DD288339A5

DD288339A5 - DEVICE FOR REMOVING DRAIN PRODUCTS IN THE CARRYING-OUT LASER MATERIAL PROCESSING

Info

Publication number: DD288339A5
Application number: DD33330889A
Authority: DD
Inventors: Ulf Seifert; Guenter Reisse; Holger Siewert
Original assignee: Veb Zentrum Fuer Forschung Und Technik,De
Priority date: 1989-10-03
Filing date: 1989-10-03
Publication date: 1991-03-28

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Entfernen von Abtragsprodukten bei der abtragenden Laser-Materialbearbeitung mittels eines von Gasstrahlduesen gerichteten Gasstrahles, vorzugsweise beim Gravieren. Die wesentlichen Merkmale der Erfindung bestehen darin, dasz die Laserstrahl-Austrittsoeffnung und die Gasstrahlduesen in einem gemeinsamen Koerper in der Weise untergebracht sind, dasz der Gasstrahl der Relativbewegung des Laserstrahles in einem vorbestimmten Abstand folgt.{Laser-Materialbearbeitung; Abtragsprodukte; Gasstrahl; Gasstrahlduesen; Bearbeitungsrichtung; radiale Stroemungskomponente}The invention relates to a device for removing ablation products during abrasive laser material processing by means of a gas jet directed by gas jet nozzles, preferably during engraving. The essential features of the invention reside in the fact that the laser beam exit opening and the gas jet ducts are accommodated in a common body in such a way that the gas jet follows the relative movement of the laser beam at a predetermined distance. {Laser material processing; Abtragsprodukte; Gas jet; Gasstrahlduesen; Machining direction; radial flow component}

Description

Hierzu 1 Seite ZeichnungFor this 1 page drawing

Field of application of the invention

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Entfernen von Abtragsprodukten bei der abtragenden Laser-Materialbearbeitung mittels eines von Gasstrahldüsen gerichteten Gasstrahles, vorzugsweise beim Gravieren. Sie ist anwendbar auf den Gebieten der Laserstrahl-, Elektronenstrahl- und der Plasmastrahltechnologie, vorzugsweise zur Erreichung eines linien- oder flächenhaften Materialabtrages in vorwiegend flüssiger Form mittels Niederdruck-CO₂-Lasern.The invention relates to a device for removing abrasive products in the abrasive laser material processing by means of a gas jet directed by gas jet nozzles, preferably during engraving. It is applicable in the fields of laser beam, electron beam and plasma jet technology, preferably to achieve a linear or areal material removal in predominantly liquid form by means of low-pressure CO ₂ lasers.

Characteristic of the known state of the art

Bei der Laser-Materialbearbeitung ist es notwendig, die entstehenden festen, flüssigen und gasförmigen Abtragsprodukte zu entfernen. Die Wirksamkeit einer dazu geschaffenen Vorrichtung entscheidet wesentlich über die Bearbeitungsqualität. Bekannt ist die Verwendung eines zur Laserstrahlachse koaxialen Gasstromes, durch welchen einerseits die Fokussieroptik vor Verunreinigungen geschützt wird und andererseits beim Laserschneiden die Abtragsprodukte durch den Schnittspalt hindurch ausgeblasen werden.In laser material processing, it is necessary to remove the resulting solid, liquid and gaseous removal products. The effectiveness of a device created for this decides substantially on the quality of processing. The use of a coaxial gas stream to the laser beam axis is known, by which on the one hand, the focusing optics is protected from contamination and on the other hand during laser cutting the Abtragsprodukte be blown through the kerf.

Beim oberflächennahen Abtragen von Material, wie beim Gravieren, erweist sich ein solcher Gasstrahl als nachteilig, da das Material im Gegensatz zum Schneiden nur horizontal entfernt werden kann. Bekannt sind zu diesem Zweck Anordnungen mit einer feststehenden (DE 3405406; DE 3008176) oder drehbaren (DE 3121555) Düse. Weiterhin bekannt sind Anordnungen mit zwei (US 4315133) oder vier (JP 62-179888; JP 60-043837) Düsen, die teilweise mit gegenüberliegenden Absaugöffnungen kombiniert sind. Allen diesen Düsenanordnungen ist gemeinsam, daß die Gasströmungen nahezu senkrecht zum Laserstrahl und somit nahezu parallel zur Werkstückoberfläche erzeugt werden und aufgrund dessen die Höhenabweichungen des Werkstückes gegenüber der Düsenanordnung vergleichsweise gering gehalten werden müssen, um optimale aerodynamische Verhältnisse aufrechtzuerhalten. Entweder muß dazu eine ständig planparallele Führung der Düsen relativ zur Werkstückoberfläche erfolgen oder die Düsen müssen mittels einer zusätzlichen Vorrichtung ständig nachjustiert werden. Diese Forderungen nach Höhennachführung der Gasstrahlen lassen sich nicht immer erfüllen, insbesondere bei der Bearbeitung von Werkstücken, welche Formabweichungen von der Ebene im Bereich von etwa 1... 10mm in lateraler Richtung aufweisen, da zur Nachjustierung verwendete Meßsysteme in der Regel eine geringere laterale Auflösung besitzen. Überdies ist zur Nachjustierung eine zusätzliche Baugruppe mit bewegten Teilen erforderlich, was sich erfahrungsgemäß nachteilig auf die Zuverlässigkeit und Robustheit einer Anlage auswirkt.When removing material near the surface, as in the case of engraving, such a gas jet proves to be disadvantageous since, in contrast to cutting, the material can only be removed horizontally. Arrangements with a fixed (DE 3405406, DE 3008176) or rotatable (DE 3121555) nozzle are known for this purpose. Also known are arrangements with two (US 4315133) or four (JP 62-179888; JP 60-043837) nozzles, which are partially combined with opposite suction openings. All these nozzle arrangements have in common that the gas flows are generated almost perpendicular to the laser beam and thus almost parallel to the workpiece surface and therefore the height deviations of the workpiece relative to the nozzle assembly must be kept relatively low in order to maintain optimal aerodynamic conditions. Either a constantly plane-parallel guidance of the nozzles must be done relative to the workpiece surface or the nozzles must be constantly readjusted by means of an additional device. These requirements for height tracking of the gas jets can not always be met, in particular in the machining of workpieces, which form deviations from the plane in the range of about 1 ... 10mm in the lateral direction, as used for readjustment measurement systems usually has a lower lateral resolution have. Moreover, an additional module with moving parts is required for readjustment, which experience has a disadvantageous effect on the reliability and robustness of a system.

Als weiterer Nachteil ist anzusehen, daß bei der Anwendung eines Düsensystems mit nahezu parallel zur Werkstückoberfläche ausgerichteten Düsen diese zwangsläufig in geringer Höhe über der Werkstückoberfläche befestigt sein müssen. Dadurch ist eine Bearbeitung von Werkstücken mit über die Bearbeitungsebene hinausragenden Konturen aufgrund der Kollisionsgefahr bzw. der Störung des Strömungsverlaufes der Gasstrahlen erschwert oder unmöglich. Somit kann ein wesentlicher Vorteil der Laser-Materialbearbeitung, nämlich Bearbeitungen auch an schwer zugänglichen Stellen vornehmen zi. können, nicht gsnutzt werden.Another disadvantage is to be considered that in the application of a nozzle system with aligned almost parallel to the workpiece surface nozzles these inevitably must be mounted at a low height above the workpiece surface. This makes it difficult or impossible to machine workpieces with contours projecting beyond the working plane due to the risk of collision or disruption of the flow path of the gas jets. Thus, a significant advantage of the laser material processing, namely machining even in hard to reach places zi. can not be used.

Object of the invention

Ziel der Erfindung ist es, die oberflächenabtragende Laser-Materialbearbeitung auch an schwer zugänglichen Stellen der Werkstückoberfläche unter Verwendung von Zusatz-Düsen mit konstanter Stellung zu ermöglichen.The aim of the invention is to enable the surface-removing laser material processing even in hard to reach areas of the workpiece surface using additional nozzles with a constant position.

Explanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Düsensystem in Kompaktbauweise zum richtungsorientierten Ausblasen der Abtragsprodukte bei der Laser-Materialbearbeitung zu schaffen, die keine in der Nähe der Bearbeitungsrichtung befindlichen Konsktruktionsteile enthält, unempfindlich gegenüber Höhenschwankungen der Werkstückoberfläche Ist und keine zu justierenden Komponenten enthält.The invention has for its object to provide a nozzle system in compact design for directionally blowing out the Abtragsprodukte in laser material processing, which contains no located in the vicinity of the processing direction Konsktruktionsteile, insensitive to height variations of the workpiece surface and contains no components to be adjusted.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Austrittsöffnung für den Laserstrahl und die Gasstrahldüse in einem gemeinsamen Körper in der Weise untergebracht sind, daß der Gasstrahl der Relativbewegung des Laserstrahles in einem vorbestimmten Abstand folgt.According to the invention the object is achieved in that the outlet opening for the laser beam and the gas jet nozzle are housed in a common body in such a way that the gas jet follows the relative movement of the laser beam at a predetermined distance.

Infolge des Aufpralls der Gasströmung auf die Werkstückoberfläche entsteht eine radial gerichtete Strömungskomponente, die zuverlässig die Abtragsprodukte nahezu in Richtung der Relativbewegung des Laserstrahles gegenüber dem Werkstück entfernt.As a result of the impact of the gas flow on the workpiece surface, a radially directed flow component is formed, which reliably removes the removal products in the direction of the relative movement of the laser beam relative to the workpiece.

Der Körper kann mehrere exzentrisch und parallel zum Laserstrahl angeordnete Gasstrahldüsen aufweisen, von denen jeweils nur die der Bearbeitungsrichtung des Laserstrahles abgekehrte Gasstrahldüse oder zur Erzeugung einer resultierenden Komponente der Gasströmung zwei benachbarte Gasstrahldüsen über ein Verteilerventil mit einem Gasstrahl beaufschlagt sind. Der Körper kann aber auch nur eine einzige Gasstrahldüse aufweisen, die mittels des Körpers um die Achse des Laserstrahles schwenkbar ist und der Richtung der Relativbewegung des Laserstrahles gegenüber dem Werkstück folgt. Es ist weiterhin möglich die Gasstrahldüse so anzuordnen, daß der Gasstrahl im Verhältnis ium Laserstrahl eine geringfügige Neigung aufweist.The body may have a plurality of gas jet nozzles arranged eccentrically and parallel to the laser beam, of which only two gas jet nozzles facing away from the machining direction of the laser beam or with a gas jet via a distributor valve to produce a resulting component of the gas flow. The body may also have only a single gas jet nozzle, which is pivotable about the axis of the laser beam by means of the body and the direction of the relative movement of the laser beam with respect to the workpiece follows. It is also possible to arrange the gas jet nozzle so that the gas jet has a slight inclination in relation to the laser beam.

Zusätzlich zu den exzentrisch zum Laserstrahl erzeugten Gasstrahlen kann auch ein zum Laserstrahl koaxialer Gasstrom verwendet werden, der einen geringeren Druck besitzt und die Fokussieroptik vor Verunreinigungen schützt.In addition to the gas jets produced eccentrically to the laser beam, a gas stream coaxial with the laser beam can also be used, which has a lower pressure and protects the focusing optics from contamination.

Ausführungsbeispielembodiment

Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles erläutert werden.The invention will be explained below with reference to an embodiment.

Die zugehörige Zeichnung zeigt schematisiert die Düsenanordnung und die aerodynamischen Strömungsverhältnisse.The accompanying drawing shows schematically the nozzle arrangement and the aerodynamic flow conditions.

Das unter Druck stehende Gas wird über ein Verteilerventil den seitlichen Gasstrahldüsen 11 eines Körpers 10 zugeführt. Der Körper enthält zenti al eine der Durchführung des Laserstrahles 6 dienende Austrittsöffnung 12.The pressurized gas is supplied via a distribution valve to the side gas jets 11 of a body 10. The body contains zenti al one of the implementation of the laser beam 6 serving outlet opening 12th

Die Auswahl der Gasstrahldüsen 11 durch das Verteilerventil erfolgt derart, daß eine radiale Strömungskomponente 6 eines parallel zum Laserstrahl 2 erzeugten Gasstrahles 9 in einer Bearbeitungszone 5 nahezu in Richtung der Relativbewegung 1 des Laserstrahles 2 zum Werkstück 4 gerichtet ist.The selection of the gas jet nozzles 11 by the distributor valve takes place in such a way that a radial flow component 6 of a gas jet 9 generated parallel to the laser beam 2 is directed in a processing zone 5 almost in the direction of the relative movement 1 of the laser beam 2 to the workpiece 4.

Die Bearbeitungsspur 7 wird durch die radiale Strömungskomponente 6 von flüssigen Abtragsprodukten 3 freigehalten. Dies wirkt verfahrensunterstützend; das Material braucht durch die Laserstrahlung nicht verdampft zu werden, was einen wesentlich geringeren Energieeintrag und die Verwendbarkeit energetisch günstiger Niederdruck-CO₂-Laser zur Folge hat. Dadurch wird eine Energieeinsparung erreicht.The machining track 7 is kept free of liquid removal products 3 by the radial flow component 6. This works process-supporting; the material does not need to be evaporated by the laser radiation, resulting in a much lower energy input and the usability of low-energy low-energy CO ₂ laser energy result. This achieves energy savings.

Höhenabweichungen 8 des Körpers 10 gegenüber dem Werkstück 4 bleiben ohne wesentliche Auswirkungen auf die Funktion der Anordnung, da durch den Aufprall des Gasstrahles 9auf das Werkstück in jedem Falle in der Bearbeitungszone 5 eine radiale Strömungskomponente 6 erzeugt wird.Deviations in height 8 of the body 10 relative to the workpiece 4 remain without significant effects on the function of the arrangement, since a radial flow component 6 is generated in each case in the processing zone 5 by the impact of the gas jet 9 on the workpiece.

Claims

1. A device for removing waste products in the abrasive laser material processing by means of a gas jet nozzles directed gas jet, characterized in that the laser beam outlet opening (12) and the gas jet nozzles (11) housed in a common body (10) in the manner are that the gas jet (9) in the direction of the relative movement (1) of the laser beam (2) relative to the workpiece (4) after the laser beam (2) is arranged.

2. Device according to claim 1, characterized in that the body (10) has a plurality of eccentric and parallel to the laser beam (2) directed gas jet nozzles (11), of which in each case only the relative movement (1) of the laser beam (2) averted gas jet nozzles (11). 11) are acted upon by a gas jet (9).

3. Device according to claim 1, characterized in that the body (10) has only one gas jet nozzle (11) and about the axis of the laser beam (2) is pivotable.

4. Device according to claim 1 to 3, characterized in that the gas jet (9) with respect to the laser beam (2) is inclined.

5. Device according to claim 1 to 4, characterized in that in addition to the eccentric to the laser beam (2) arranged gas jets (9) oin to the laser beam (2) coaxial gas flow is present.