DE19518263A1 - Vorrichtung zur Materialbearbeitung mit einem Laser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Ober­ begriff des Patentanspruchs 1.

Die Laserstrahlung wird in vielfältiger Weise zur Mate­ rialbearbeitung in der Industrie - Schneiden, Bohren, Schweißen, Markieren und Materialabtragung - verwendet. Es sind nahezu alle Materialien wie z. B. Stahl, Stahllegierun­ gen, NE-Metalle, Kunststoffe und Keramiken bearbeitbar.

Bei fast all diesen Verfahren wird der Laserstrahl mit­ tels eines optischen Elements, wie z. B. einer Linse, auf das zu bearbeitende Material fokussiert, um die für den Be­ arbeitungsvorgang notwendige Intensität zu erzeugen. Auf­ grund dieser zwingenden Strahlungsfokussierung war ein Ar­ beiten lediglich am Ort des Fokuspunkts oder in dessen un­ mittelbarer Umgebung möglich.

Aus der DE-A 36 43 284 ist ein Verfahren zum Schneiden eines Material mit einem Laserstrahl bekannt, bei dem dieser in einen auf das zu schneidende Material gerichteten Wasser­ strahl eingekoppelt und innerhalb diesem geführt wurde. Die Strahlungszuführung erfolgte über einen Strahlungsleiter (Fiber), dessen eines Ende in den in einer Düse erzeugten Wasserstrahl hineinragte. Der Durchmesser des Wasserstrahls war größer als derjenige des Strahlungsleiters. Die bekannte Vorrichtung hatte den Nachteil, daß der Durchmesser des Was­ serstrahls niemals kleiner sein durfte als derjenige des Strahlungsleiters.

Um jedoch eine hohe Intensität am Bearbeitungsort zu er­ halten, ist ein möglichst kleiner Strahldurchmesser notwen­ dig. Je kleiner der Strahldurchmesser, mit desto geringeren Ausgangsleistungen der Laserstrahlungsquelle kann gearbeitet werden. Je kleiner die Ausgangsleistung des Lasers, desto geringer sein Anschaffungspreis.

Ein weiterer Nachteil der Vorrichtung der DE-A 36 43 284 ergab sich durch das in den Wasserstrahl hineinragende Strahlungsleiterende. Unterhalb des Leiterendes bildete sich nämlich ein Totwassergebiet, welches u. a. Störungen in der Strömung erzeugte, welche sich über die Länge des Wasser­ strahls exponentiell verstärkten und schließlich zu dessen Zertropfen führten. Daher war es mit dieser Vorrichtung un­ möglich, laminare, kompakte Strahllängen von über 30 mm zu erhalten.

Es wurde nun in der EP-A 0 515 983 versucht, die obigen Nachteile zu beheben, in dem eine Wasserdüse konstruiert wurde, welche den Strahlungsleiter nicht mehr direkt ent­ hielt. Vor der den Wasserstrahl formenden Düse befand sich eine Wasserkammer mit einem Wassereinlaß und einer die Kam­ mer gegenüber dem Düseneintritt abschließenden Fokussierlin­ se. Diese Fokussierlinse ist Teil eines optischen Systems, mit dem die aus einem Strahlungsleiter austretende Strahlung in den Düsenkanal der Düse fokussierbar war. Die Kammer war derart ausgebildet, daß das in ihr befindliche Wasser für den Wasserstrahl sich quasi im Stillstand, d. h. in einem entspannten Zustand, befand.

Es hat sich nun gezeigt, daß diese zweite Ausführungsva­ riante eines in einen Wasserstrahl einzukoppelnden Laser­ strahls unkontrollierbare Beschädigungen an der Wand der Dü­ se im Umgebungsbereich des Düsenkanaleintritts hervorrief.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaf­ fen, mit der ein Laserstrahl optimal in einen Flüssigkeits­ strahl zur Materialbearbeitung einkoppelbar ist, ohne die den Flüssigkeitsstrahl erzeugende Düse durch die Strahlung des Lasers zu beschädigen.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß der mit der Fokussieroptik in den Bereich der Düse fokussierte La­ serstrahl je nach Intensitätsverteilung in der Flüssigkeit diese mehr oder weniger stark erwärmen kann. Flüssigkeitsbe­ reiche mit unterschiedlichen Temperaturen, einem räumlichen Temperaturgradienten, weisen nicht nur eine räumlich spezi­ fische Dichteverteilung, sondern auch eine räumliche Bre­ chungsindexverteilung auf. D. h. Flüssigkeiten mit einem räumlichen Temperaturgradienten reagieren optisch als Linse und im Fokussierkegel eines fokussierten Laserstrahls in der Regel als Zerstreuungslinse.

Eine "zeichnerisch optimale" Einkopplung der Laserstrah­ lung in einen in einem Düsenkanal erzeugten Flüssigkeits- (Wasser-)-Strahl, wie in Fig. 2 der EP-A 0 515 983 gezeigt, wirkt nun leider nicht so wie vermutet. Bei der in der EP-A 0 515 983 gezeigten Anordnung bildete sich nämlich im Bereich der Fokussierkegelspitze oberhalb des Düsenkanalein­ tritts eine thermische Linse aus, welche den dort gezeigten Ort des Fokuspunkts nach oben verschob sowie den Fokusdurch­ messer stark vergrößerte. Hierdurch traf ein Teil der Laser­ strahlung im Fokussierkegel auf die Düsenwandung, insbeson­ dere auf die dem dort verwendeten Flüssigkeitsstauraum zuge­ wandte Düsenoberfläche. Durch die hohe Intensität, welche nun einmal für die Materialbearbeitung benötigt wird, wurde nun die Wandung der Düse beschädigt.

Nachteilig wirkte sich bei der aus der EP-A 0 515 983 bekannten Konstruktion zudem aus, daß als Flüssigkeit Wasser und als Laserstrahlung diejenige eines ND:YAG von 1,064 µm verwendet wurde. Diese Strahlung wies nun gerade in Wasser eine nicht zu vernachlässigende Absorption auf. Der Wasser­ bereich im oberen Bereich der Pyramidenspitze der fokussier­ ten Strahlung (Spitzenbereich des Fokussierkegels) wurde entsprechend der Intensitätsverteilung (hohe Intensität in der Achse und geringe an den Rändern) erhitzt und es ent­ stand die oben vorausgesagte thermische Linse, welche zu Be­ schädigungen der Düsenwandung, insbesondere der Düsenober­ fläche im Bereich des Düseneintritts und letztendlich zur Zerstörung der den Flüssigkeitsstrahl erzeugenden Düse führ­ te.

Nicht nur die Verwendung von Wasser verschlechterte den Einkopplungswirkungsgrad, sondern auch die gesamte konstruk­ tive Gestaltung der Flüssigkeitskammer vor dem Düsenein­ tritt. Es wurden nämlich, wie auf Seite 7, Zeilen 32 ff. und Seite 9, Zeilen 41 ff. ausgeführt ist, Anstrengungen unter­ nommen, vor dem Düseneintritt möglichst einen Stillstand der Flüssigkeit zu erreichen. Gerade dieser Flüssigkeitsstill­ stand ermöglichte bzw. verstärkte die Ausbildung der thermi­ schen Linse. Es wurde nämlich die durch (bereits geringe) Strahlungsabsorption erwärmte Flüssigkeit nicht schnellstens weggeführt, damit sie sich nicht noch stärker erwärmen konn­ te, wodurch der Linseneffekt reduziert worden wäre, sondern im Gegenteil erfolgte durch die fortschreitende Erwärmung noch eine Verstärkung der Brechkraft einer sich bildenden thermischen Linse.

Einen anderen Weg geht jedoch die Erfindung. Hier wird alles daran gesetzt, daß möglichst keine thermische Linse entstehen kann bzw. deren Wirkung stark minimiert wird. In der Erfindung wird eine Flüssigkeit verwendet, welche eine möglichst kleine Absorption bei der verwendeten Laserstrah­ lung hat, nämlich ein Silikonöl bei der Strahlung des ND:YAG-Lasers.

Ferner ist der konstruktive Aufbau des die Düsenanord­ nung und die Fokussiereinheit enthaltenden Bearbeitungsmo­ duls derart gewählt, daß auch bei einer nicht zu vernachläs­ sigenden kleinen Strahlungsabsorption der Effekt einer ther­ mischen Linse, sofern er überhaupt auftreten sollte, minimal und somit vernachlässigbar bleibt.

Die Erfindung schlägt nämlich vor, die Flüssigkeit aus dem Bereich des Fokussierkegels der Laserstrahlung, insbe­ sondere aus dessen Spitzenbereich möglichst schnell heraus­ zubringen, um eine Aufwärmzeit so klein wie irgend möglich zu halten. Die besten Ergebnisse werden selbstverständlich bei einer kurzen Verweilzeit der Flüssigkeit im Fokussierke­ gel mit einer geringen Absorption erreicht.

Um die obigen Bedingungen zu erreichen, wird die in der EP-A 0 515 983 verwendete Flüssigkeitskammer mit dem dort propagierten, die Flüssigkeit im Stillstand haltenden Flüs­ sigkeitsstauraum vollständig vermieden. Die die Höhe der Flüssigkeitszuführung zur Düse weist etwa den Durchmesser des Düsenkanals auf oder ist nur geringfügig größer, um le­ diglich Strömungsverwirbelungen zu verringern.

Auch wird bei einer bevorzugten Ausführungsvariante in die zum Düseneintritt gegenüberliegende Wandung keine Fokus­ sierlinse, wie bei der EP-A 0 515 983, eingebaut, sondern lediglich ein Fenster, welches die Laserstrahlung verlust­ frei transmittiert. Nur durch dieses nahezu unmittelbar über dem Düseneintritt liegende Fenster ist es möglich, das Flüs­ sigkeitsvolumen in der Spitze des Fokussierkegels so klein wie nur irgend möglich und die Strömungsgeschwindigkeit so hoch wie nur irgend möglich zu halten.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante ist der Flüssigkeitseintrittsrand des Düsenkanals scharfkantig ausgebildet. Infolge dieser scharfen Kante bildet sich eine Flüssigkeitsstrahlablösung an der Einlaßkante mit einem Luftpolster zwischen dem Flüssigkeitsstrahl und der Düsenka­ nalwandung aus. Luft hat einen kleineren Brechungsindex als die üblichen zu verwendenden Düsenmaterialien wie Quarz oder Saphir. Auch ist der Brechungsindex von Luft kleiner als derjenige der zu verwendenden Flüssigkeiten, d. h. es bildet sich ein Flüssigkeitsstrahl aus, der als nahezu idealer Strahlungsleiter wirkt. Die im Flüssigkeitsstrahl geführte Laserstrahlung ist somit von der Düsenwand "isoliert".

Das Luftpolster bewährt sich insbesondere dann, wenn der Brechungsindex des die Strahlung führenden Flüssigkeits­ strahls kleiner ist als derjenige der Düse, da dann ein Strahlungsübertritt erfolgen könnte. Ist der Brechungsindex der Flüssigkeit größer als derjenige des Düsenmaterials so tritt zwar an der Grenzfläche zwischen den beiden Medien (Flüssigkeit/Düsenwand) Totalreflexion auf, die Strahlung tritt jedoch bis zur sog. Endringtiefe ("frustrated-total­ internal-reflection", "Goos-Hänchen-Shift") in das andere Material ein. Weist das Material der Düse dann einen bei der verwendeten Strahlung nicht mehr zu vernachlässigenden Ab­ sorptionskoeffizienten auf, so verhindert das Luftposter auch hier ein Eindringen der Strahlung und damit eine Be­ schädigung der Düsenwandung.

Dank der Ausbildung dieses Luftpolsters können sogar die Laserstrahlung absorbierende Materialien für die Düse ver­ wendet werden, da das Polster diese von der Düsenwandung fernhält. Ferner ist hierdurch eine Justage des Fokussierke­ gels auf die Düsenkanalachse nicht mehr zwingend notwendig, da durch dieses Luftpolster die Strahlung auch bei einer ge­ ringen Dejustage die Düsenkanalwandung nicht mehr erreichen kann. Der Winkel des Fokussierkegels kann nun derart gewählt werden, daß er dem theoretischen Wert der numerischen Aper­ tur des Flüssigkeitsstrahls entspricht.

Wird z. B. als Flüssigkeit ein Öl aus der Gruppe der Si­ likonöle, wie z. B. ein Polydimethylsiloxan oder ein Polyme­ thylphenylsiloxan und Quarz als Düsenmaterial verwendet, so ist der Brechungsindex der Flüssigkeit höher als derjenige des Düsenmaterials. Der Düsenkanal erhält nun auch bei feh­ lendem Luftpolster die Eigenschaft eines Strahlungsleiters. In diesem Fall ist die Länge und Form des Düsenkanals unkri­ tisch für die Strahlungsleitung. Es könnten sogar lange und gebogene Düsenkanäle realisiert werden.

Anstelle von Silikonöl können selbstverständlich auch andere elektrisch leitende sowie insbesondere elektrisch nichtleitende Flüssigkeiten verwendet werden. Sie sind der­ art auszuwählen, daß deren Absorption für die verwendete La­ serwellenlänge sich mit Blick auf die in den Zuführungen im Umgebungsbereich der Düse erreichbaren Fließgeschwindigkei­ ten zur Vermeidung einer thermischen Linse in einem vertret­ baren Rahmen halten. Als verwendbare Flüssigkeiten wird hier insbesondere auf diejenigen Flüssigkeiten hingewiesen, die bei Flüssigkeitsfasern eingesetzt werden.

Die vorgeschlagene Anordnung ermöglicht Flüssigkeits­ strahllängen von über 200 mm. Wird nämlich eine störungs­ freie Strömung am Einlauf zum Düsenkanal gewährleistet, kann der Flüssigkeitsdruck gesteigert werden und die kompakte Flüssigkeitsstrahllänge steigt auf ein Maximum an, welches vor allem von der verwendeten Flüssigkeit und dem Düsen­ durchmesser abhängt. So ergibt sich z. B. für Wasser und einen Düsenkanaldurchmesser von 150 µm eine maximale kompak­ te Strahllänge von 150 mm bei 80 bar Flüssigkeitsdruck. Wird anstelle von Wasser ein Silikonöl verwendet, kann die kom­ pakte Flüssigkeitsstrahllänge auf bis zu 500 mm gesteigert werden. Als kompakte Flüssigkeitsstrahllänge wird die Länge vor Beginn des "Zertropfens" bezeichnet. Dieses Zertropfen beruht auf nicht vermeidbaren Verwirbelungen, hervorgerufen durch die Umgebungsluft sowie die Oberflächenspannung.

Die Zerfallslänge des Flüssigkeitsstrahls läßt sich über den Druck der Flüssigkeit vor dem Eintritt in den Düsenkanal variieren. Eleganter ist jedoch das gezielte Einbringen einer Störung in die Flüssigkeit unmittelbar vor dem Düsen­ kanaleingang. Dies kann z. B. mit einem Piezoelement erfol­ gen, welches Druckstöße einer vorgegebenen Frequenz und Am­ plitude auf die Flüssigkeit ausübt. Die Länge des Flüssig­ keitsstrahls ist dann von diesen Parametern abhängig. Die Einstellung der Flüssigkeitsstrahllänge ist dann wichtig, wenn Schichten unterhalb des zu bearbeitenden Materials vom Laserstrahl nicht getroffen werden sollen.

Des weiteren ist die Absorption des obigen Öls in einem weiten Wellenlängenbereich der Strahlung niedriger als die­ jenige von Wasser, so daß zum einen die Arbeitslänge nicht mehr durch die Absorption in der Flüssigkeit beschränkt wird, und zum anderen der Effekt der thermischen Linse vor der Düse vermieden bzw. sehr stark reduziert wird. Gleich­ zeitig ist eine Schutzwirkung vor Korrosion während und nach der Bearbeitung des Werkstücks gegeben.

Silkonöle besitzen eine Reihe für diese Art der Materi­ albearbeitung vorteilhafte Eigenschaften. Sie haben nämlich eine ausgezeichnete Oxidations-, Hydrolyse und Witterungsbe­ ständigkeit. Auch weisen sie eine chemische Indifferenz auf, welche eine Korrosionsgefahr ausschließt. Sie zeichnen sich ferner durch eine äußerst geringe Brennbarkeit sowie eine hohe Kompressibilität aus.

Infolge der großen Länge eines Flüssigkeitsstrahls mit nahezu konstanter, hoher Strahlungsintensität ergibt sich eine um ein Vielfaches vergrößerte Arbeitslänge. Damit sind u. a. mehrschichtige Objekte, z. B. Objekte aus zwei Glas­ platten mit einem Luftabstand, . . . bearbeitbar, da der die hochenergetische Laserstrahlung führende Flüssigkeitsstrahl aus einer Schnittfuge oder einem Loch austretend, seine Eigenschaft als Strahlungsleiter weitgehend beibehält.

Eine optimale Einkopplung der Laserstrahlung wird er­ reicht, wenn der Fokuspunkt in die Ebene der Düsenöffnung gelegt wird. Die der Düsenöffnung zugewandte Unterseite des die Laserstrahlung transmittierenden Fensters sollte sich in einem Abstand vom 200 µm bis 500 µm bei einem Düsendurchmes­ ser von 100 µm befinden. Hierdurch wird ein die Ausbildung einer thermischen Linse begünstigender Flüssigkeitsstauraum vermieden.

Darüber hinaus erlaubt der in dem Flüssigkeitsstrahl ge­ führte Laserstrahl parallele Schnittkanten. Hierdurch sind größere Materialstärken u. a. bei einem geringeren Material­ verlust bearbeitbar.

Durch die Einkopplung des Laserstrahls in den Flüssig­ keitsstrahl spielt die Strahlqualität des Lasers, welche u. a. durch eine Strahlführung in einem Strahlungsleiter verschlechtert wird, eine untergeordnete Rolle. Hierdurch sinken die Anschaffungskosten des Lasers. Ein Strahlungslei­ ter zur Strahlführung von der Laserquelle zu einem Einkopp­ lungsort innerhalb des Bearbeitungsmoduls löst zudem sämtli­ che Sicherheitsprobleme der Strahlführung für den Benutzer. Bei der konventionellen Strahlfokussierung nur mit einem Fo­ kussiersystem ohne Flüssigkeitsstrahl würde die schlechtere Strahlqualität zu einer noch kürzeren Arbeitslänge führen.

Die Verwendung eines Strahlungsleiters, ausgehend von der Laserquelle, die geringen geometrischen Abmessungen der Einkopplungsanordnung und die nicht mehr benötigte präzise Kontrolle eines Arbeitsabstands zwischen Fokussiereinheit und zu bearbeitender Werkstückoberfläche ergeben eine einfa­ che Verschiebeanordnung des Bearbeitungsmoduls.

Die bei der konventionellen Strahlfokussierung auftre­ tende Gefahr einer Verschmutzung der Fokussieroptik bzw. ei­ nes sie schützenden Schutzglases durch aufspritzendes, abge­ tragenes Material des Werkstücks entfallen. Ferner gewährt die Flüssigkeit des Flüssigkeitsstrahls ein sehr effizientes Kühlen der Bearbeitungszone, so daß keine thermische Bela­ stung des Werkstücks an dessen Bearbeitungskanten auftreten kann. Z. B. kann sich das Material nun auch nicht mehr beim Schneiden schmaler Stege verziehen. Außerdem führt diese Kühlung zu einer nur sehr geringen Aufhärtung der Bearbei­ tungszone, wodurch ein Nachbearbeiten, z. B. ein nachträgli­ ches Gewindeschneiden, einfach durchzuführen ist.

Gleichzeitig wird eine Gas- und Staubentwicklung vermie­ den, da die Flüssigkeit das abgetragene Material bindet. Hierdurch entfallen teure Abluftfilteranlagen.

Es werden ferner Abbranderscheinungen durch die auftref­ fende Flüssigkeit vermieden oder stark verringert. Die Bear­ beitungsqualität ist sehr gut. Auch kann durch eine geeigne­ te Wahl der Flüssigkeit ein Korrosionsschutz bei korrodier­ baren Materialien erreicht werden.

In einem Vergleich zum bekannten Wasserstrahlschneiden von Werkstücken, bei dem ein Wasserstrahl mit zugemischten Abrasivstoffen unter bedeutend höherem Druck in Bezug auf das obige erfinderische Verfahren verwendet wird, kann bei dem hier benötigten geringen Druck ein einfaches Hydraulik­ system mit flexiblen Hydraulikleitungen verwendet werden. Hieraus ergibt sich auch ein einfaches Verschiebesystem des Bearbeitungsmoduls. Des weiteren ist der starke Verschleiß der Düsen, wie er beim Wasserstrahlschneiden auftritt, nicht vorhanden. Auch bereitet das Abbremsen des Flüssigkeits­ strahls bei der Erfindung keinerlei Schwierigkeiten.

Aus dem Stand der Technik ist als Flüssigkeit für den Flüssigkeitsstrahl lediglich Wasser bekannt. Erst durch das Auffangen, Wiederaufbereiten und Wiederverwendung der den Flüssigkeitsstrahl bildenden Flüssigkeit in einem insbeson­ dere geschlossenen Kreislauf konnten aus Preisgründen andere Flüssigkeiten als Wasser verwendet werden.

Mit der Ausbildung der Flüssigkeitszuleitung bzw. -zu­ leitungen flüssigkeitsstauraumfrei im dem Düsenkanal zuge­ ordneten Fokussierkegelspitzenbereich wurde festgestellt werden, daß, sofern das Düsenmaterial und auch die Flüssig­ keit aus elektrisch isolierendem Material bestehen, eine elektrische Aufladung der Flüssigkeit des Strahls erfolgt. Die Aufladung ergibt Spannungen von mehr als 5 kV. Wird nun dieser elektrisch aufgeladene Flüssigkeitsstrahl auf das zu schneidende Material gerichtet, so gibt er seine Ladung an dieses Material ab. Wird nun z. B. Kupfer oder Aluminium mit der in einen Flüssigkeitsstrahl eingekoppelten Strahlung eines Nd:YAG-Lasers bearbeitet, so stellt man fest, daß die Materialabtragungsrate stark von der Aufladung des Strahles abhängt.

Bei einer Strahlung eines gepulsten Nd:YAG-Lasers mit 250 mJ, einer Pulsbreite von 0,1 ms und einem Flüssigkeits­ druck von 10 bar erfolgt lediglich eine äußerst geringe Ma­ terialablation. Wird nun der Flüssigkeitsdruck auf 100 bar gesteigert, so wird eine ausgezeichnet Abtragungsrate er­ zielt. Dieser Flüssigkeitsstrahl mit eingekoppelter Laser­ strahlung erzeugt nun dank seiner elektrischen Aufladung be­ deutend schneller ein Plasma auf dem zu bearbeitenden Mate­ rial, was dessen Abtragungsrate erhöht. Dieser Effekt läßt sich noch weiter steigern durch eine Erhöhung des Druckes auf z. B. 1000 bar bzw. durch eine gezielte elektrische Auf­ ladung der Flüssigkeit vor dem Düseneintritt.

Desweiteren kann die elektrische Aufladung des Flüssig­ keitsstrahls dahingehend genutzt werden, daß dessen Ablen­ kung mit einem benachbarten elektrischen Feld vorgenommen wird.

Im folgenden werden Beispiele der erfindungsgemäßen Vor­ richtung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem nachfolgenden Beschrei­ bungstext. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschema einer Materialbearbeitungsvorrich­ tung,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch den eine Düse für den Flüs­ sigkeitsstrahl aufweisenden Unterteil des Bearbei­ tungsmoduls der Materialbearbeitungsvorrichtung, wo­ bei hier zur Kenntlichmachung der Querschnitt der Flüssigkeitszuleitung 35 zum Düsenstein 43 stark vergrößert dargestellt ist, und

Fig. 3 einen gegenüber Fig. 2 vergrößerten Längsschnitt durch den Düsenstein der Düse sowie die die Flüssig­ keit ohne Stauraum zubringenden Flüssigkeitsleitung.

Die in Fig. 1 dargestellte Materialbearbeitungsvorrich­ tung hat einen ND:YAG Laser 1 als Strahlungsquelle, der einen Laserstrahl 3 mit einer Wellenlänge von 1,064 µm aus­ sendet. Der Laser 1 hat hier eine Leistung von 100 W. Dieser Laserstrahl 3 wird mit einer Fokussiereinheit 5 in einen Strahlungsleiter 6 mit einem typischen Kerndurchmesser von 100 µm bis 600 µm, hier 200 µm, eingekoppelt. Der Kerndurch­ messer des Strahlungsleiters 6 wird entsprechend der zu füh­ renden Strahlungsleistung ausgewählt. Er würde z. B. bei einem 500 W Laser 400 µm und bei einem 1 kW Laser 600 µm be­ tragen. Der Strahlungsleiter 6 ist mit einem horizontal und in der Höhe verstellbaren Bearbeitungsmodul 7 zur Material­ bearbeitung, auch Nozzle genannt, verbunden. Der Laser 1 braucht aufgrund der Strahlungsleitung über den Strahlungs­ leiter 6 nicht in unmittelbarer Nähe des zu bearbeitenden Werkstücks 9 bzw. des Bearbeitungsmoduls 7 angeordnet zu sein.

Unterhalb des Bearbeitungsmoduls 7 ist das zu bearbei­ tende, hier zu schneidende Werkstück 9 angeordnet. Unterhalb des Werkstücks 9 befindet sich ein Auffangbecken 11 für die Flüssigkeit eines durch den hier beispielsweise erzeugten Schnitt strömenden Flüssigkeitsstrahls 12. Die im Auffang­ becken 11 aufzunehmende Flüssigkeit wird mit einem über eine Leitung 13 mit dem Auffangbecken 11 verbundenes Filter 15 gereinigt und dann in ein Reservoir 16 eingeleitet, aus dem sie dann mittels einer Pumpe 17 über eine Leitung 19 zum Be­ arbeitungsmodul 7 zurückgeführt wird. Die Leitung 19 ist am Pumpenausgang über ein Überdruckventil 20 aus Sicherheits­ gründen und zur Druckeinstellung in der Leitung 19 mit dem Reservoir 16 verbunden.

Das Bearbeitungsmodul 7 hat einen Kollimator 21 zur Kol­ limierung der mit dem Strahlungsleiter 6 herangeführten La­ serstrahlung, einen Düsenstein 43 mit einem Düsenkanal 23 zur Formung des gegen den Bearbeitungsort 24 auf dem Werk­ stück 9 gerichteten Flüssigkeitsstrahls 12 sowie eine Fokus­ sierlinse 25 zur Fokussierung des kollimierten Laser­ strahls 27 in die Ebene 29 der Eingangsöffnung 30 am Ort der Düsenachse 31 des Düsenkanals 23 des Düsensteins 43, wie in Fig. 3 vergrößert dargestellt ist. Oberhalb der Düsenein­ gangsöffnung 30 ist ein scheibenförmiger Flüssigkeitszuführ­ raum 35 als Flüssigkeitszuführleitung vorhanden. Der Flüs­ sigkeitszuführraum 35 weist in der Umgebung der Düsenein­ gangsöffnung 30 keinen als Stauraum wirkenden Flüssigkeits­ raum auf. Die Höhe des Flüssigkeitszuführraums 35 müßte the­ oretisch lediglich den halben Querschnitt des Düsenkanals 23 aufweisen. Sie wurde jedoch zur Reduzierung des Rohrrei­ bungsverlusts der Flüssigkeit sowie zur Vermeidung von Ver­ wirbelungen etwas größer gewählt. In die Wandung des Flüs­ sigkeitszuführraums 35 ist oberhalb der Düseneintrittsöff­ nung 30 ein bevorzugt antireflex vergütetes Fenster 36 ein­ gesetzt, durch welches die Laserstrahlung mit der Fokussier­ linse 25 in die Ebene 29 der Eingangsöffnung 30 des Düsenka­ nals 23 fokussierbar ist.

Der Rand 37 der Düseneingangsöffnung 30 ist scharfkantig mit einem Radius kleiner 50 µm, bevorzugt kleiner 5 µm aus­ gebildet. Infolge dieses scharfkantigen Rands 37 bildet sich eine Ablösung des Flüssigkeitsstrahls vom oberen Düsen­ rand 37 mit einem darunterliegenden Luftpolster 39 aus. Da Luft einen kleineren Brechungsindex hat als die üblichen zu verwendenden Düsenmaterialien wie Quarz oder Saphir und auch der Brechungsindex von Luft kleiner ist als derjenige des verwendeten Silikonöls als bevorzugte Flüssigkeit, bildet sich der Flüssigkeitsstrahl 12 als ein nahezu idealer Strah­ lungsleiter aus. Auf die Auswirkungen der unterschiedlichen Brechungsindizes von Düsenmaterial und Flüssigkeit sei auf die Ausführungen in der Beschreibungseinleitung hingewiesen. Die Düsenaustrittsöffnung 40 ist gegenüber der Eintrittsöff­ nung 30, beginnend bereits im oberen Düsenkanaldrittel 41, erweitert. Durch diese Erweiterung 42 wird eine Verwirbelung des im Düsenkanal 23 befindlichen Luftpolsters 39 vermieden.

Der den Flüssigkeitsstrahl 12 formende Düsenkanal 23 des "Düsensteins" 43 ist, wie in Fig. 2 dargestellt, in einem eine zentrische Durchgangsbohrung 45 für den Flüssigkeits­ strahl 12 aufweisenden Düsensteinhalter 46 in einem Boden­ element 47 des Bearbeitungsmoduls 7 gehalten. Die Abdichtung erfolgt seitlich durch einen Dichtring (O-Ring) 49. Die die Flüssigkeit zuführende Leitung 19 ist an einem Flansch 50 anflanschbar.

Das Fenster 36 ist in einer zentrischen Ausnehmung 51 eines Einsatzes 53 angeordnet. Die Abdichtung des Fen­ sters 36 gegenüber dem Einsatz 53 erfolgt ebenfalls mit einem Dichtring 54. Es kann auch eingeklebt werden. Der Ein­ satz 53 weist einen konischen Innenraum 55 auf, dessen Koni­ zität dem Fokussierkegel 56 der mit der Fokussierlinse 25 zu fokussierenden Laserstrahlung angepaßt ist. Der Einsatz 53 hat ferner ein Außengewinde 57a, mit dem er in ein Innenge­ winde 57b eines Grundkörperunterteils 59 des Bearbeitungsmo­ duls 7 eingeschraubt ist. Der Einsatz 53 hat mehrere koaxial verteilte, axiale Flüssigkeitskanäle 61a und 61b, deren Breite derart gewählt ist, daß sie die Flüssigkeit sicher in den Flüssigkeitszuführraum 35 überleiten. Die Höhe des Flüs­ sigkeitszuführraums 35 wird durch die Einschraubtiefe des Einsatzes 53 eingestellt. Die Flüssigkeitskanäle 61a und 61b könnten auch entgegen der Darstellung in Fig. 2 als vom Außengewinde 57a ausgehende Schlitze ausgebildet sein. Die Flüssigkeitskanäle 61a und 61b münden mittels je eines Über­ gangskanals 62a bzw. 62b in einen koaxial zur Düsenachse 31 im Grundkörperunterteil 59 verlaufenden Ringkanal 63, der mit dem Flansch 50 verbunden ist. Der Einsatz 53 ist nach oben durch eine weitere Dichtung 65 abgedichtet. Der Grund­ körperunterteil 59 ist in den nicht explizit dargestellten Grundkörper des Bearbeitungsmoduls 7 über ein Außengewin­ de 66 einschraubbar.

Das Bodenelement 47 weist ein Innengewinde 67a auf, mit dem es auf ein Außengewinde 67b des Grundkörperunterteils 59 aufschraubbar ist. Da der Düsensteinhalter 46 mit dem Düsen­ stein 43 lediglich in das Bodenelement 47 eingesetzt ist, ist ein rasches Auswechseln des Düsensteins 43 möglich, falls z. B. ein Flüssigkeitsstrahl 12 mit einem anderen Strahlquerschnitt verwendet oder er ausgewechselt werden soll.

Anstelle von Wasser und Silikonölen können auch andere Flüssigkeiten sowie (echte bzw. kolloidale) Lösungen von Stoffen gemäß den obigen Bedingungen verwendet werden.

Statt den Flüssigkeitszuführraum 35 scheibenförmig aus­ zubilden, kann er auch kegelförmig mit einem spitzen Halb­ winkel hergestellt werden, wobei der Winkelscheitel (Kegel­ spitze) dann über der Düseneingangsöffnung zu liegen kommt. Das Fenster 36 ist dann keine planparallele Platte mehr, sondern weist an der der Düseneingangsöffnung zugewandten Seite eine Pyramidenspitze und an der entgegengesetzten Sei­ te eine sphärische Kontur auf, um die zerstreuende Wirkung der Pyramidenspitze auszugleichen. Durch diese Ausgestaltung ergibt sich eine bessere Anströmung des Düseneingangs.

Beim Schneiden von Sandwich-Strukturen wird bevorzugt das Werkstück 9 oder das Bearbeitungsmodul 7 nur schrittwei­ se bewegt. Jedes der einzelnen Strukturelemente kann dann nacheinander mit aufeinanderfolgenden Pulsen durchtrennt werden.

Claims (12)

1. Vorrichtung zur Materialbearbeitung mit einem Laser (1) und einem Bearbeitungsmodul (7) zur Formung eines Flüs­ sigkeitsstrahls (12) sowie Einkopplung der mit einer Fo­ kussiereinheit (21, 25) fokussierten Laserstrahlung in diesen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Flüssigkeit mit einem ausreichend kleinen Strahlungsabsorptionskoeffizi­ enten gewählt und/oder die Flüssigkeitsströmgeschwindig­ keit im Strahlengang in Strahlrichtung bis zum Einkop­ pelort, bevorzugt im Spitzenbereich des Fokussierkegels (56) ausreichend hoch vorgegeben ist, damit im Flüssig­ keitsbereich zwischen Fokussieroptik und dem Fokus die Bildung einer thermischen Linse soweit unterdrückbar ist, daß kein wesentlicher Strahlungsteil die Düsenwan­ dung trifft.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitszuführungsleitung bzw. -leitungen (35) im Spitzenbereich des Fokussierkegels (56) im Bereich des Düsenkanals (23) gerade nur so groß ausgebildet ist bzw. sind, wie es der Flüssigkeitsfluß durch den Düsen­ kanal (23) erfordert.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitszuführleitung bzw. -leitungen (35) flüs­ sigkeitsstauraumfrei im dem Düsenkanal (23) zugeordneten Fokussierkegelspitzenbereich ausgebildet ist bzw. sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch eine für die Laserstrahlung transparente, den Flüssig­ keitsfluß nicht verändernde Abdeckung (36) als Wandung der Flüssigkeitszuführleitung bzw. -leitungen (35) in unmittelbarer Nähe des Düsenkanals (23).

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens die mit der Flüssigkeit in Verbindung stehenden Oberflächen des Düsenkanals (23) und des Bereichs der Düsenöffnung (30) sowie die Flüs­ sigkeit elektrisch isolierend sind und die Strömungsge­ schwindigkeit der Flüssigkeit im Bereich der Düsenöff­ nung (30) und des Düsenkanals (23) derart hoch gewählt ist, daß eine elektrische Aufladung des Flüssigkeits­ strahls erfolgt, um die Materialabtragungsrate zu erhö­ hen.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitseintrittsrand (37) des Düsenkanals (23) scharfkantig, bevorzugt mit einem Radius kleiner 50 µm, insbesondere kleiner 5 µm ausge­ bildet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsenaustrittsöffnung (40) ge­ genüber der Eintrittsöffnung (30) erweitert ist und eine Erweiterung des Düsenkanals (23) bevorzugt bereits in dessen oberem Drittel beginnt.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekenn­ zeichnet durch einen Strahlungsleiter (6) zur Zuführung der Laserstrahlung von einem bevorzugt räumlich entfernt sich befindenden Laser (1) zur Fokussiereinheit (21, 25).

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussiereinheit (21, 25) die Laserstrahlung in den Düsenkanal (23), bevorzugt in die Ebene (29) der Eingangsöffnung (30) am Ort der Düsenach­ se (31) des Düsenkanals (23) fokussiert.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit ein Silikonöl, ins­ besondere aus der Gruppe der Polymethylsiloxane ist, und die Laserstrahlung im Wellenlängenbereich zwischen 0,25 µm und 2,1 µm liegt.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekenn­ zeichnet durch ein Auffangbecken (11) zum Auffangen der bei einer Materialbearbeitung aus einem Werkstückdurch­ bruch hindurchtretenden und/oder von dem Werkstück ab­ fließenden Flüssigkeit und eine Pumpe (17) mit einer Filtereinheit (15), mit der die aus dem Auffangbecken (16) abpumpbare Flüssigkeit gereinigt zum Düsenkanal (23) zurückbringbar ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekenn­ zeichnet durch ein Kupplungselement (66, 50), mit dem das Bearbeitungsmodul (7) an eine räumlich veränderbare Verstelleinheit, insbesondere einen Knickarmroboter so­ wie an eine Flüssigkeits- und/oder Strahlungszuführung anbaubar ist.