkmalskombinationen der Erfindung.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die zur Erläuterung des Ausführungsbeispiels verwendeten Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsvariante der erfindungsge- mässen Vorrichtung,

Fig. 2 einen Querschnitt durch eine vergrösserte Darstellung eines Düsenkanals einer Flüssigkeitsdüse der in Figur 1 dargestellten Vorrichtung und

Fig. 3 einen Querschnitt durch die in Figur 1 dargestellt Vorrichtung entlang der dortigen Linie III - III,

Fig. 4 eine stabile Strahllänge £ _s eines Flüssigkeitsstrahls in Luft im freien Auslauf

(Kurven - • - ^■ und ) sowie unter einem Auftreffen auf eine Oberfläche (Kurve — ),

Fig. 5 eine zu Figur 4 analoge Darstellung, wobei jedoch der Flüssigkeitsstrahl mit

^' Helium, analog der Erfindung beaufschlagt ist, und

Fig. 6 einen Querschnitt durch eine Vorrichtung mit radialer Gaszuführung.

Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Die in Figur 1 dargestellte Ausführungsvariante der erfindungsgemässen Vorrichtung zur Stabilisierung eines mit einer Flüssigkeitsdüse 1 erzeugten Flüssigkeitsstrahls 5 hat ein als so genannter Nozzle ausgebildetes Gehäuse 7. Die Flüssigkeitsdüse 1 ist als so genannter Düsenstein ausgebildet. Auf die Zuführung der Flüssigkeit 9 für den Flüssigkeitsstrahl 5, hier von Wasser, und die Einkopplung einer Laserstrahlung 10 in den Flüssigkeitsstrahl 5 wird nicht näher eingegangen. Derartiges ist ausführlich in der WO 95/32834 und der WO 99/56907 beschrieben, welche hiermit als in den vorliegenden Unterlagen einge¬ schlossen gelten sollen (engl, "inclusion by reference"). Im vorliegenden Zusammenhang genügt es festzuhalten, dass ein (nicht dargestellter) Laser vorhanden ist, dass eine geeignete Optik die vom Laser erzeugte Laserstrahlung in den Wasserstrahl einkoppeln kann (z.B. wie in den eingangs erwähnten Druckschriften dargestellt).

Eine vergrösserte Darstellung eines Düsenkanals 1 1 der als Düsenstein ausgebildeten Flüssigkeitsdüse 1 zur Erzeugung des Flüssigkeitsstrahls 5 zeigt im Querschnitt Figur 2. Die Flüssigkeitsdüse 1 hat eine glatte Oberfläche 13 und ist vorzugsweise aus Diamant oder einem anderen harten Material gefertigt. Sie hat eine Dicke von 0,5 -2 mm und einen Durchmesser von z.B. 3 mm, hat also die Form eines kleinen zylindrischen Blocks. Ein

Radius r _κ einer Lochkante 15 als Eingang in den Düsenkanal 1 1 wird so klein wie möglich gewählt, um so nahe wie möglich an einen theoretischen "scharfkantigen Einlass" zu kommen. Der Radius r _κ sollte kleiner 10 μm sein und ist hier kleiner als 2 μm. Durch diesen scharfkantigen Einlass wird ein Flüssigkeitsstrahl mit einer bereits grossen stabilen Strahllänge £ _s erzeugt. Typische Durchmesser des Düsenkanals 1 1 liegen bei 20 μm bis 200 μm.

Der an den scharfkantigen Einlass 15 anschliessende zylindrische Teil des Düsenkanals 1 1 wird so kurz wie möglich gehalten und liegt in der Grössenordnung kleiner als fünf Mal Durchmesser d des Düsenkanals 1 1; hier ist er drei Mal kleiner. Durch eine derartige Ausgestaltung löst sich die Strömung des Flüssigkeitsstrahls 5 bereits an der Lochkante 15 von der Düsenkanalinnenwand 17 ab. Ein zu langer Düsenkanal 1 1 würde zu Verwirbelungen eines Gases zwischen der Düsenkanalinnenwand 17 und dem Flüs¬ sigkeitsstrahl 5 führen. Kleinste auf den Flüssigkeitsstrahl einwirkende Störungen führen zu einem "Zerwellen" (d.h. einem Zerfallen bzw. Degenerieren des Flüssigkeitsstrahls in einen in z-Richtung welligen Strahlbereich £Q) und somit zu einer verkürzten verwendbaren

Strahllänge (bei eingekoppelter Laserstrahlung). An den zylindrischen Teil 17 der Dü- senkanalwand schliesst sich ein konischer Wandbereich 19 an. Dieser konische Teil 19 soll eventuelle Interaktionen des Flüssigkeitsstrahls mit eventuellen Gaswirbeln reduzie¬ ren. Dieser konische Teil 19 als Abschrägung sollte einen Winkel zwischen 90° und 150°, vorzugsweise zwischen 130° und 140° mit einer Längsachse des Düsenkanals 1 1 haben. Hier hat die Schräge 19 einen eine Herstellungstoleranz aufweisenden Winkel von 135°.

Eine ideale Düse 1 wäre somit ein Loch in einer Wand mit einer Wandstärke e = 0. Eine derartige Düse würde aber dem Wasserdruck von einigen Atmosphären Druck nicht Stand halten. Es muss somit ein Kompromiss zwischen einer ausreichenden Festigkeit der Düse 1 und der stabilen Flüssigkeitsstrahllänge £ _s gefunden werden. Es wird deshalb die Verwendung der oben erwähnten Abschrägung 19 vorgeschlagen.

Die an den Düsenstein 1 anschliessende Innenwand 20 des Gehäuses 7 erweitert sich auf einen maximalen, kreisförmigen Innendurchmesser 21 und verjüngt sich dann als

Innenwandteil 24 wieder konisch auf eine Gasauslassdüse 23 hin. Das Gehäuse 7 ist als Doppelkegel ausgebildet, wobei in der einen Kegelspitze die Flüssigkeitsdüse 1 (Dü¬ senstein) und gegenüberliegend, also darunter, die Gasauslassdüse 23 angeordnet ist.

Am Ort des maximalen Innendurchmessers 21 ist mit gleichem radialen Abstand r _s vom Flüssigkeitsstrahl 5 bzw. von dessen Strahlachse wenigstens ein Gaseinlass für das Be¬ aufschlagungsgas angeordnet. In dem hier gezeigten Beispiel sind vier Gaseinlässe 25a bis 25d vorhanden. Der jeweilige Gaseinlass ist als zylindrisches Rohr 26a. bis 26d ausge¬ bildet. Jedes dieser Rohre 26a bis 26d mündet tangential an der Innenwandung 27 im

Bereich des maximalen Innendurchmessers 21 (d.h. im radialen Abstand r _s ). Die Gas- Strömung aus jedem der Rohre 26a bis 26d strömt somit in einem ersten Strömungs¬ teil 29 "tangential" (im vorliegenden Beispiel also nicht radial) gegen die Innenwandung 27 und wird beim Auftreffen auf die Innenwandung 27 in einen umlaufenden d.h. einen zweiten Strömungsteil 31 mit einer rotierenden Strömungskomponente umgelenkt.

Die Gasauslassdüse 23 ist derart angeordnet, dass sie mittig vom die Laserstrahlung führenden Flüssigkeitsstrahl 5 durchdrungen wird. Da ein Gasauslass nur durch diese Gasauslassdüse 23 möglich ist, wird die Strömung des Beaufschlagungsgases in einem dritten Strömungsteil 33 durch die Reibung mit dem Flüssigkeitsstrahl 5 nach unten gegen die Gasauslassdüse 23 unter einer Erhöhung der nach unten gerichteten Strö¬ mungskomponente abgelenkt. Der aus den Gehäuse 7 durch die Gasauslassdüse 23 austretende Flüssigkeitsstrahl 5 ist nun mit einem um den Flüssigkeitsstrahlmantel lie¬ genden Beaufschlagungsgasstrom 35 weitgehend gegenüber der Umgebungsluft 36 abgeschirmt. Eine anfängliche Strömungsrotation im Bereich der vier Gaseinlassdüsen 25a bis 25d wird zunehmend durch die nach unten gerichtete Strömungskomponente überlagert und wird noch innerhalb des Gehäuses 7 weitgehend von dieser dominiert.

Wie in Figur 2 dargestellt ist, bildet sich strömungsmässig nach der Lochkante 15 ein Zwischenraum 37 zwischen dem Mantel 39 des Flüssigkeitsstahls 5 und der zylindrischen Düsenkanalinnenwand 17. Gemäss dem Effekt einer Wasserstrahlpumpe wird, wie durch den Pfeil 41 angedeutet, das Beaufschlagungsgas in den Zwischenraum 37 eingezogen

und mit dem Flüssigkeitsstrahl 5 mitgerissen. Da nur wenig Beaufschlagungsgas in den Zwischenraum 37 eindringt, herrsch hier ein Unterdruck in einer Beaufschlagungs¬ gasatmosphäre.

Zusammenfassend lässt sich zur Erzeugung einer langen stabilen Flüssigkeitsstrahllänge £ _s ausführen, dass (gemäss dem soeben erläuterten Ausführungsbeispiel)

• unmittelbar nach Bildung des Flüssigkeitsstrahls 5 sich dieser in einem Unterdruck¬ bereich, aber in einer Beaufschlagungsgasatmosphäre befindet,

• das Beaufschlagungsgas in einem möglichst grossen Abstand vom Flüssigkeitsstrahl in einer nicht auf diesen gerichteten Strömungsrichtung in den "Gasstauraum" zugeführt wird,

• dem Beaufschlagungsgas eine um den Flüssigkeitsstrahl rotierende Strömungs¬ komponente sowie eine Strömungskomponente in Strömungsrichtung des Flüs¬ sigkeitsstrahls aufgeprägt werden kann, wobei beide Strömungskomponenten beschleunigend gegen den Flüssigkeitsstrahlmantel geführt werden,

• der Flüssigkeitsstrahl 5 erst nachdem die Gasbeaufschlagung erfolgt ist durch die Mitte einer Gasauslassdüse 23 ins "Freie" tritt,

• der Flüssigkeitsdüsenkanal möglichst kurz im Verhältnis zu seinem Durchmesser ausgebildet ist,

• der Flüssigkeitsdüsenkanaleingang möglichst scharfkantig geformt ist.

Jedes dieser Merkmale trägt zur Verlängerung des stabilen Bereichs der Strahllänge £ _s bei. Hauptaugenmerk sollte jedoch vorzugsweise darauf gerichtet werden, dass

> der Flüssigkeitsstrahl durch eine, entfernt von der Flüssigkeitsdüse, einen Beauf ^¬ schlagungsgasstrahl formende Gasauslassdüse hindurchgeführt wird, wobei die Achse des Flüssigkeitsstrahls und die Achse des gebildeten Gasstrahls im Wesentlichen (d.h. bis auf eine Toleranz) zusammenfallen

oder

> dass das Beaufschlagungsgas erst nach einem vorgegebenen Weg von der Flüs¬ sigkeitsdüse entfernt strömungsmässig nachgeschaltet zugeführt wird.

Zur experimentellen Veranschaulichung der obigen Ausführung zeigt das in Figur 4 dargestellte Diagramm die stabile Strahllänge £ _s eines mit einem Düsenstein 1 erzeugten

Wasserstrahls 5, wobei der Düsenkanalquerschnitt des Düsensteins 1 30 μm beträgt. Auf der Ordinate ist die stabile Strahllänge £ _s und auf der Abszisse der Flüssigkeitsdruck der

Flüssigkeit unmittelbar vor dem Eintritt in den Düsenkanal 1 1 angegeben. Die strichpunktierte Messkurve mit den Messpunkten "■" gibt die jeweils maximale stabile Strahllänge £ _s und die gestrichelte Messkurve mit den Messpunkten "♦" gibt die jeweils minimale stabile Strahllänge £ _s an. (Die Strahllänge schwankt im Verlauf der Zeit zwischen der angegebenen maximalen und minimalen Strahllänge.) Bei der strichpunktierten und bei der gestrichelten Messkurve hat der Flüssigkeitsstrahl einen freien Auslauf;, d.h. erst in einem Abstand von einigen Zentimetern in der zerperlenden Strahllänge £ _P trifft die nun keinen Strahl mehr darstellende Flüssigkeit auf eine Oberfläche. Die dritte, untere durchgezogene Messkurve mit den Messpunkten "V stellt die stabile Strahllänge eines auf eine Oberfläche auftreffenden Flüssigkeitsstrahls dar.

Wird nun eine Beaufschlagung des Flüssigkeitsstrahls z. B. mit Helium (dessen kinematische Gasviskosität kleiner als Luft ist) gemäss dem oben geschilderten Verfahren mit der obigen Vorrichtung vorgenommen, so ergibt sich, wie in Figur 5 dargestellt ist, für die maximale und die minimale stabile Strahllänge £ _s (strichpunktierte und gestrichelte Kurve) eine Erhöhung im Bereich von 5 mm, also von 15 - 25 %, jedoch für die stabile Strahllänge £ _s des auftreffenden und somit nicht frei endenden Flüssigkeitsstrahls eine sprunghafte Erhöhung.

Es ist deutlich erkennbar, dass der Flüssigkeitsstrahl ohne die erfindungsgemässe Gasstrahlumhüliung erst bei relativ hohen Druckwerten (ab ca. 300 bar) eine Strahllänge von 3-5 mm bildet (Figur 4). Bei Druckwerten unter 200 bar erleidet der relativ feine Strahl

von 30 μm starke Störungen durch das Auftreffen auf eine Oberfläche. Dies zeigt, dass der Flüssigkeitsstrahl ohne die erfindungsgemässe Beaufschlagung mit Gas gar nicht als Wellenleiter für die Materialbearbeitung durch Laserstrahlung brauchbar ist. Wie Figur 5 zeigt, verleiht erst der erfindungsgemässe Gasstrom dem Strahl die benötigte Stabilität. Zwar ist auch beim erfindungsgemäss gasstrahlumhüllten Flüssigkeitsstrahl eine gewisse

Reduktion der stabilen Strahllänge i _s feststellbar, wenn er auf eine Oberfläche auftrifft. Es lassen sich aber trotzdem Strahllängen von 25 mm bei 400 bar und mehr erreichen. Schon mit etwas mehr als 100 bar erhält der Flüssigkeitsstrahl eine stabile Strahllänge von 10 mm.

Die Gasauslassdüse 23, welche mittig vom Flüssigkeitsstrahl 5 durchströmt wird, kann nun wie in Figur 1 dargestellt ist, direkt am Ende der konisch zusammenlaufenden Innen¬ wandung 24 angeordnet werden, es kann aber auch noch ein kleiner kreiszylindrischer Wandteil vorgelagert werden.

Der Gaseinlass kann, wie in Figur 1 dargestellt, in einer Ebene erfolgen, welche senkrecht vom Flüssigkeitsstrahl 5 durchstossen wird. Die Gaseinlassrohre 26a bis 26d können jedoch auch nach oben gegen die Flüssigkeitsdüse (Düsenstein) 1 oder nach unten gegen die Gasauslassdüse 23 gerichtet sein. Nach oben sollte kein grosserer Winkel als 30° und nach unten kein grosserer Winkel als 70° genommen werden.

Die Anzahl der Gaseinlässe ist nicht von grosser Bedeutung; es sollte jedoch darauf geachtet werden, dass ein gleichförmiger Einlass in einem möglichst grossen Abstand von Mantel des Flüssigkeitsstrahls 5 erfolgt.

Der oben beschriebene "tangentiale Gaseinlass" hat sich bewährt. Es können aber auch andere Einlasswinkel benützt werden. Es ist lediglich darauf zu achten, dass der Flüs¬ sigkeitsstrahl 5 nicht direkt getroffen und gestört wird.

Figur 6 zeigt einen Querschnitt durch eine Ausführungsform mit einer radialen Einströmung des Beaufschlagungsgases. Im Folgenden werden die Begriffe "oben" und "unten" (welche der Darstellung in der Figur 6 entsprechen) stellvertretend für "zur Eingangsseite hin" bzw. "zur Ausgangsseite hin" verwendet werden. Eine Fassung 51 weist

an Ihrer Oberseite einen ringförmigen Anschlusstei! 53 auf, welcher eine Art Trichter bildet für eine (nicht dargestellte) Optik, welche die Laserstrahlung zuführt und in den Düsenkanal der Flüssigkeitsdüse 71 fokussiert. In der Fassung 51 sind vorzugsweise mehrere, schräg nach aussen und unten laufende Abflusskanäle 55 vorgesehen, welche die Flüssigkeit ableiten, welche sich z.B. im Fall einer Störung im Anschlussteil 53 sammeln könnte.

Die Fassung 51 hat einen grossen, durchgehenden, kreiszylindrischen Hohlraum, in welchem ein zylindrischer Funktionsteil 57 von unten (gemäss der Darstellung in Fig. 6) in der Art eines Stopfens eingesetzt ist. Die Fassung 51 umschliesst den Funktionsteil 57 also ringförmig und hält ihn in einer koaxialen Anordnung. Oben (d.h. zum Anschlussteil 53 hin) hat der Funktionsteil 57 eine von oben nach unten sich konisch verjüngende öffnung 59. Am unteren Ende der konischen öffnung ist eine Schulter ausgebildet, an welcher das Fensterelement 61 an seiner oberen Seite anliegt. Auf der Unterseite des Fensterelements 61 befindet sich ein Verschlussteil 65. Zwischen dem Fensterelement 61 und dem Verschlussteil 65 ist ein dünner, z.B. scheibenförmiger Zwischenraum 63 vorgesehen, welcher als Flüssigkeitszuführleitung dient. In axialer Richtung des Funktionsteils 57 betrachtet hat der Zwischenraum 63 eine Dicke von z.B. 0, 1 bis 0,4 mm. Seine seitliche Ausdehnung (Durchmesser) kann im Bereich von mehreren Millimetern (z.B. 5-10 mm) liegen.

Die Flüssigkeit (z.B. Wasser) wird über einen Ringkanal 69, welcher an der Innenseite der Fassung 51 ausgebildet ist, und anschliessend über eine (bzw. mehrere) radiale Leitungen 67 des Funktionsteils 57 in den Zwischenraum 63 mit dem erforderlichen Druck (z.B. 400 bar) zugeführt.

Der Verschlussteil 65 ist in der Art eines Stopfens von unten in einen zylindrischen Innenraum des Funktionsteils 57 eingesetzt. Das Fensterelement 61 ist somit auswechselbar wenn der Verschlussteil 65 herausgenommen wird.

Der Verschlussteil 65 hat auf seiner oberen, dem Zwischenraum 63 zugewandten Seite eine Ausnehmung, in welcher eine Flüssigkeitsdüse 71 (sog. Düsenstein) eingesetzt ist.

Der Düsenstein hat einen zentralen, axialen Kanal, welcher den feinen Flüssigkeitsstrahl bildet, der die Laserstrahlung in der Art eines optischen Wellenleiters führt. Der Kanal hat einen Durchmesser entsprechend dem Durchmesser des gewünschten Flüssigkeitsstrahls z.B. 30 bis 60 Mikrometer. Der Düsenstein selbst hat einen Durchmesser von 2-4 mm und eine Dicke von z.B. 0,5 bis 2 mm.

Anschliessend an die Flüssigkeitsdüse 71 folgt ein Gasstauraum, der im vorliegenden Beispiel aus einem oberen Teilraum 73 und einem unteren Teilraum 75 gebildet ist. Der obere Teilraum 73 erweitert sich von oben nach unten sukzessive. Er kann sich kontinuierlich oder stufenweise kegelförmig verbreitem. In der vorliegenden Ausführungs- form setzt er sich aus einem ersten zylindrischen, dann einem ersten kegelförmigen Abschnitt 73a, dann einem nachfolgenden zweiten zylindrischen und schliesslich einem zweiten kegelförmigen Abschnitt 73b zusammen. Er verbreitert sich auf diese Weise von oben nach unten um das drei- bis fünffache des Durchmessers. Ziel ist es, das Beaufschlagungsgas, welches am unteren Ende des Verschlussteils 65 zugeführt wird, möglichst ohne Störung des Flüssigkeitsstrahls nach oben zum Ausgang des Düsenkanals zirkulieren zu lassen.

An der Unterseite des Verschlussteils 65 ist ein Gasdüsenteil 77 angebracht. Dieser wird vom Funktionsteil 65 gehalten (indem er beispielsweise in ein entsprechendes Gewinde des Funktionsteils 65 eingeschraubt ist). Der Gasdüsenteil 77 hat einen Hohlraum, welcher den unteren Teilraum 75 bildet, Er verjüngt sich von oben nach unten konisch und führt zum Gasdüsenkanal 79. Der Gasdüsenkanal 79 hat einen Durchmesser von z.B. 1-2 mm.

Dort wo die beiden Teilräume 73 und 75 aufeinander stossen und den grössten Durchmesser bilden, ist der Gaseinlassbereich 83. Hier wird das Beaufschlagungsgas durch sternförmig bzw. radial verlaufende Gaszuführkanäle 8 Ia ₇ 81b (es sind z.B. 6 solche Gaszuführkanäle vorgesehen) eingeführt. Es ist der Ort, wo ein maximaler (radialer) Abstand zum Flüssigkeitsstrahl besteht, welcher auf der Achse des Verschlussteils 65 verläuft. Die Gaszuführkanäle 81 a, 81b sind z.B. in der oberen Seite des Gasdüsenteils 77 als Vertiefungen ausgeformt. Sie werden durch einen Ringraum 85 versorgt, welcher

zwischen Verschlüssle!) 65 und Funktionsteil 57 ausgebildet ist. Die externe Gaszuführung zum Ringraum 85 ist nicht näher dargestellt.

Der Funktionsteil 57 hat am unteren Ende eine Flansch 87, welche mit einem Haltering 89 gegen die untere Stirnseite der Fassung 51 fixiert werden kann.

Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf das gezeigte Ausführungsbeispiel beschränkt. Die konstruktive Aufteilung in die verschiedenen Elemente (Fassung, Funktionsteil, Verschlussteil, etc.) erlaubt es, das Modul zu zerlegen, um z.B. den Düsenstein oder das Fensterelement zu ersetzen. Da die Flüssigkeit (z.B. das Wasser) mit hohem Druck zugeführt werden muss, sind zwischen den einzelnen Teilen an geeigneten Stellen Dichtungen erforderlich. (Diese sind in der Figur 6 eingezeichnet, aber nicht näher beschrieben.) Die Unterteilung des Moduls kann z.B. an anderer Stelle erfolgen. Das Modul braucht nicht von unten her zerlegbar zu sein. Der Gasstauraum kann - statt konisch verbreiternd und verjüngend - auch zylindrisch mit im Wesentlichen konstantem Querschnitt ausgebildet sein. Das Beaufschlagungsgas kann z.B. am oberen Ende eines solchen zylindrischen Gasstauraums eingeführt werden und zwar durchaus auch in axialer Richtung (statt in radialer). Die axiale Zuführung kann über mehrere Kanäle vorzugsweise in grossem Abstand von der Achse des Stauraums (d.h. in grossem Abstand vom Flüssigkeitsstrahl) erfoigen.

Der Gasdüsenkanal 79 bildet den verengten Gasauslass des Gasstauraums. Er kann je nach Bedarf eine bestimmte aerodynamische Form aufweisen, um den Gasstrom zu formen. Es ist von Vorteil, den Gasstrahl möglichst fein zu machen (geringer Durchmesser). Mit einer Gasauslassdüse im Bereich von 0,5 - 2 mm lässt sich ein Gasstrom in dem entsprechenden Durchmesser erzeugen. (Dabei versteht sich, dass sich der Gasstrom im Durchmesser verändern kann mit zunehmender Ausbreitungsdistanz, z. B. weil Gas am äusseren Rand verloren geht bzw. abgebremst wird.) Ein dünner Gasstrom hat auch den Vorteil, dass die Menge an benötigtem Gas gering gehalten werden kann. Es ist aber keineswegs ausgeschlossen, mit Gasströmungen grosseren Durchmessers (z. B. 5 mm) zu arbeiten.

Zusammenfassend ist festzustellen, dass die Erfindung es ermöglicht, mit sehr feinen Flüssigkeitsstrahlen zu arbeiten und folglich sehr dünne Schnitte bzw. feine Oberflächen¬ bearbeitungen durchzuführen.