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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Schneiden
von Werkstücken
mit einem Laserstrahl, wobei in an sich bekannter Form mit einem
Schneidgas, das über
eine Schneiddüse
in den Bereich eines Schnittspalts geführt ist, gearbeitet wird. Außerdem ist
es wichtig, dass während
der Bearbeitung zum Schneiden von Werkstücken auch bei hohen Vorschubgeschwindigkeiten
Richtungsänderungen
der Vorschubachsrichtung berücksichtigt werden
können
und dabei auch die Zufuhr von Schneidgas zur Ausbildung guter Schnittkanten
an einem zu bearbeitenden Werkstück
gesichert werden.
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Bei
bekannten in Verbindung mit Laserstrahlen eingesetzten Schneiddüsen wirkt
sich ein kleiner Einwirkbereich auf den Schnittspalt (Staudruck über dem
Schnittspalt) als eine wichtige Einflussgröße negativ aus. Dem kann beispielsweise
durch größere Düsenöffnungen
entgegengewirkt werden, wobei jedoch der erforderliche Schneidgasvolumenstrom
ansteigt, was selbstverständlich
die Kosten negativ beeinflusst. Dieser Einfluss ist besonders groß, wenn Laserstrahlen
mit hoher Strahlqualität
eingesetzt werden, wie sie beispielsweise von Faserlasern oder Scheibenlasern
zur Verfügung
gestellt werden können.
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Ganz
besonders problematisch entwickeln sich die Verhältnisse beim Austreiben von
schmelzflüssigem
Werkstoff aus einem Schnittspalt mit dem eingesetzten Schneidgas,
wenn ein Werkstück
geschnitten werden soll, das eine erhöhte Dicke im zu schneidenden
Bereich aufweist.
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Bisher
wurden unterschiedliche Lösungsansätze vorgeschlagen,
um diesen Problemen entgegenzuwirken.
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So
ist es aus
DE 44 07
755 A1 bekannt, an Schneiddüsen eine oder auch mehrere
langgestreckte Austrittsöffnungen
vorzusehen, aus denen Schneidgas auf den Schnittspalt gerichtet
werden kann. Solche Austrittsöffnungen
sollen dabei bevorzugt an beiden Seiten parallel zur Vorschubachsrichtung
neben dem Schnittspalt angeordnet und entsprechend ausgerichtet
sein. Außerdem
wird darin vorgeschlagen, mit einem geeigneten Antrieb eine Drehung
zur Berücksichtigung
wechselnder Vorschubachsrichtungen an einer solchen Schneiddüse vornehmen
zu können.
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In
DE 36 30 127 C2 und
G 83 37 305 U1 sind Vorrichtungen
beschrieben, bei denen Schneidgas durch mehrere Gasaustrittsdüsen strömt, die
um eine Durchgangsbohrung, durch die ein Laserstrahl auf ein zu
schneidendes Werkstück
gerichtet ist, angeordnet sind. Das Schneidgas wird dabei über einen Ringkanal
zugeführt
und dann aus den mehreren Gasaustrittsdüsen in Richtung auf einen Schneidspalt
mit erhöhtem
Druck beschleunigt. Das Schneidgas strömt dabei aber immer durch alle
vorhandenen Gasaustrittsdüsen,
unabhängig
davon, wie die momentane Vorschubachsrichtung verläuft und
welche Werkstückdicke
momentan zu schneiden ist, was zu einem erhöhten Gasverbrauch führt.
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In
allgemeiner Form ist es außerdem
bekannt, dass zum Schneiden dickerer Werkstücke Düsenöffnungen mit größerem freiem
Querschnitt eingesetzt werden, um eine zufriedenstellende Schnittqualität der erhaltenen
Schnittkanten am Werkstück erreichen
zu können.
Dadurch erhöht
sich aber der Schneidgasverbrauch erheblich. So führt beispielsweise
eine Vergrößerung einer
rotationssymmetrischen Düsenaustrittsöffnung dazu,
dass beim Schneidgasverbrauch die jeweilige Radiusvergrößerung quadratisch
in den jeweiligen Gasverbrauch eingeht. Dadurch wird ein größerer Flächenbereich über dem
Schnittspalt auf der Werkstückoberfläche mit Schneidgas
beaufschlagt, wobei aber der effektiv nicht nutzbare Bereich ebenfalls
ansteigt.
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Demzufolge
sind Vergrößerungen
von Düsenaustrittsöffnungen
bei Schneiddüsen,
die lediglich eine solche Austrittsöffnung aufweisen, nur bedingt
geeignet, um bei der Bearbeitung mit wechselnder Vorschubachsrichtung,
bei gleichzeitig erhöhter Werkstückdicke,
sowohl die gewünschte
gute Schneidkantenqualität
zu sichern wie auch den erforderlichen Schneidgasverbrauch zu minimieren.
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Aus
JP 60 096 393 A ist
eine Laserschweißvorrichtung
bekannt, bei der zusätzliches
Gas mit Ventilen ge steuert durch Düsen auf ein Werkstück gerichtet
werden kann.
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Das
DD 288 339 A5 betrifft
eine Einrichtung zum Entfernen von Abtragsprodukten bei der abtragenden
Laser-Materialbearbeitung, bei der neben einer Laserstrahl-Austrittsöffnung Gasstrahldüsen vorhanden
sind und ein Gasstrahl in Richtung der Relativbewegung des Laserstrahls
und des Werkstücks angeordnet
werden kann.
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Techel
A. u. a. beschreiben in „Automation Solutions
for Metal Laminated Tooling”;
Laser Assisted Net Shape Engineering 4; Proceedings of the Lane
2004; Bamberg; Verlag Meisenbach; 2004; S. 561–566; ISBN3-87525-202-0 Möglichkeiten für die Herstellung
von Bauteilen mit stoffschlüssig
miteinander verbundenen plattenförmigen
Elementen.
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Die
DE 10 2005 27 836 A1 betrifft
eine Vorrichtung zum Laserstrahlschweißen mit eine speziellen Düsenausführung.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten vorzuschlagen,
mit denen unterschiedlichste Werkstücke bei erhöhter Bearbeitungsgeschwindigkeit,
mit wechselnder Vorschubachsrichtung, so zu bearbeiten, dass auch
bei höheren
Werkstückdicken eine
gute Schnittkantenqualität
erreicht und der Schneidgasverbrauch in Grenzen gehalten werden kann.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe mit einer Vorrichtung, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist,
gelöst.
Dabei kann mit einem Verfahren, wie es mit dem Anspruch 17 definiert
ist, gearbeitet werden.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungsformen und Weiterbildungen der Erfindung können mit
in untergeordneten Ansprüchen
bezeichneten Merkmalen erreicht werden.
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Bei
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist eine Schneiddüse
so ausgebildet, dass durch sie ein Durchlasskanal mit in Richtung
auf das jeweilige zu schneidende Werkstück angeordneter düsenförmiger Durchlassöffnung vorhanden
ist. Durch den Durchlasskanal und die düsenförmige Durchlassöffnung wird
dann der zum Schneiden eingesetzte Laserstrahl auf das Werkstück gerichtet.
Des Weiteren sind mehrere Schneidgaskanäle, deren Düsenaustrittsöffnungen
in einem Abstand zum Mittel- oder Flächenschwerpunkt und dem radial äußeren Rand der
Durchlassöffnung
angeordnet sind, vorhanden. Als wesentlicher Unterschied zum Stand
der Technik können
aber die Schneidgaskanäle
jeweils gesondert angesteuert werden, so dass Schneidgas bei Bedarf
durch mindestens einen dieser zusätzlichen Schneidgaskanäle auf das
Werkstück
und in den Schnittspalt gerichtet werden kann. Hierfür besteht nicht
nur die Möglichkeit,
jeden Schneidgaskanal über
ein einzeln ansteuerbares Ventil mit Schneidgas beaufschlagen zu
können
oder den jeweiligen Schneidgaskanal zu sperren. Dementsprechend kann
jedem Schneidgaskanal ein Ventil zugeordnet sein.
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Erfindungsgemäß ist innerhalb
der Schneiddüse
eine rotierende Blende vorgesehen, die um die mittlere Längsachse
rotieren kann. In der Blende ist dann mindestens eine Durchbrechung
ausgebildet. Bei Drehung der Blende kann diese dann so positioniert
werden, dass eine Durchbrechung mindestens einen Schneidgaskanal
für die
Zufuhr von Schneidgas in Richtung auf den Schnittspalt freigibt,
aber gleichzeitig andere Schneidgaskanäle geschlossen sind, so dass
durch die se kein Schneidgas auf den Schnittspalt des Werkstücks gerichtet
wird. Hierfür sind
die angesprochenen Ventile oder der Drehantrieb für die mit
Durchbrechung(en) versehenen Blende an eine elektronische Steuerung
angeschlossen. Dadurch kann gesichert werden, dass die Schneidgaszufuhr
unter Berücksichtigung
der jeweiligen momentanen Vorschubachsrichtung beim Schneiden und/oder
der jeweiligen zu schneidenden Werkstückdicke gezielt beeinflusst
werden kann. Sie sollte möglichst
tangential zur Vorschubachsrichtung gehalten werden.
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Bei
der Erfindung besteht aber auch die Möglichkeit, dass eine Schneidbearbeitung
von Werkstücken
auch so erfolgt, dass sämtliche Schneidgaskanäle geschlossen
gehalten sind und Schneidgas dann ausschließlich über den Durchlasskanal mit
düsenförmiger Durchlassöffnung auf
das jeweilige Werkstück
in den Schnittspaltbereich gerichtet wird. Dies kann immer dann
der Fall sein, wenn relativ kleine Werkstückdicken zu schneiden sind, was
beispielsweise bis zu einer Dicke von maximal 6 mm möglich ist.
Sollen aber auch größere Dicken
mit wechselnder Vorschubachsrichtung geschnitten werden, können dann
in gezielter Form mindestens ein weiterer Schneidgaskanal geöffnet und
zusätzlich Schneidgas
durch diesen Schneidgaskanal auf Werkstückoberfläche und in den Schnittspalt
zugeführt
werden. Dabei kann durch gezielte Drehung der Blende eine entsprechend
an die jeweilige Vorschubachsrichtung angepasste Zufuhr von Schneidgas über dies
berücksichtigend
angeordnete Schneidgaskanäle
erreicht werden.
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Für eine Schneidbearbeitung
in so genannter Remote-Technologie
kann es vorteilhaft sein, Durchlasskanal und düsenförmige Durchlassöffnung so
zu gestalten und zu dimensionieren, dass eine Verschwenkung des
Laserstrahls in Bezug zur Längsachse
des Durchlasskanals unter Berücksichtigung
wechselnder Vorschubachsrichtungen möglich ist. Dies kann mit einer
geeigneten und an sich bekannten Scanneroptik erreicht werden. Dabei
sollte eine Verschwenkung um mindestens 1°, bevorzugt um mindestens 3° möglich sein.
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Da
für eine
gute Qualität
ausgebildeter Schneidkanten ein zumindest nahezu senkrechter Einfall
des Laserstrahls günstig
ist, kann bevorzugt für
die Remote-Bearbeitung
auch eine telezentrische Planfeld-Optik eingesetzt werden. Mit dieser
kann dann eine Verschiebung der optischen Achse des Laserstrahls
bei einem solchen Einfallswinkel erreicht und dadurch ein größerer Bearbeitungsbereich
allein durch eine Beeinflussung des Laserstrahls erreicht werden.
Dies kann mit der überlagerten
Vorschubbewegung kombiniert zu erhöhten Bearbeitungsgeschwindigkeiten
führen.
Die so innerhalb des jeweiligen Bearbeitungsbereich veränderte Position
des auftreffenden Laserstrahls kann mit der erfindungsgemäß möglichen
Beeinflussung des Schneidgasstromes besser berücksichtigt werden.
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Die
Düsenaustrittsöffnungen
von Schneidgaskanälen
sollten möglichst
mit jeweils gleichen Winkelabständen
zueinander angeordnet sein.
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In
weiteren Alternativen besteht die Möglichkeit, die Düsenaustrittsöffnungen
von Schneidgaskanälen
mit nicht rotationssymmetrischen Querschnitten auszubilden, sie
also z. B. abweichend von einem kreisrunden Querschnitt eine längsgestreckte
Spaltform aufweisen können.
Dabei sollten die ausgebildeten spaltförmigen Düsenaustrittsöffnungen
sternförmig
um den Mittel- oder
Flächenschwerpunkt
der düsenförmigen Durchlass öffnung des
Durchlasskanals ausgebildet und ausgerichtet sein. Schneidgaskanäle können dabei
eine Lavalgeometrie aufweisen, die zumindest im Bereich der Düsenaustrittsöffnung eingehalten
sein sollte.
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Es
besteht aber auch die Möglichkeit, Schneidgaskanäle mit Düsenaustrittsöffnungen
so auszubilden und anzuordnen, dass die Düsenaustrittsöffnungen
unterschiedliche Abstände
zum jeweiligen Mittel- oder Flächenschwerpunkt
der düsenförmigen Durchlassöffnung aufweisen
und dementsprechend in unterschiedlichen Radien auf Kreisbahnen angeordnet
sein können.
Dabei können
Düsenaustrittsöffnungen
hintereinander auf einer gemeinsamen Achse angeordnet sein, oder
es kann auch eine versetzte Anordnung gewählt werden. Dabei können dann
Düsenaustrittsöffnungen
jeweils auf mehreren gemeinsamen Radien um den Mittel- oder Flächenschwerpunkt
der düsenförmigen Durchlassöffnung angeordnet
sein.
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Für die Zufuhr
von Schneidgas in Richtung auf den Schnittspalt und in diesen hinein
ist es außerdem
günstig,
die Schneidgaskanäle
in der Schneiddüse
so auszubilden, dass die Schneidgaskanäle in gleichen Winkeln in Bezug
zur Längsachse
des Durchlasskanals in schräg
geneigter Form und in Richtung auf den Schnittspalt ausgerichtet
sind. Dies sollte insbesondere für
solche Schneidgaskanäle
berücksichtigt
werden, deren Düsenaustrittsöffnungen in
gleichen Abständen
zum Mittel- oder Flächenschwerpunkt
der Durchlassöffnung
angeordnet sind. Sind Düsenaustrittsöffnungen
mit unterschiedlichen Abständen
zu Mittel- oder Flächenschwerpunkt
der Durchlassöffnung
vorhanden, kann der jeweilige Neigungswinkel unter Berücksichtigung
des jeweiligen Abstandes verändert
sein. So kann beispielsweise bei Düsenaustrittsöff nungen
mit größerem Abstand der
Neigungswinkel des jeweiligen Schneidgaskanals in Bezug zur Längsachse
des Durchlasskanals vergrößert sein.
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Insbesondere
beim Schneiden von Werkstücken
mit größerer Dicke
können
Schneidgaskanäle aber
auch senkrecht zur Werkstückoberfläche ausgerichtet
sein, wobei dies zumindest im Gasaustrittsbereich der Fall sein
sollte.
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Bevorzugt
ist es außerdem,
Düsenaustrittsöffnungen
von Schneidgaskanälen
konzentrisch um den Mittel- oder Flächenschwerpunkt der düsenförmigen Durchlassöffnung anzuordnen.
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Es
besteht aber auch die Möglichkeit,
an Schneidgaskanälen
Düsenaustrittsöffnungen
vorzusehen, deren freier Querschnitt nicht gleich groß ist. Dementsprechend
können
Düsenaustrittsöffnungen mit
größerem oder
kleinerem freiem Querschnitt bzw. voneinander unterschiedlicher
Querschnittsgeometrie vorhanden sein, so dass auch dadurch Möglichkeiten
bestehen, durch gezieltes Öffnen
oder Verschließen
von Schneidgaskanälen
Einfluss auf den jeweiligen zugeführten Schneidgasvolumenstrom und
die entsprechende Strömungsgeschwindigkeit sowie
den Staudruck nehmen zu können.
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Ähnlich kann
aber auch bei der Ausbildung von Durchbrechungen in der Blende vorgegangen werden.
So können
in einer Blende mehrere Durchbrechungen ausgebildet sein, die eine
unterschiedliche freie Querschnittsfläche aufweisen, so dass bei einer
entsprechenden Drehung mit Positionierung der jeweiligen Durchbrechung
in Bezug zu einem Schneidgaskanal dann mehr oder weniger Schneidgas
in den Schneidgaskanal eingeführt
werden kann. Es besteht aber auch die Möglichkeit, Durchbrechungen
an einer Blende vorzusehen, deren freier Querschnitt eine nicht
rotationssymmetrische Geometrie bzw. ein von der komplementären Geometrie
des Schneidgaskanals im Bereich der Blende abweichende Geometrie
aufweist. Auch dadurch kann bei entsprechender Drehung der Blende
in gezielter Form der gesamte freie Querschnitt des Schneidgaskanals
für die
Zufuhr von Schneidgas freigegeben werden, aber auch lediglich eine
teilweise Freigabe erfolgen, wodurch Einfluss auf den durch einen Schneidgaskanal
zuführbaren
Schneidgasvolumenstrom und die entsprechende Schneidgasströmungsgeschwindigkeit/Staudruck
genommen werden kann, wobei dann der Druck des zugeführten Schneidgases
bis vor die jeweilige Blende und den Schneidgaskanal konstant gehalten
werden kann.
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Ein ähnlicher
Effekt kann auch dadurch erreicht werden, dass eine entsprechende
Ansteuerung von Ventilen, die jeweiligen Schneidgaskanälen zugeordnet
sind, erfolgt.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltungsform kann zusätzlich ein Drehwinkelsensor
vorgesehen sein, mit dem die jeweilige Ausrichtung der Blende bestimmt
werden kann. Der Drehwinkelsensor sollte dann ebenfalls an die elektronische
Steuerung angeschlossen sein, so dass das jeweilige Drehwinkelmesssignal
auch bei der Steuerung der Schneidgaszufuhr über die jeweiligen Schneidgaskanäle berücksichtigt
werden kann.
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Bei
der Schneidbearbeitung ist es häufig auch
günstig,
dass gleichzeitig mindestens zwei Schneidgaskanäle geöffnet sind, so dass Schneidgas über diese
beiden Schneidgaskanäle
und durch deren Düsenaustrittsöffnungen
auf das Werkstück und
in den Schnitt spalt gerichtet werden kann. Dabei sollte die Ansteuerung
so erfolgen, dass die Schneidgaszufuhr durch Schneidgaskanäle mit Düsenaustrittsöffnungen,
die unmittelbar neben- und/oder hintereinander angeordnet sind,
erfolgt.
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Beim
Schneiden besteht die Möglichkeit,
den Volumenstrom des Schneidgases, der über Durchlasskanal und düsenförmige Durchlassöffnung in Richtung
Schneidspalt strömt,
konstant zu halten und dann eine Anpassung an sich verändernde
Verfahrensbedingungen, also eine Veränderung der Werkstückdicke
und/oder der Vorschubachsrichtung lediglich durch Ansteuerung der
Schneidgaskanäle
zu erreichen.
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Eine
erfindungsgemäß ausgebildete Schneiddüse kann
auf verschiedenste Art und Weise hergestellt werden. So können unterschiedlichste Verfahren
aus dem Bereich des sogenannten Rapid Prototyping eingesetzt werden.
Die Kanäle,
also der Durchlasskanal und die Schneidgaskanäle, können aber auch in an sich bekannter
Form durch Erodieren aus einem vorab zur Verfügung gestellten Werkstück ausgebildet
werden.
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Es
besteht aber auch die Möglichkeit,
eine solche Schneiddüse
gießtechnisch
herzustellen, wobei bevorzugt verlorene Formen oder Kerne eingesetzt
werden können.
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Besonders
vorteilhaft können
Schneiddüsen mit
einem Verfahren, das unter der Bezeichnung ”MELATO®” bekannt
ist, hergestellt werden. Dabei werden eine Vielzahl plattenförmiger Elemente
in gestapelter Form zu einer Schneiddüse gefügt. Die einzelnen plattenförmigen Elemente
weisen dabei entsprechende Durchbrechungen auf, mit denen dann die
jeweils erforder lichen und zuvor bereits erläuterten und definierten unterschiedlichen
Kanäle
auch mit wechselnder Richtung sowie variabler freier Querschnittsgröße sehr
einfach und flexibel ausgebildet werden können. Die plattenförmigen Elemente, die
dann in gestapelter Form eine erfindungsgemäß ausgebildete Schneiddüse bilden,
sollten bevorzugt stoffschlüssig
miteinander verbunden werden. Dies kann beispielsweise durch Löten oder
auch durch Schweißen,
bevorzugt Diffusionsschweißen,
erreicht werden. Die für
die Herstellung eingesetzten plattenförmigen Elemente müssen nicht
unbedingt eine konstante Dicke aufweisen, sondern die Dicke kann
in Abhängigkeit
von der jeweiligen Kanalführung
und der jeweiligen freien Querschnitte gewählt werden.
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Das
Verschweißen
kann aber auch am äußeren Rand
erfolgen. Außerdem
ist es zweckmäßig, Erhebungen
oder Vertiefungen an plattenförmigen
Elementen vorzusehen, die dann bei benachbart angeordneten plattenförmigen Elementen
komplementär ausgebildet
sein sollten, so dass eine Positionierung und Ausrichtung der miteinander
zu verbindenden plattenförmigen
Elemente in exakter Form erreicht werden kann.
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In
Schneiddüsen,
die wie zuvor erläutert
mit den plattenförmigen
Elementen hergestellt worden sind, können zusätzlich auch Kühlkanäle integriert werden.
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Bei
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
besteht auch die Möglichkeit
diese mit einem integrierten Abstandssensor auszubilden. Dabei können dann
zwei elektrisch leitende Teile mit einem dielektrischen Teil getrennt
sein, um eine kapazitive Abstandsbestimmung zu einer Werkstückoberfläche vornehmen
und für
eine Regelung nutzen zu können. Bei
mit platten förmigen
Elementen gebildeten Schneiddüsen
kann dies mit mindestens einem elektrisch isolierenden plattenförmigen Element,
das als z. B. vorletzte Platte in Richtung Werkstückoberfläche angeordnet
ist und einem plattenförmigen
Element aus Kupfer, das den stirnseitigen Rand in Richtung Werkstückoberfläche bildet
und weiteren elektrisch leitenden plattenförmigen Elementen, die auf der
anderen Seite des elektrisch isolierenden plattenförmigen Element
angeordnet sind und einer für
eine kapazitive Abstandsbestimmung geeigneten elektrischen Kontaktierung
erreicht werden.
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Die
plattenförmigen
Elemente, die für
die Herstellung von Schneiddüsen
in erfindungsgemäßer Ausbildung
eingesetzt werden, können
aber auch mit anderen geeigneten Verbindungselementen zusammengehalten
und so verbunden werden. Dies können
beispielsweise Schraubverbindungen sein. Dabei können dann geeignete Dichtelemente
im Bereich der unterschiedlichen Kanäle mit integriert werden, da
alle Kanäle
nach außen
möglichst
fluiddicht abgedichtet sein sollten und teilweise doch erhebliche
Schneidgasdrücke
bis in Bereich von 30 bar und ggf. darüber hinaus berücksichtigt
werden müssen.
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Einzelnen
Schneidgaskanälen
zugeordneten Ventile sollten möglichst
nah zu den jeweiligen Düsenaustrittsöffnungen
angeordnet werden, um eine kleine Zeitkonstante für den Druckaufbau
einhalten zu können
und so auf unterschiedlichste technologische Anforderungen bei der
Schneidbearbeitung reagieren zu können.
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Nachfolgend
soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
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Dabei
zeigen:
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1 in
einer schematischen Schnittdarstellung ein Beispiel einer Schneiddüse für eine erfindungsgemäße Vorrichtung;
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2 in
einer schematischen Schnittdarstellung ein weiteres Beispiel einer
Schneiddüse
für eine erfindungsgemäße Vorrichtung;
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3 Möglichkeiten
für Anordnungen
und Ausbildungen von Düsenaustrittsöffnungen
von Schneidgaskanälen;
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4 eine
schematische Darstellung für eine
Bearbeitung innerhalb eines Bearbeitungsfeldes;
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4a–c ein Beispiel
für eine
Bearbeitung in Remote-Technologie mit Schneidgaskanälen, die
in unterschiedlichen Winkeln ausgerichtet sein können;
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5a und
b ein Beispiel mit schwenkbaren Schneidgaskanälen.
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In
den 1 und 2 sind zwei Beispiele für bei einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung
einsetzbaren Schneiddüse 1 schematisch
im Schnitt dargestellt.
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Dabei
ist hier ein Laserstrahl 4 senkrecht auf die Werkstückoberfläche zur
Schneidbearbeitung durch den Durchlasskanal 2 mit düsenförmiger Durchlassöffnung 2.1 gerichtet.
Umlaufend sind mehrere Schneidgaskanäle 3 mit Düsenaustrittsöffnungen 3.1 vorhanden
aus denen selektiv gesteuert Schneidgas zuführbar ist.
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Einzelne
Schneidgaskanäle 3 können, wie im
allgemeinen Teil der Beschreibung erläutert, mit einer Blende geöffnet oder
geschlossen werden. Beim in 2 gezeigten
Beispiel sind Schneidgaskanäle 3 mit
Düsenaustrittsöffnungen 3.1 mit
unterschiedlichen Abständen
zum Mittelpunkt der Durchlassöffnung 2.1 vorhanden.
Durch gezielte Ansteuerung der Scheidgaskanäle 3 kann so auch
ein unterschiedlicher Abstand der Schneiddüse 1 von einem zu
bearbeitenden Werkstück
mit dem jeweiligen Neigungswinkel der Schneidgaskanäle 3 berücksichtigt werden.
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Bei
diesen beiden Beispielen sind die Schneidgaskanäle 3 in jeweils gleichen
Winkeln in Bezug zur Längsachse
des Durchlasskanals 2 ausgerichtet. Dies muss aber nicht
unbedingt der Fall sein. Es können
auch unterschiedliche Neigungswinkel an Schneidgaskanälen 3 gewählt werden,
die beispielsweise den jeweiligen Abstand der Düsenaustrittsöffnung zur
Längsachse
der Durchlassöffnung 2.1 berücksichtigen.
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In 3 sind
mehrere unterschiedliche Anordnungen und Geometrien von Düsenaustrittsöffnungen 3.1 beispielhaft
dargestellt. Inder linken Darstellung von 3 sind unterschiedliche
Querschnittsgeometrien dargestellt, die jeweils in Kreissegmenten
zusammengefasst sind. Neben rotationssymmetrischen Ausbildungen,
die hier auch in unterschiedlichen Abständen zur mittleren Längsachse des
Durchlasskanals 2 mit unterschiedlichen Radien dargestellt
sind, sind auch andere Geometrien und unterschiedliche freie Querschnitte
gezeigt.
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In
der rechten Darstellung sind mögliche
Gestaltungen von Schneidgaskanälen 3 im
Bereich des Schneidgasaustritts an den Düsenaustrittsöffnungen dargestellt.
So zeigt die ganz links bei e angeordnete eine einfache Lavalgeometrie,
die daneben bei f eine weitere Lavalgeometrie, die bei g eine Kombination konisch-zylindrisch
und die bei h ganz rechts dargestellte eine konisch-zylindrische
Ausbildung mit einer Senkung an der Düsenaustrittsöffnung 3.1.
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Außerdem wird
in 3 angedeutet, dass die Ausrichtung der Schneidgaskanäle 3 in
unterschiedlichen Winkeln gewählt
werden kann. Hier ist eine senkrechte Ausrichtung gezeigt. Es kann
aber eine Neigung um vorgebbare Winkel gewählt werden, so dass Schneidgas
schräg
geneigt austreten kann. Die Neigung kann wie angedeutet bis zu 60° gewählt werden.
Dabei kann bei der Wahl des Neigungswinkels, der jeweilige Abstand
zur mittleren Längsachse
des Durchlasskanals 2 bzw. auch der Abstand zum Schnittspalt
berücksichtigt
werden.
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Die
gezeigten Geometrien können
aber auch mit weiteren anderen kombiniert werden oder auch andere
Geometrien und Dimensionierungen gewählt werden.
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Mit 4 sollen
Möglichkeiten
für eine
Auslenkung des Laserstrahls 4 innerhalb eines Bearbeitungsfeldes 5 verdeutlicht
werden. Dabei sind umlaufend um den Durchlasskanal 2 Düsenaustrittsöffnungen 3.1 in
einer Ringanordnung vorhanden.
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Bei
den in den 4a bis 4c gezeigten Beispiel
ist der freie Querschnitt von Durchlasskanal 2 und insbesondere
der Durchlassöffnung 2.1 deutlich
größer, so
dass eine Auslenkung des Laserstrahls 4 zusätzlich zur
Relativbewegung der Vorrichtung mit dem Werkstück möglich ist. In 4b ist
gezeigt, wie ein Laserstrahl 4 zentral in der Längsachse des Durchlasskanals 2 zur
Bearbeitung auf ein Werkstück
gerichtet wird. Die Schneidgaskanäle 3 sind dabei jeweils
gleich ausgebildet und rotationssymmetrisch um die Längsachse
des Durchlasskanals 2 angeordnet. Im Bereich der Düsenaustrittsöffnungen 3.1 sind
die Schneidgaskanäle 3 jeweils
in gleichen Richtungen und in gleichen Winkeln geneigt, so dass Scheidgas
in Richtung auf den Brennpunkt des Laserstrahls 4 gerichtet
werden kann.
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Bei
dem in 4a bis 4c gezeigten
Beispiel sind mehr Schneidgaskanäle 3 an
einer Schneiddüse 1 vorhanden
als beim Beispiel nach 5a und 5b. Wie
in der Darstellung verdeutlicht münden deren Düsenaustrittsöffnungen 3.1 in unterschiedlichen
Abständen
von der Längsachse des
Durchlasskanals 2.
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Wie
aus den Darstellungen der 4a bis
c nicht hervorgeht, können
die Schneidgaskanäle 3 zumindest
im Bereich der Düsenaustrittsöffnungen 3.1 aber
auch unterschiedliche Neigungswinkel aufweisen, mit denen eine dementsprechende
Auslenkung des Laserstrahls 4 erreichbar ist, wenn der
Laserstrahl 4 außer
mittig ausgelenkt oder so verschoben ist. Wie in 4a und 4c gezeigt,
kann der Laserstrahl 4 außermittig in einem Abstand
zur Längsachse
des Durchlasskanals 2, die durch den Mittelpunkt des Durchlasskanals 2 verlaufen.
So kann je nach Verschiebung oder Auslenkung die Strömungsrichtung
von Schneidgas an die Auslenkung eines Laserstrahls 4 angepasst
werden.
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Mit
den 5a und 5b soll
eine besonders für
eine Remote-Bearbeitung geeignete Ausführung der Erfindung verdeutlicht
werden. Durchlasskanal 2 und Durchlassöffnung 2.1 sind so
gestaltet und dimensioniert, dass der Laserstrahl 4 innerhalb eines
Bearbeitungs bereichs an einer Werkstückoberfläche bewegt werden kann, was
zumindest den Fokuspunkt betrifft. In 5a soll
die Bearbeitung in einem zentraler angeordneten Punkt des Bearbeitungsbereichs
erfolgen, wohingegen die Bearbeitung, wie in 5b gezeigt
in einem äußeren Randbereich
erfolgen soll.
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Dabei
sind Schneidgaskanäle 3 zumindest teilweise
oder deren Düsenaustrittsöffnungen 3.1 um mindestens
eine Achse verschwenkbar, so dass die auf die Werkstückoberfläche gerichtete
Schneidgasströmung
in jeweils gewünschter
Form und Richtung auf die Werkstückoberfläche und
die Position der Schnittfuge gerichtet werden kann. In 5a sind
die beiden gezeigten Schneidgaskanäle 3 in gleichen Winkeln
in Bezug zur Längsachse
des Durchlasskanals 2 und hier auch des Laserstrahls 4 ausgerichtet. Da
die Bearbeitungsposition in 5b aber
in einen Randbereich verschoben ist, kann dies mit einer dies berücksichtigenden
Verschwenkung der Schneidgaskanäle 3 kompensiert
werden. So kann Schneidgas mit dem links angeordneten Schneidgaskanal 3 in
einem steileren und mit dem rechts dargestellten Schneidgaskanal 3 flacheren
Winkel auf die Bearbeitungsposition des Laserstrahls 4 an
der Werkstückoberfläche gerichtet
werden. Dabei können
alle oder lediglich ausgewählte
Scheidgaskanäle 3 verschwenkbar
ausgeführt
sein. Als Schwenkantriebe können
beispielsweise pneumatische oder elektrische eingesetzt werden.
Sie können
auch eine mehrachsige Verschwenkung ermöglichen.
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Bei
den in den 4 und 5 gezeigten
Beispielen erfolgte die Auslenkung/Verschiebung des Laserstrahls 4 unter
Einsatz einer telezentrischen Optik (Planfeld-Optik). Dadurch konnte
ein größerer Bearbeitungsbereich
mit dem vergrößerten Durchlasskanal 2 und
seiner Durchlassöffnung 2.1,
bei gleichzeitigem zumindest nahezu senkrechten Einfallswinkel des
Laserstrahls 4 auf die zu bearbeitende Oberfläche eines
Werkstücks
erreicht werden.