WO1999056907A1 - Material shaping device with a laser beam which is injected into a stream of liquid - Google Patents

Material shaping device with a laser beam which is injected into a stream of liquid Download PDF

Info

Publication number
WO1999056907A1
WO1999056907A1 PCT/CH1999/000180 CH9900180W WO9956907A1 WO 1999056907 A1 WO1999056907 A1 WO 1999056907A1 CH 9900180 W CH9900180 W CH 9900180W WO 9956907 A1 WO9956907 A1 WO 9956907A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
nozzle
liquid
nozzle channel
radiation
opening
Prior art date
Application number
PCT/CH1999/000180
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Bernold Richerzhagen
Original Assignee
Synova S.A.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Synova S.A. filed Critical Synova S.A.
Priority to CA002330426A priority Critical patent/CA2330426C/en
Priority to KR1020007012090A priority patent/KR100584310B1/en
Publication of WO1999056907A1 publication Critical patent/WO1999056907A1/en

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/12—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring in a special atmosphere, e.g. in an enclosure
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/03—Observing, e.g. monitoring, the workpiece
    • B23K26/032—Observing, e.g. monitoring, the workpiece using optical means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/064—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/064—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
    • B23K26/0643—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms comprising mirrors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/0665—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by beam condensation on the workpiece, e.g. for focusing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/12—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring in a special atmosphere, e.g. in an enclosure
    • B23K26/122—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring in a special atmosphere, e.g. in an enclosure in a liquid, e.g. underwater
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/14—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor
    • B23K26/146—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor the fluid stream containing a liquid

Definitions

  • the invention relates to a method for material processing according to the preamble of patent claim 1 and a material processing device according to the preamble of patent claim 4.
  • Material processing with laser radiation is used in a wide variety of ways for cutting, drilling, welding, marking and generally for material removal.
  • a predetermined intensity of the radiation on the material surface to be processed must be achieved. This high radiation intensity was achieved by focusing the laser radiation at the focal point.
  • the disadvantage here is the small axial extent of the focal point (beam waist) in which this high intensity was achieved. Should make deep cuts or holes - 2 -
  • the location of the focus point had to be observed very precisely or even adjusted.
  • the beam tapers conically towards the focal point. I.e. In particular when cutting deep, enough material had to be removed from the surface that the conical jet could penetrate to the machining location. Deep cuts or holes therefore always had to be created with sloping side walls.
  • EP-A 0 515 983 now tried to avoid these disadvantages by constructing an optical unit with a water jet-shaping nozzle block.
  • a water accumulation chamber with a water inlet and a focusing lens that closes off the chamber from the nozzle inlet for focusing the laser radiation.
  • the location and focal length of the focusing lens were chosen in such a way that the focal point of the laser radiation came to lie in the axial center within the nozzle channel. It was now shown in the machining operation that the nozzle was extremely quickly damaged by the laser radiation, as a result of which the radiation could no longer be formed properly.
  • the object of the invention is to provide a method for material processing and a material processing device with a laser beam coupled into a liquid jet, with which or with which material processing with a long machine running time is ensured.
  • a machining interruption should only take place after specified service intervals.
  • An unpredictable interruption, in particular as a result of damage to the nozzle block forming the liquid jet, should be ruled out.
  • FIG. 1 shows a cross section through an optical unit of the material processing device according to the invention
  • FIG. 2 shows a longitudinal section through the optical unit shown in FIG. 1 with an enlarged representation of the liquid feeds to the liquid jet-shaping nozzle block, - 4 -
  • FIG. 3 shows a longitudinal section through the nozzle block shown in FIG. 2 and held in a nozzle holder
  • Fig. 4 shows a cross section along the line IV - IV in Figure 2 and
  • FIG. 5 shows an enlargement for illustration in FIG. 3, which shows in particular the generation and guidance of the liquid jet in the nozzle channel.
  • the optical unit 1 of the material processing device according to the invention is connected to a laser radiation source 6 by means of a radiation conductor 3 via a radiation conductor plug 5.
  • the radiation source 6 is only shown symbolically here. It is a high-power laser such as an Nd: YAG laser.
  • the radiation 7 emerging from the radiation conductor 3 in the plug 5 is collimated with a collimator 9 to form a beam 10.
  • the beam 10 is guided to a beam expansion unit 11. With the beam expansion unit 11, the diameter of the incoming beam 10 can be changed to that of the emerging beam 13, i. H. expandable. A diameter factor of two to eight is provided for the beam expansion.
  • This expansion ratio permits a variation of the beam waist 15 (diameter of the focal point) of the laser beam 13 described below.
  • the beam expansion factor of the beam expansion unit can be changed by a motor by signals from an adjusting unit (not shown) (“motorized beam expander”).
  • the expanded beam 13 is then provided with a deflecting mirror 17 deflected by 90 ° and directed to a focusing lens 23 as a focusing unit with a further deflection mirror 21 having an adjusting unit 19.
  • the mode of operation and use of the adjusting unit 19 is described below.
  • the theoretical focal point of the focusing optics 23 does not necessarily have to coincide with the beam waist 15 of the focused laser beam 13. A deviation of both locations is given by a beam divergence of the laser beam 13, which u. a. can be influenced with the beam expansion unit 11.
  • a nozzle block 27 with a nozzle channel 29 is used to form a liquid jet 25.
  • the focusing optics 23 and the beam expansion unit 11 are set or arranged such that the beam waist 15 of the focused beam 13 comes to rest in the nozzle channel input plane 30 of the nozzle channel opening 28.
  • FIGS. 2 to 5 show the immediate area around the entrance to the liquid jet-shaping nozzle channel 29.
  • the nozzle block 27 is shown in a further enlarged view in FIG. 3 compared to FIG. 2.
  • the nozzle channel 29 is designed to be circular-cylindrical.
  • the nozzle block 27 is made of a material that is transparent to the laser radiation (here with a wavelength of 1.06 ⁇ m) and is mechanically hard, such as quartz. However, since it is extremely small, it can also consist of diamond.
  • a nozzle block 27 made of diamond has a longer service life than one made of quartz, the end of the service life being noticeable by a liquid jet 25 which bubbles up after a short liquid jet length.
  • the nozzle block does not necessarily have to be made of a material which is transparent to the laser radiation in order to take advantage of the conditions of total reflection on the nozzle channel wall. It can also consist of a non-transparent, radiation-absorbing material, provided that the nozzle channel wall is provided with a coating which reflects the laser radiation and which should be abrasion-resistant to the liquid jet. In the case of a non-transparent nozzle stone material, the nozzle surface should also have a reflective coating (protection in the event of adjustment errors) and also the underside of the nozzle stone (protection against radiation which is reflected by the workpiece or the plasma cloud on the workpiece).
  • the nozzle block 27 is inserted into a nozzle holder 33.
  • the transition 34 between the nozzle holder 33 and the nozzle block 27 is designed such that there is no step. A step would also produce fluid vortices which would continue into the fluid jet 25 formed with the nozzle channel 29.
  • the nozzle block 27 shown in FIG. 3 has an outside diameter of 2 mm and a height of 0.9 mm. A copy made of a diamond is still within a reasonable cost range with this size.
  • the liquid jet-shaping nozzle channel 29 is circular-cylindrical, here for example with a diameter of 150 ⁇ m and a length of approximately 300 ⁇ m.
  • the length of the nozzle channel 29 should not be greater than twice the diameter of the nozzle channel.
  • a conically widened opening 26 adjoins the outlet of the nozzle channel 29.
  • the cone tip angle here is eighty degrees.
  • the inner jacket 35 of this cone continues in the nozzle holder 33.
  • the conical design of the inner jacket 35 facilitates the application of a reflective coating, in no way disturbs the liquid jet and, by virtue of its inclination, reinforces the reflection behavior for possibly from the liquid jet 25 as a result of mechanical inhomogeneities (shock wave, impurities which have slipped despite filtering ...) emerging radiation.
  • the cone angle is chosen so large that radiation emerging from the liquid jet does not hit it at all or only at a very flat angle.
  • the liquid supply to the nozzle channel 29 takes place via a narrow, disk-shaped interior 36, the height of which corresponds approximately to half the diameter of the nozzle channel 29.
  • the diameter of the interior 36 corresponds to the diameter of the nozzle holder 33.
  • feed lines 37 are round in cross section, the adjacent side walls of which merge into one another when they open into the interior 36.
  • This arrangement of the supply lines 37 supports a vortex-free (radial) liquid supply to the nozzle channel 27.
  • a pressure-reducing filter 39 is arranged on the inlet side of the supply lines 37.
  • An annular space 40 adjoins this filter 39 and is supplied with liquid via a supply line 41.
  • the filter 39 serves to generate a uniform liquid pressure in the twenty supply lines 37, as a result of which there is a symmetrical liquid flow towards the nozzle inlet.
  • the supply line 41 takes place on only one side, the feed lines 37 adjacent to the supply line 41 would have a higher pressure than the opposite ones without a filter 39. Tangential flow components in the region of the nozzle channel opening 28 cannot therefore develop. So that the laser radiation can penetrate to the nozzle inlet opening, the disk-shaped interior 36 is covered in a liquid-tight manner with a cover 43 which is transparent for the laser radiation used. - 7 -
  • the low height of the interior 36 gives the liquid a high flow rate. As a result of the high flow rate, heating of the liquid in the focusing cone 38 by the laser radiation penetrating it is excluded (or greatly reduced). Due to the configuration described above, the disk-shaped interior 36 is such that, in particular in the radiation focusing cone 38 of the laser radiation, no liquid stowage space, which would favor the formation of a thermal lens preferably by radiation absorption, cannot form. A thermal lens would make it impossible to focus the laser beam properly and in the center (axis 32) of the nozzle channel opening 28. The presence of a thermal lens would result in poorer focusing of the radiation since the thermal lens acts as a diverging lens. The laser radiation would hit the opening edge of the nozzle and / or the nozzle surface and thus damage it. Furthermore, the thermal lens formed by heating the liquid would not be stable in place. An optimal radiation coupling into the liquid jet 25 would then no longer exist.
  • the inner wall 35 is conical and provided with a reflective coating.
  • the laser radiation emerging as a result of irregularities in the surface of the liquid jet jacket is thus reflected here and cannot penetrate through the nozzle block 27 to the materials to be absorbed. If the workpiece 45 is pierced or cut through, there are no or shock waves with only minimal energy.
  • the insert 48 receiving the transparent cover 43 has a groove 54 which runs around its outer jacket and which opens into a control bore 50. If there is liquid in the control bore 50, the sealing ring 58a has become leaky. If the sealing ring 58b now also leaked, liquid could reach the surface 60 of the transparent cover 43, which would lead to a severe impairment in the focusing and guiding of the laser beam. To avoid this, the sealing rings 58a and 58b are replaced whenever liquid is registered in the control bore 50.
  • a force sensor 47 is arranged below the workpiece 45 to be machined.
  • the position of the force sensor 47 is selected such that it emits a maximum electrical signal to a control device 49 when it is hit completely by the liquid jet 25 (without deflection).
  • the force sensor 47 is in the geometric axis 32 of the - 9 -
  • Liquid jet 25 arranged. If the liquid jet 25 strikes a still unprocessed workpiece 45 with the laser beam coupled in, then no signal is present, since the workpiece 45 first has to be pierced by the jet 25. If the workpiece 45 has already been drilled through or has an incision through which the beam 25 passes, then the beam 25 strikes the slot side or borehole wall when the workpiece 45 is moved. In this case, only a part of the beam 25 still hits the force sensor 47. The signal emitted to the control device 49 is smaller than when the beam 25 is fully incident. The degree of material removal can thus be determined with the force sensor 47.
  • the control device 49 is also connected to a displacement device of the workpiece 45.
  • the displacement device is only symbolically indicated in FIG. 1 by two double arrows in the horizontal directions x and y 51a and 51b, which are intended to indicate a flat, two-dimensional displacement possibility.
  • the control device 49 now controls the displacement speed of the workpiece 45 according to a predetermined cutting pattern in the two directions 51a and 51b.
  • the force sensor 47 can thus regulate the feed of the workpiece 45 to be machined in an energy-optimized manner, in which the workpiece 45 is always moved when sufficient material removal has been achieved.
  • the control device 49 is also connected to the radiation source 6.
  • the laser output power can thus also be set as a function of the measured value of the force sensor and the workpiece displacement speed. If, for example, a step mode for workpiece displacement is used in a pulsed laser, the laser emits a number of pulses at one point before the workpiece 45 is moved on by one step.
  • the step mode can, for example, take place with a step repetition frequency of 100 Hz.
  • the optical unit has means for optimal adjustment and monitoring of the position of the laser beam waist (focal point of the radiation) with respect to the nozzle inlet opening or the axis 32 of the nozzle channel 29.
  • the radiation 52 of a white light source 53 is superimposed on the expanded laser beam 13. This is done with the deflection mirror 17.
  • the deflection mirror 17 reflects the laser radiation completely, but transmits the white light radiation 52 from the white light source 53 located behind it.
  • the radiation from the source 53 is guided together with the laser radiation via the deflecting mirror 21 into the focusing unit 23 and, with correct optical alignment, is focused in the nozzle inlet plane 30 at the location of the axis 32.
  • the deflection mirror 21 is partially transparent to the white light radiation 52. To check the correct beam adjustment, only the radiation from source 53 is used without a laser beam. If there is a misalignment, the white light radiation focused with the focusing unit 23 illuminates the nozzle edge 31 or its surroundings. The surface surrounding area of the nozzle inlet opening is viewed with a video camera 55 via a telescope 56 and the deflecting mirror 21, which is partially transparent to the white light radiation.
  • the white light experiences a beam displacement as it passes through the deflecting mirror 21 due to its thickness. This beam displacement is corrected by a plane-parallel glass plate 57.
  • the deflecting mirror 21 can be tilted by an adjustment unit 19.
  • the deflection mirror 21 is now tilted with the adjusting elements in such a way that the focal point of the white light beam comes to lie symmetrically to the location of the channel axis 32.
  • the deflecting mirror 21 is tilted until a radiation reflex can be detected at the nozzle channel edge 31, and then is tilted in the opposite direction while measuring the tilt angle ( ⁇ displacement path of the jet on the nozzle channel opening) until on on the opposite nozzle channel edge 31, a radiation reflex of the same reflected intensity can also be determined, followed by a renewed tilting movement with half the tilt angle.
  • the focal point now lies in a plane which contains the nozzle channel axis 32. To align with the location of the channel axis 32, a further analog beam axis setting is now made perpendicular to the previous tilt direction.
  • the white light source 53 can be dispensed with if the deflecting mirror 21 is made slightly transparent (approximately 2%) for the radiation from the laser source 6.
  • the telescope and the glass plate 57 must then also be designed and non-reflective for the laser radiation.
  • the video camera 55 must be provided with a chip that is sensitive to the laser radiation.
  • the laser radiation is then reflected from the nozzle edge or its surroundings.
  • the reflected radiation is then viewed via the telescope with the video camera 55 and an adjustment is made via the above-mentioned adjustment unit 19 and the beam expansion unit 11.
  • the adjustment is carried out with reduced laser power. Since the laser beam properties can change at high beam intensities compared to those at lower power, the deflection mirror 21 and possibly the beam expansion unit 11 are started to be adjusted while continuously increasing the laser power.
  • the output lens of the beam expansion unit 11 can now be adjusted such that the diameter of the beam waist of the laser beam 13 is increased until the nozzle channel edge 31 (ie the nozzle channel opening 28) is illuminated uniformly. Only with uniform lighting has a central alignment been achieved beforehand.
  • the exit lens of the beam expansion unit 11 is now shifted in the opposite direction until a uniform nozzle opening edge illumination occurs again.
  • the intermediate position then results in a setting for optimal focusing on the nozzle channel entrance plane, the focused beam being symmetrical about the channel axis 32.
  • water can be used as the liquid for the liquid jet. Water has a low radiation absorption at 1.06 ⁇ m.
  • a silicone oil in particular from the group of the polymethylsiloxanes, is therefore preferably used in certain applications. If water is used as the liquid, then laser radiation should be used which has an absorption of less than 0.2 cm "1 , preferably less than 0.15 cm 1.
  • the liquid jet is used If radiation with a higher absorption is used, the liquid jet is used If the radiation absorption in the liquid is high, evaporation effects can occur, for example, the formation of the thermal lens at the focal point before the nozzle entry cannot be sufficiently suppressed even when the flow is optimized, resulting in low absorption values for water as the liquid used with radiation in the wavelength range from 150 nm to 1100 nm, preferably from 190 nm to 920 nm and between 1040 nm and 1080 nm (in the range around 1000 nm there is an absorption peak). It is therefore preferred to use diode lasers, YAG lasers, frequency-doubled YAG - Lasers, excimer lasers and copper vapor lasers can be used.
  • a YAG laser has, for example - 12 -
  • the radiation can be continuous or pulsed.
  • the liquid can cool cut edges produced using the method explained above. Heat generated by absorbed radiation in the liquid jet is also dissipated. Because water has a very high heat capacity, high radiation powers can be pulsed into the liquid jet.
  • a Nd'.YAG laser and water as the liquid, up to 20 kW pulse power with pulse lengths of 20 to 500 ⁇ s, an average power of 600 W and a pulse rate of up to 5 kHz are coupled in.
  • quality-switched Nd YAG lasers (Q-switched YAG) with pulse lengths of typically 50 to 250 ns with an average power of 20 to 120 W and a pulse rate of up to 60 kHz can also be used. It is also possible to use mode-coupled lasers with pulse lengths in the femtosecond range. Continuously radiating lasers (e.g. cw YAG) can also be used. Here, however, the average power is limited by the lack of radiation interruption. Then only about 700 W radiation power of an Nd: YAG laser can be coupled into an 80 ⁇ m thick water jet. At higher laser power densities, the water would heat up so much due to the radiation absorption that evaporation would start from a certain beam length. This would cause the beam to drip; proper radiation control would no longer exist.
  • the nozzle block 27 described above was produced from quartz or diamond, that is to say from a material transparent to the laser radiation.
  • the nozzle outlet and also the adjoining wall of the nozzle holder 33 were conical and were mirrored for the laser radiation.
  • the nozzle block 27 can now also be produced from a material that strongly reflects the laser radiation.
  • a gold nozzle block can be used for a laser radiation of 1.06 ⁇ m. Since pure gold is too soft, traces of copper and silver must be added to achieve a hardness of 150 to 225 HV.

Abstract

The invention relates to a method and device for shaping material of work pieces (45) using a laser beam which is injected into a stream of liquid (25). The liquid which is to be formed into a stream (25) by a nozzle channel (29) is fed to the nozzle channel opening (28) such that the flow does not swirl, especially without flow components which are tangential to the nozzle channel axis (32). The laser irradiation is focussed on the channel entry plane (30) and the liquid is fed to the channel opening (28) in such a way that a liquid retention space is avoided in the beam focussing ball (38) and in the immediate surroundings thereof.

Description

Materialbearbeitungsvorrichtung mit einem in einen Flüssigkeitsstrahl eingekop- pelten Laserstrahl Material processing device with a laser beam coupled into a liquid jet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Materialbearbeitung gemass dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Materialbearbeitungsvorrichtung gemass dem Oberbegriff des Patentanspruchs 4.The invention relates to a method for material processing according to the preamble of patent claim 1 and a material processing device according to the preamble of patent claim 4.
Stand der TechnikState of the art
Eine Materialbearbeitung mit Laserstrahlung wird in vielfältigster Weise zum Schneiden, Bohren, Schweissen, Markieren und allgemein zur Materialabtragung eingesetzt. Damit ein Materialabtrag initiiert werden kann, muss eine vorgegebene Intensität der Strahlung auf der zu bearbeitenden Materialoberfläche erreicht werden. Diese hohe Strahlungsin- tensität wurde durch Fokussierung der Laserstrahlung im Fokuspunkt erreicht. Nachteilig hierbei ist jedoch die kleine axiale Ausdehnung des Fokuspunkts (Strahltaille), in der diese hohe Intensität erreicht wurde. Sollten tiefe Schnitte oder Bohrungen vorgenommen - 2 -Material processing with laser radiation is used in a wide variety of ways for cutting, drilling, welding, marking and generally for material removal. In order to initiate material removal, a predetermined intensity of the radiation on the material surface to be processed must be achieved. This high radiation intensity was achieved by focusing the laser radiation at the focal point. The disadvantage here, however, is the small axial extent of the focal point (beam waist) in which this high intensity was achieved. Should make deep cuts or holes - 2 -
werden, musste der Ort des Fokuspunktes sehr genau eingehalten oder sogar auch nachgeführt werden. Der Strahl verjüngt sich zum Fokuspunkt hin kegelförmig. D. h. insbesondere beim tiefen Schneiden musste beginnend auf der Oberfläche auch immer soviel Material abgetragen werden, dass der kegelförmige Strahl auch bis zum Bearbei- tungsort vordringen konnte. Tiefe Schnitte oder Bohrungen mussten somit immer mit schrägen Seitenwänden angelegt werden., the location of the focus point had to be observed very precisely or even adjusted. The beam tapers conically towards the focal point. I.e. In particular when cutting deep, enough material had to be removed from the surface that the conical jet could penetrate to the machining location. Deep cuts or holes therefore always had to be created with sloping side walls.
Zur Vermeidung der Fokuspunkt-Nachführung und zur Vornahme schmaler Schnitte und Bohrungen mit annähernd senkrechten Seitenwänden wurde nun in der in der EP-A 0 515 983, der DE-A 36 43 284 und der WO 95/32834 vorgeschlagen, Laserstrah- lung in einen auf das zu bearbeitende Werkstück gerichteten Flüssigkeitsstrahl als Lichtleiter einzukuppeln.In order to avoid the focus point tracking and to make narrow cuts and bores with approximately vertical side walls, laser radiation has now been proposed in EP-A 0 515 983, DE-A 36 43 284 and WO 95/32834 to couple the liquid jet directed onto the workpiece to be machined as a light guide.
Bei der DE-A 36 43 284 wurde die Laserstrahlung mit einer Glasfaser zugeführt. Das Ende dieser Glasfaser wurde von einem Wasserstrahl, der auf das zu bearbeitende Werkstück gerichtet war, umspült. Die bekannte Vorrichtung hatte den Nachteil, dass der Durchmesser des Wasserstrahls niemals kleiner sein konnte als derjenige der die Laserstrahlung zuführenden Glasfaser. Ein weiterer Nachteil ergab sich durch ein Totwassergebiet unterhalb des Glasfaserendes, welches u.a. Störungen in der Wasserstrahlströmung erzeugte, was letztendlich zu dessen raschem Zertropfen führte.In DE-A 36 43 284, the laser radiation was supplied with a glass fiber. The end of this glass fiber was washed by a water jet, which was aimed at the workpiece to be machined. The known device had the disadvantage that the diameter of the water jet could never be smaller than that of the glass fiber supplying the laser radiation. Another disadvantage was a dead water area below the glass fiber end, which among other things Generated disturbances in the water jet flow, which ultimately led to its rapid dropping.
Die EP-A 0 515 983 versuchte nun diese Nachteile zu vermeiden, in dem eine Optik- einheit mit einem wasserstrahlformenden Düsenstein konstruiert wurde. Vor der den Wasserstrahl formenden Düse befand sich eine Wasserstaukammer mit einem Was- sereinlass und einer die Kammer gegenüber dem Düseneintritt abschliessenden Fokus- sierlinse zur Fokussierung der Laserstrahlung. Ort und Brennweite der Fokussierlinse waren derart gewählt, dass der Fokuspunkt der Laserstrahlung in der axialen Mitte in- nerhalb des Düsenkanals zu liegen kam. Es zeigte sich nun im Bearbeitungsbetrieb, dass die Düse durch die Laserstrahlung äusserst rasch beschädigt wurde, wodurch eine einwandfreie Strahlungsformung nicht mehr gegeben war.EP-A 0 515 983 now tried to avoid these disadvantages by constructing an optical unit with a water jet-shaping nozzle block. In front of the nozzle forming the water jet was a water accumulation chamber with a water inlet and a focusing lens that closes off the chamber from the nozzle inlet for focusing the laser radiation. The location and focal length of the focusing lens were chosen in such a way that the focal point of the laser radiation came to lie in the axial center within the nozzle channel. It was now shown in the machining operation that the nozzle was extremely quickly damaged by the laser radiation, as a result of which the radiation could no longer be formed properly.
Eine Verbesserung der Laserstrahleinkopplung in den Flüssigkeitsstrahl wurde in der WO 95/32834 vorgenommen, in dem der Fokuspunkt der einzukoppelnden Laserstrah- lung in die Ebene der Düsenöffnung gelegt und die Wasserstaukammer vor der Düsen- - 3 -An improvement in the laser beam coupling into the liquid jet was made in WO 95/32834, in which the focal point of the laser beam to be coupled is placed in the plane of the nozzle opening and the water accumulation chamber in front of the nozzle - 3 -
öffnung eliminiert wurde. Auch bei dieser Anordnung ergaben sich während des Materialbearbeitungsbetriebs Beschädigungen an der Düse.opening has been eliminated. This arrangement also resulted in damage to the nozzle during the material processing operation.
Aufgabe der ErfindungObject of the invention
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Materialbearbeitung sowie eine Material- bearbeitungsvorrichtung mit einem in einen Flüssigkeitsstrahl eingekoppelten Laserstrahl zu schaffen, mit dem bzw. bei der eine Materialbearbeitung mit einer langen Maschinenlaufzeit gewährleistet ist. Ein Bearbeitungsunterbruch soll nur nach vorgegebenen Serviceintervallen erfolgen. Eine nicht vorhersehbare Unterbrechung, insbesondere infolge einer Beschädigung des den Flüssigkeitsstrahl formenden Düsensteins, soll ausge- schlössen sein.The object of the invention is to provide a method for material processing and a material processing device with a laser beam coupled into a liquid jet, with which or with which material processing with a long machine running time is ensured. A machining interruption should only take place after specified service intervals. An unpredictable interruption, in particular as a result of damage to the nozzle block forming the liquid jet, should be ruled out.
Lösung der AufgabeSolution of the task
Die Lösung der Aufgabe für das erfindungsgemässe Verfahren ist durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 und für die erfindungsgemässe Materialbearbeitungsvorrichtung durch die Merkmale des Patentanspruchs 4 beschrieben. Erfindungsgemäss wird darauf geachtet, dass einerseits die in den Flüssigkeitsstrahl einzukoppelnde Strahlung in die Düseneintrittsebene des flüssigkeitsformenden Düsenkanals fokussiert wird und die Flüssigkeit zum Düseneintritt schnellfliessend (flüssigkeits- stauraumfrei) und flüssigkeitswirbelfrei zugeführt wird. Durch diese drei Forderungen zusammen wird eine entsprechende Ausgestaltung einer unten beschriebenen Optikein- heit erfüllt.The solution to the problem for the method according to the invention is described by the features of patent claim 1 and for the material processing device according to the invention by the features of patent claim 4. According to the invention, care is taken that, on the one hand, the radiation to be coupled into the liquid jet is focused into the nozzle entry plane of the liquid-shaping nozzle channel, and the liquid is supplied to the nozzle entry in a fast-flowing manner (free of liquid storage space) and free of fluid swirls. These three requirements together meet a corresponding configuration of an optical unit described below.
Ausführungsbeispiele der ErfindungEmbodiments of the invention
Im folgenden werden Beispiele des erfindungsgemässen Verfahrens und der erfindungsgemässen Vorrichtung anhand von Figuren näher erläutert. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem nachfolgenden Beschreibungstext. Es zeigen: Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Optikeinheit der erfindungsgemässen Materialbearbeitungsvorrichtung,In the following, examples of the method according to the invention and the device according to the invention are explained in more detail with reference to figures. Further advantages of the invention result from the following description. 1 shows a cross section through an optical unit of the material processing device according to the invention,
Fig. 2 einen Längsschnitt durch die in Figur 1 dargestellte Optikeinheit mit einer vergrö- sserten Darstellung der Flüssigkeitszuführungen zum flüssigkeitsstrahlformenden Düsenstein, - 4 -2 shows a longitudinal section through the optical unit shown in FIG. 1 with an enlarged representation of the liquid feeds to the liquid jet-shaping nozzle block, - 4 -
Fig. 3 einen Längsschnitt durch den in Figur 2 dargestellten, in einer Düsenfassung gehaltenen Düsenstein,3 shows a longitudinal section through the nozzle block shown in FIG. 2 and held in a nozzle holder,
Fig. 4 einen Querschnitt entlang der Linie IV - IV in Figur 2 undFig. 4 shows a cross section along the line IV - IV in Figure 2 and
Fig. 5 eine Vergrösserung zur Darstellung in Figur 3, welche insbesondere die Erzeu- gung und Führung des Flüssigkeitsstrahls im Düsenkanal zeigt.FIG. 5 shows an enlargement for illustration in FIG. 3, which shows in particular the generation and guidance of the liquid jet in the nozzle channel.
Die in Figur 1 mit einem Querschnitt dargestellte Optikeinheit 1 der erfindungsgemässen Materialbearbeitungsvorrichtung ist mittels eines Strahlungsleiters 3 über einen Strahlungsleiterstecker 5 mit einer Laserstrahlungsquelle 6 verbunden. Die Strahiungsquelle 6 ist hier lediglich symbolisch dargestellt. Sie ist ein Hochleistungslaser wie beispielsweise ein Nd:YAG-Laser. Die aus dem Strahlungsleiter 3 im Stecker 5 austretende Strahlung 7 wird mit einem Kollimator 9 zu einem Strahl 10 kollimiert. Der Strahl 10 wird zu einer Strahlaufweitungseinheit 11 geführt. Mit der Strahlaufweitungseinheit 11 ist der Durchmesser des eintretenden Strahls 10 zu demjenigen des austretenden Strahls 13 verän- derbar, d. h. aufweitbar. Für die Strahlaufweitung ist hier ein Durchmesserfaktor von zwei bis acht vorgesehen. Dieses Aufweitungsverhältnis erlaubt eine Variation der unten beschriebenen Strahltaille 15 (Durchmesser des Fokuspunktes) des Laserstrahls 13. Der Strahlaufweitungsfaktor der Strahlaufweitungseinheit ist motorisch durch Signale einer nicht dargestellten Verstelleinheit veränderbar („motorisierter Strahlaufweiter"). Der auf- geweitete Strahl 13 wird dann mit einem Umlenkspiegel 17 um 90° umgelenkt und mit einem weiteren, eine Verstelleinheit 19 aufweisenden Umlenkspiegel 21 auf eine Fokus- sieroptik 23 als Fokussiereinheit gelenkt. Die Wirkungsweise und Verwendung der Verstelleinheit 19 ist unten beschrieben.The optical unit 1 of the material processing device according to the invention, shown with a cross section in FIG. 1, is connected to a laser radiation source 6 by means of a radiation conductor 3 via a radiation conductor plug 5. The radiation source 6 is only shown symbolically here. It is a high-power laser such as an Nd: YAG laser. The radiation 7 emerging from the radiation conductor 3 in the plug 5 is collimated with a collimator 9 to form a beam 10. The beam 10 is guided to a beam expansion unit 11. With the beam expansion unit 11, the diameter of the incoming beam 10 can be changed to that of the emerging beam 13, i. H. expandable. A diameter factor of two to eight is provided for the beam expansion. This expansion ratio permits a variation of the beam waist 15 (diameter of the focal point) of the laser beam 13 described below. The beam expansion factor of the beam expansion unit can be changed by a motor by signals from an adjusting unit (not shown) (“motorized beam expander”). The expanded beam 13 is then provided with a deflecting mirror 17 deflected by 90 ° and directed to a focusing lens 23 as a focusing unit with a further deflection mirror 21 having an adjusting unit 19. The mode of operation and use of the adjusting unit 19 is described below.
Es sei darauf hingewiesen, dass der theoretische Brennpunkt der Fokussieroptik 23 nicht unbedingt mit der Strahltaille 15 des fokussierten Laserstrahls 13 zusammenfallen muss. Eine Abweichung beider Orte ist durch eine Strahldivergenz des Laserstrahls 13 gegeben, welche u. a. mit der Strahlaufweitungseinheit 11 beeinflussbar ist.It should be pointed out that the theoretical focal point of the focusing optics 23 does not necessarily have to coincide with the beam waist 15 of the focused laser beam 13. A deviation of both locations is given by a beam divergence of the laser beam 13, which u. a. can be influenced with the beam expansion unit 11.
Zur Formung eines Flüssigkeitsstrahls 25 wird ein Düsenstein 27 mit einem Düsenkanal 29 verwendet. Die Fokussieroptik 23 und die Strahlaufweitungseinheit 11 sind derart eingestellt bzw. angeordnet, dass die Strahltaille 15 des fokussierten Strahles 13 in der Düsenkanaleingangsebene 30 der Düsenkanalöffnung 28 zu liegen kommt. Die Düsen- - 5 -A nozzle block 27 with a nozzle channel 29 is used to form a liquid jet 25. The focusing optics 23 and the beam expansion unit 11 are set or arranged such that the beam waist 15 of the focused beam 13 comes to rest in the nozzle channel input plane 30 of the nozzle channel opening 28. The nozzle - 5 -
kanaleingangsebene 30 setzt sich beidseits in die Oberfläche des Düsensteins 27 fort. Den unmittelbaren Bereich um den Eingang in den flüssigkeitsstrahlformenden Düsenkanal 29 herum zeigen die Figuren 2 bis 5. Den Düsenstein 27 zeigt in einer gegenüber Figur 2 nochmals vergrösserten Darstellung Figur 3. Der Düsenkanal 29 ist kreiszylin- drisch ausgebildet. Der Düsenstein 27 ist aus einem für die Laserstrahlung (hier mit einer Wellenlänge von 1 ,06 μm) transparentem und mechanisch hartem Material, wie beispielsweise Quarz. Er kann aber auch, da er äusserst klein ausgebildet ist, aus Diamant bestehen. Ein Düsenstein 27 aus Diamant hat gegenüber eineirtaus Quarz eine grösse- re Lebensdauer, wobei das Ende der Lebensdauer sich durch einen bereits nach kurzer Flüssigkeitsstrahllänge aufperlenden Flüssigkeitsstrahl 25 bemerkbar macht.channel entrance plane 30 continues on both sides into the surface of the nozzle block 27. FIGS. 2 to 5 show the immediate area around the entrance to the liquid jet-shaping nozzle channel 29. The nozzle block 27 is shown in a further enlarged view in FIG. 3 compared to FIG. 2. The nozzle channel 29 is designed to be circular-cylindrical. The nozzle block 27 is made of a material that is transparent to the laser radiation (here with a wavelength of 1.06 μm) and is mechanically hard, such as quartz. However, since it is extremely small, it can also consist of diamond. A nozzle block 27 made of diamond has a longer service life than one made of quartz, the end of the service life being noticeable by a liquid jet 25 which bubbles up after a short liquid jet length.
Der Düsenstein muss nicht unbedingt aus einem für die Laserstrahlung transparenten Material bestehen, um die Bedingungen der Totalreflexion an der Düselkanalwand auszunutzen. Es kann auch aus einem nicht transparenten, Strahlungsabsorbierenden Material bestehen, sofern die Düsenkanalwandung mit einer die Laserstrahlung reflektie- renden Beschichtung versehen ist, welche abrassivresistent gegenüber dem Flüssigkeitsstrahl sein sollte. Bei einem nicht transparenten Düsensteinmaterial sollte auch die Düsenoberfläche reflektierend beschichtet sein (Schutz bei Justagefehlern) sowie auch die Düsensteinunterseite (Schutz vor Strahlung, welche vom Werkstück oder der Plasmawolke auf dem Werkstück zurückgeworfen wird). Der in Figur 3 dargestellte Düsenstein 27 hat eine ebene Oberfläche 30, zu der die Achse 32 des Düsenkanals 29 senkrecht verläuft. Der Rand 31 an der Düsenkanalöff- nung 28 zwischen der Oberfläche 30 und der Kanalwand ist scharfkantig ausgebildet und weist bevorzugt einen Radius kleiner 5μm auf. Dieser abgerundete Rand 31 ist eine von weiteren, unten beschriebenen Voraussetzungen zur Erzeugung eines Flüssigkeits- Strahls 25 mit einer grossen Flüssigkeitsstrahllänge. Er unterdrückt nämlich die Bildung von Flüssigkeitsverwirbelungen. Der Düsenstein 27 ist in eine Düsenfassung 33 eingesetzt. Der Übergang 34 zwischen Düsenfassung 33 und Düsenstein 27 ist derart ausgebildet, dass keine Stufe vorhanden ist. Eine Stufe würde ebenfalls Flüssigkeitswirbel erzeugen, welche sich in den mit dem Düsenkanal 29 gebildeten Fiüssigkeitsstrahl 25 hin- ein fortsetzen würden. Der in Figur 3 dargestellte Düsenstein 27 hat einen Aussen- durchmesser von 2 mm und eine Höhe von 0,9 mm. Eine Ausfertigung aus einem Diamanten hält sich bei dieser Grössenordnung noch in einem vertretbaren Kostenrahmen. - 6 -The nozzle block does not necessarily have to be made of a material which is transparent to the laser radiation in order to take advantage of the conditions of total reflection on the nozzle channel wall. It can also consist of a non-transparent, radiation-absorbing material, provided that the nozzle channel wall is provided with a coating which reflects the laser radiation and which should be abrasion-resistant to the liquid jet. In the case of a non-transparent nozzle stone material, the nozzle surface should also have a reflective coating (protection in the event of adjustment errors) and also the underside of the nozzle stone (protection against radiation which is reflected by the workpiece or the plasma cloud on the workpiece). The nozzle block 27 shown in FIG. 3 has a flat surface 30, to which the axis 32 of the nozzle channel 29 extends perpendicularly. The edge 31 on the nozzle channel opening 28 between the surface 30 and the channel wall is sharp-edged and preferably has a radius of less than 5 μm. This rounded edge 31 is one of further requirements described below for generating a liquid jet 25 with a large liquid jet length. It suppresses the formation of fluid swirls. The nozzle block 27 is inserted into a nozzle holder 33. The transition 34 between the nozzle holder 33 and the nozzle block 27 is designed such that there is no step. A step would also produce fluid vortices which would continue into the fluid jet 25 formed with the nozzle channel 29. The nozzle block 27 shown in FIG. 3 has an outside diameter of 2 mm and a height of 0.9 mm. A copy made of a diamond is still within a reasonable cost range with this size. - 6 -
Der flüssigkeitsstrahlformende Düsenkanal 29 ist, wie bereits oben ausgeführt, kreiszylindrisch, hier beispielsweise mit einem Durchmesser von 150 μm und einer Länge von etwa 300μm ausgebildet. Die Länge des Düsenkanals 29 sollte nicht grösser als der doppelte Düsenkanaldurchmesser sein. An den Ausgang des Düsenkanals 29 schliesst sich eine kegelförmig erweiterte Öffnung 26 an. Der Kegelspitzenwinkel beträgt hier ach- zig Grad. Der Innenmantel 35 dieses Kegels setzt sich stufenlos in die Düsenfassung 33 fort.As already explained above, the liquid jet-shaping nozzle channel 29 is circular-cylindrical, here for example with a diameter of 150 μm and a length of approximately 300 μm. The length of the nozzle channel 29 should not be greater than twice the diameter of the nozzle channel. A conically widened opening 26 adjoins the outlet of the nozzle channel 29. The cone tip angle here is eighty degrees. The inner jacket 35 of this cone continues in the nozzle holder 33.
Die kegelförmige Ausbildung des Innenmantels 35 erleichtert das Aufbringen einer reflektierenden Beschichtung, stört den Flüssigkeitsstrahl in keiner Weise und verstärkt durch ihre Neigung das Reflexionsverhalten für eventuell aus dem Flüssigkeitsstrahl 25 infolge mechanischer Inhomogenitäten (Schockwelle, Verunreinigungen, welche trotz Filterungen durchgerutscht sind, ...) austretender Strahlung. Der Kegelwinkel ist so gross gewählt, dass aus dem Flüssigkeitsstrahl austretende Strahlung ihn überhaupt nicht oder nur unter einem sehr flachen Winkel trifft. Die Flüssigkeitszuführung zum Düsenkanal 29 erfolgt über einen schmalen, scheibenförmigen Innenraum 36, dessen Höhe etwa dem halben Durchmesser des Düsenkanals 29 entspricht. Der Durchmesser des Innenraums 36 entspricht dem Durchmesser der Düsenfassung 33. In diesen Innenraum 36 münden radial zur Achse 32 des Düsenkanals 29 in einer sternförmigen Anordnung zwanzig im Querschnitt runde Zuleitungen 37, de- ren benachbarte Seitenwände beim Einmünden in den Innenraum 36 ineinander übergehen. Diese Anordnung der Zuleitungen 37 unterstützt eine wirbelfreie (radiale) Flüssigkeitszuführung zum Düsenkanal 27. An der Eingangsseite der Zuleitungen 37 ist ein druckverminderndes Filter 39 angeordnet. An dieses Filter 39 schliesst ein Ringraum 40 an, der über eine Versorgungsleitung 41 mit Flüssigkeit versorgt wird. Das Filter 39 dient zur Erzeugung eines gleichmässigen Flüssigkeitsdrucks in den zwanzig Zuleitungen 37, wodurch ein symmetrischer Flüssigkeitsfluss zum Düseneingang hin gegeben ist. Da die Versorgungsleitung 41 an nur einer Seite erfolgt, würden ohne Filter 39 die der Versorgungsleitung 41 benachbarten Zuleitungen 37 einen höheren Druck aufweisen als die gegenüberliegenden. Tangentiale Strömungskomponenten im Bereich der Düsenka- nalöffnung 28 können sich somit nicht ausbilden. Damit die Laserstrahlung zur Düseneintrittsöffnung vordringen kann, ist der scheibenförmige Innenraum 36 mit einer für die verwendete Laserstrahlung transparenten Abdeckung 43 flüssigkeitsdicht abgedeckt. - 7 -The conical design of the inner jacket 35 facilitates the application of a reflective coating, in no way disturbs the liquid jet and, by virtue of its inclination, reinforces the reflection behavior for possibly from the liquid jet 25 as a result of mechanical inhomogeneities (shock wave, impurities which have slipped despite filtering ...) emerging radiation. The cone angle is chosen so large that radiation emerging from the liquid jet does not hit it at all or only at a very flat angle. The liquid supply to the nozzle channel 29 takes place via a narrow, disk-shaped interior 36, the height of which corresponds approximately to half the diameter of the nozzle channel 29. The diameter of the interior 36 corresponds to the diameter of the nozzle holder 33. In this interior 36, radially to the axis 32 of the nozzle channel 29 in a star-shaped arrangement twenty feed lines 37 are round in cross section, the adjacent side walls of which merge into one another when they open into the interior 36. This arrangement of the supply lines 37 supports a vortex-free (radial) liquid supply to the nozzle channel 27. A pressure-reducing filter 39 is arranged on the inlet side of the supply lines 37. An annular space 40 adjoins this filter 39 and is supplied with liquid via a supply line 41. The filter 39 serves to generate a uniform liquid pressure in the twenty supply lines 37, as a result of which there is a symmetrical liquid flow towards the nozzle inlet. Since the supply line 41 takes place on only one side, the feed lines 37 adjacent to the supply line 41 would have a higher pressure than the opposite ones without a filter 39. Tangential flow components in the region of the nozzle channel opening 28 cannot therefore develop. So that the laser radiation can penetrate to the nozzle inlet opening, the disk-shaped interior 36 is covered in a liquid-tight manner with a cover 43 which is transparent for the laser radiation used. - 7 -
Durch die geringe Höhe des Innenraumes 36 ist eine hohe Fiiessgeschwindigkeit der Flüssigkeit gegeben. Infolge der hohen Fliessgeschwindigkeit ist eine Aufheizung der Flüssigkeit im Fokussierkegel 38 durch die sie durchdringende Laserstrahlung ausgeschlossen (bzw. stark vermindert). Der scheibenförmige Innenraum 36 ist aufgrund der oben beschriebenen Ausgestaltung derart, dass sich insbesondere im Strahlungsfo- kussierkegel 38 der Laserstrahlung kein Flüssigkeitsstauraum, der bevorzugt durch Strahlungsabsorption das Entstehen einer thermischen Linse begünstigen würde, bilden kann. Eine thermische Linse würde ein einwandfreies stabiles Fokussieren des Laserstrahl in die Mitte (Achse 32) der Düsenkanalöffnung 28 verunmöglichen. Das Vorhan- densein einer thermischen Linse würde zu einer schlechteren Fokussierung der Strahlung führen, da die thermische Linse als Zerstreuungslinse wirkt. Die Laserstrahlung würde den Öffnungsrand der Düse und/oder die Düsenoberfläche treffen und somit beschädigen. Ferner wäre die durch eine Aufheizung der Flüssigkeit gebildete thermische Linse nicht ortsstabil. Eine optimale Strahlungseinkopplung in den Flüssigkeitsstrahl 25 wäre dann nicht mehr gegeben.The low height of the interior 36 gives the liquid a high flow rate. As a result of the high flow rate, heating of the liquid in the focusing cone 38 by the laser radiation penetrating it is excluded (or greatly reduced). Due to the configuration described above, the disk-shaped interior 36 is such that, in particular in the radiation focusing cone 38 of the laser radiation, no liquid stowage space, which would favor the formation of a thermal lens preferably by radiation absorption, cannot form. A thermal lens would make it impossible to focus the laser beam properly and in the center (axis 32) of the nozzle channel opening 28. The presence of a thermal lens would result in poorer focusing of the radiation since the thermal lens acts as a diverging lens. The laser radiation would hit the opening edge of the nozzle and / or the nozzle surface and thus damage it. Furthermore, the thermal lens formed by heating the liquid would not be stable in place. An optimal radiation coupling into the liquid jet 25 would then no longer exist.
Durch die sternförmige (radiale) Anordnung der Zuführungen 37, einen druckminderndes Filter 39 zwischen dem Eingang der Zuführungen 37 und dem Ringraum 40, einem stufenlosen Übergang 34 im Strömungsbereich der Flüssigkeit zwischen Düsenstein 27 und Düsenfassung 33 sowie die geringe (Rundungsradius <5μm) Abrundung des Rands 31 am Flüssigkeitseintritt in die Düse ist erst eine wirbelfreie Strömung als Voraussetzung für einen Flüssigkeitsstrahl 25 grosser Strahllänge gegeben. Positiv auf die Erzeugung einer grossen Strahllänge wirken sich ferner eine Entgasung der Flüssigkeit sowie eine Entfernung von Partikeln aus der Flüssigkeit aus. Es muss ebenfalls darauf geachtet werden, dass die Flüssigkeitszuführung frei von Druckpulsationen ist. Die zylindrische Form des freien Flüssigkeitsstrahls ist nämlich instabil. Die Flüssigkeit versucht aufgrund ihrer Oberflächenspannung eine andere Form, nämlich die einer Kugel zu erreichen. Der Flüssigkeitsstrahl zerfällt somit nach einer gewissen Ausbreitungslänge in einzelne Tropfen. Eine infinitesimal kleine radiale Störung des Flüssigkeitsstrahls bei seiner Formung verstärkt sich rasch, so dass es zu Strahleinschnürungen kommen kann, welche den Strahl zertropfen lassen. Die den Strahl umgebende Luft, welche durch Reibung mitgerissen wird, verstärkt zudem diesen Effekt. Nur durch die oben aufgeführten Mass- nahmen zur Durchführung eines störungsfreien Flüssigkeitszulaufs kann ein Flüssigkeitsstrahl grosser Strahllänge erzeugt werden. - 8 -Due to the star-shaped (radial) arrangement of the inlets 37, a pressure-reducing filter 39 between the inlet of the inlets 37 and the annular space 40, a stepless transition 34 in the flow area of the liquid between the nozzle block 27 and the nozzle holder 33 and the small (rounding radius <5 μm) rounding of the Edge 31 at the liquid inlet into the nozzle is only a vortex-free flow as a prerequisite for a liquid jet 25 of great jet length. Degassing of the liquid and removal of particles from the liquid also have a positive effect on the generation of a long jet length. Care must also be taken to ensure that the fluid supply is free of pressure pulsations. The cylindrical shape of the free liquid jet is namely unstable. Due to its surface tension, the liquid tries to achieve a different shape, namely that of a sphere. The liquid jet thus disintegrates into individual drops after a certain length of propagation. An infinitesimally small radial disturbance of the liquid jet during its formation quickly increases, so that jet constrictions can occur, which can drip the jet. The air surrounding the jet, which is carried away by friction, also increases this effect. A liquid jet of great jet length can only be generated by the measures listed above for carrying out a trouble-free liquid supply. - 8th -
Es hat sich ferner überraschend gezeigt, dass beim Auftreffen des Flüssigkeitsstrahls 25 auf eine noch unbearbeitete Werkstückoberfläche in diesem eine Schockwelle nach oben zu laufen beginnt. Durch diese Schockwelle ist der Flüssigkeitsfluss nicht mehr laminar und ein Teil der im Eingang der Düsenöffnung in den Flüssigkeitsstrahl 25 einge- koppelte Laserstrahlung tritt aus dem Flüssigkeitsstrahl 25 infolge von durch die Schockwelle erzeugten Unregelmässigkeiten auf der Manteloberfläche des Flüssigkeitsstrahls aus. Diese austretende Strahlung würde den Düsenstein 27 treffen, durch ihn hindurch gehen und dann auf die Metallwandung der Düsenfassung 33 stossen. Hier würde dann unter einer örtlichen Erwärmung die Strahlung absorbiert werden. Hierbei könnte es zum Aufschmelzen bzw. Verdampfen des Materials der Düsenfassung 33 kommen, was eine Zerstörung der Düsenfassung 33 sowie des Düsensteins 27 nach sich ziehen würde. Zur Verhinderung dieses Vorgangs ist die Innenwand 35 kegelförmig ausgebildet und mit einer reflektierenden Beschichtung versehen. Die infolge von Unregelmässigkeiten in der Flüssigkeitsstrahlmanteloberfläche austretende Laserstrahlung wird hier somit reflektiert und kann nicht durch den Düsenstein 27 bis zu absorbierenden Materialien vordringen. Ist das Werkstück 45 durchbohrt bzw. durchschnitten, entstehen keine oder Schockwellen mit nur minimaler Energie.It has also surprisingly been found that when the liquid jet 25 strikes an as yet unprocessed workpiece surface, a shock wave begins to run upward therein. As a result of this shock wave, the liquid flow is no longer laminar and part of the laser radiation coupled into the liquid jet 25 at the entrance of the nozzle opening emerges from the liquid jet 25 as a result of irregularities generated by the shock wave on the surface of the surface of the liquid jet. This emerging radiation would hit the nozzle block 27, pass through it and then hit the metal wall of the nozzle holder 33. The radiation would then be absorbed here under local heating. This could cause the material of the nozzle holder 33 to melt or evaporate, which would result in destruction of the nozzle holder 33 and the nozzle block 27. To prevent this process, the inner wall 35 is conical and provided with a reflective coating. The laser radiation emerging as a result of irregularities in the surface of the liquid jet jacket is thus reflected here and cannot penetrate through the nozzle block 27 to the materials to be absorbed. If the workpiece 45 is pierced or cut through, there are no or shock waves with only minimal energy.
Der Düsenstein 27, obwohl in der hier beschriebenen Anordnung langlebig, ist leicht auswechselbar angeordnet. Zum Auswechseln muss lediglich ein Einsatz 46 herausge- schraubt werden.The nozzle block 27, although durable in the arrangement described here, is easily replaceable. To replace it, only an insert 46 has to be unscrewed.
Zur Dichtigkeitskontrolle hat der die transparente Abdeckung 43 aufnehmende Einsatz 48 eine an seinem äusseren Mantel umlaufende Nut 54, welche in eine Kontrollbohrung 50 mündet. Befindet sich nämlich in der Kontrollbohrung 50 Flüssigkeit, so ist der Dichtring 58a undicht geworden. Würde nun auch noch der Dichtring 58b undicht, so könnte Flüssigkeit auf die Oberfläche 60 der transparenten Abdeckung 43 gelangen, was zu einer starken Beeinträchtigung in der Fokussierung und Führung des Laserstrahls führen würde. Um dies zu vermeiden, werden die Dichtringe 58a und 58b immer dann ausgewechselt, wenn in der Kontrollbohrung 50 Flüssigkeit registriert wird.For tightness control, the insert 48 receiving the transparent cover 43 has a groove 54 which runs around its outer jacket and which opens into a control bore 50. If there is liquid in the control bore 50, the sealing ring 58a has become leaky. If the sealing ring 58b now also leaked, liquid could reach the surface 60 of the transparent cover 43, which would lead to a severe impairment in the focusing and guiding of the laser beam. To avoid this, the sealing rings 58a and 58b are replaced whenever liquid is registered in the control bore 50.
Unterhalb des zu bearbeitenden Werkstücks 45 ist ein Kraftsensor 47 angeordnet. Die Lage des Kraftsensors 47 ist derart gewählt, dass er ein maximales elektrisches Signal an eine Steuerungseinrichtung 49 abgibt, wenn er voll vom Flüssigkeitsstrahl 25 (ohne Ablenkung) getroffen wird. Der Kraftsensor 47 ist in der geometrischen Achse 32 des - 9 -A force sensor 47 is arranged below the workpiece 45 to be machined. The position of the force sensor 47 is selected such that it emits a maximum electrical signal to a control device 49 when it is hit completely by the liquid jet 25 (without deflection). The force sensor 47 is in the geometric axis 32 of the - 9 -
Flüssigkeitsstrahls 25 angeordnet. Trifft der Flüssigkeitsstrahl 25 mit eingekoppeltem Laserstrahl auf ein noch unbearbeitetes Werkstück 45, so ist kein Signal vorhanden, da das Werkstück 45 erst vom Strahl 25 durchbohrt werden muss. Ist das Werkstück 45 bereits durchbohrt oder hat es einen Einschnitt durch den der Strahl 25 hindurchtritt, so trifft der Strahl 25 bei bewegtem Werkstück 45 auf die Schlitzseiten- bzw. Bohrlochwand. In diesem Fall trifft nur noch ein Teil des Strahls 25 den Kraftsensor 47. Das an die Steuerungseinrichtung 49 abgegebene Signal ist kleiner als bei voll auftreffendem Strahl 25. Mit dem Kraftsensor 47 ist somit der Grad einer Materialabtragung feststellbar.Liquid jet 25 arranged. If the liquid jet 25 strikes a still unprocessed workpiece 45 with the laser beam coupled in, then no signal is present, since the workpiece 45 first has to be pierced by the jet 25. If the workpiece 45 has already been drilled through or has an incision through which the beam 25 passes, then the beam 25 strikes the slot side or borehole wall when the workpiece 45 is moved. In this case, only a part of the beam 25 still hits the force sensor 47. The signal emitted to the control device 49 is smaller than when the beam 25 is fully incident. The degree of material removal can thus be determined with the force sensor 47.
Die Steuerungseinrichtung 49 ist ferner mit einer Verschiebeeinrichtung des Werk- Stücks 45 verbunden. Die Verschiebeeinrichtung ist in Figur 1 lediglich symbolisch durch zwei Doppelpfeile in die horizontalen Richtungen x und y 51a und 51b angedeutet, welche eine ebene, zweidimensionale Verschiebemöglichkeit andeuten sollen. Je nach ermitteltem Wert des Kraftsensors 47 steuert nun die Steuerungseinrichtung 49 die Verschiebegeschwindigkeit des Werkstücks 45 nach einem vorgegebenen Schnittmuster in die beiden Richtungen 51a und 51b. Mit dem Kraftsensor 47 kann somit der Vorschub des zu bearbeitenden Werkstücks 45 energieoptimiert geregelt werden, in dem immer dann das Werkstück 45 verschoben wird, wenn eine ausreichende Materialabtragung erreicht worden ist.The control device 49 is also connected to a displacement device of the workpiece 45. The displacement device is only symbolically indicated in FIG. 1 by two double arrows in the horizontal directions x and y 51a and 51b, which are intended to indicate a flat, two-dimensional displacement possibility. Depending on the determined value of the force sensor 47, the control device 49 now controls the displacement speed of the workpiece 45 according to a predetermined cutting pattern in the two directions 51a and 51b. The force sensor 47 can thus regulate the feed of the workpiece 45 to be machined in an energy-optimized manner, in which the workpiece 45 is always moved when sufficient material removal has been achieved.
Die Steuerungseinrichtung 49 ist ferner mit der Strahlungsquelle 6 verbunden. Es ist so- mit auch die Laserausgangsleistung in Abhängigkeit des Messwertes des Kraftsensors und der Werkstückverschiebegeschwindigkeit einstellbar. Wird bei einem gepulsten Laser beispielsweise ein Schrittmodus zur Werkstückverschiebung verwendet, so gibt der Laser an einer Stelle mehrere Pulse ab, bevor das Werkstück 45 um einen Schritt weiterbewegt wird. Der Schrittmodus kann beispielsweise mit einer Schrittfolgefrequenz von 100 Hz erfolgen.The control device 49 is also connected to the radiation source 6. The laser output power can thus also be set as a function of the measured value of the force sensor and the workpiece displacement speed. If, for example, a step mode for workpiece displacement is used in a pulsed laser, the laser emits a number of pulses at one point before the workpiece 45 is moved on by one step. The step mode can, for example, take place with a step repetition frequency of 100 Hz.
Neben der bereits oben erläuterten Strahlführung des Laserstrahls hat die Optikeinheit 1 , wie in Figur 1 zu sehen ist, Mittel zur optimalen Justage und Überwachung der Lage der Laserstrahltaille (Fokuspunkt der Strahlung) in Bezug auf die Düseneingangsöffnung bzw. die Achse 32 des Düsenkanals 29. Dem aufgeweiteten Laserstrahl 13 wird hierzu die Strahlung 52 einer Weisslichtquelle 53 deckungsgleich überlagert. Dies erfolgt mit dem Umlenkspiegel 17. Der Umlenkspiegel 17 reflektiert die Laserstrahlung vollständig, transmittiert aber die Weisslichtstrahlung 52 der hinter ihm liegenden Weisslichtquelle 53. - 10 -In addition to the beam guidance of the laser beam already explained above, the optical unit 1, as can be seen in FIG. 1, has means for optimal adjustment and monitoring of the position of the laser beam waist (focal point of the radiation) with respect to the nozzle inlet opening or the axis 32 of the nozzle channel 29. For this purpose, the radiation 52 of a white light source 53 is superimposed on the expanded laser beam 13. This is done with the deflection mirror 17. The deflection mirror 17 reflects the laser radiation completely, but transmits the white light radiation 52 from the white light source 53 located behind it. - 10 -
Die Strahlung der Quelle 53 wird zusammen mit der Laserstrahlung über den Umlenkspiegel 21 in die Fokussiereinheit 23 geführt und bei richtiger optischer Ausrichtung in der Düseneingangsebene 30 am Ort der Achse 32 fokussiert. Der Umlenkspiegel 21 ist für die Weisslichtstrahlung 52 teildurchlässig ausgebildet. Zur Überprüfung der richtigen Strahljustage wird ohne Laserstrahl nur mit der Strahlung der Quelle 53 gearbeitet. Ist eine Fehljustage vorhanden, beleuchtet die mit der Fokussiereinheit 23 fokussierte Weisslichtstrahlung den Düsenrand 31 bzw. dessen Umgebung. Der Oberflächenumgebungsbereich der Düseneintrittsöffnung wird mit einer Videokamera 55 über ein Teleskop 56 und den Umlenkspiegel 21 , der für die Weisslicht- Strahlung teildurchlässig ist, betrachtet. Das Weisslicht erfährt beim Durchgang durch den Umlenkspiegel 21 infolge dessen Dicke eine Strahlversetzung. Diese Strahlversetzung wird durch eine planparallele Glasplatte 57 korrigiert.The radiation from the source 53 is guided together with the laser radiation via the deflecting mirror 21 into the focusing unit 23 and, with correct optical alignment, is focused in the nozzle inlet plane 30 at the location of the axis 32. The deflection mirror 21 is partially transparent to the white light radiation 52. To check the correct beam adjustment, only the radiation from source 53 is used without a laser beam. If there is a misalignment, the white light radiation focused with the focusing unit 23 illuminates the nozzle edge 31 or its surroundings. The surface surrounding area of the nozzle inlet opening is viewed with a video camera 55 via a telescope 56 and the deflecting mirror 21, which is partially transparent to the white light radiation. The white light experiences a beam displacement as it passes through the deflecting mirror 21 due to its thickness. This beam displacement is corrected by a plane-parallel glass plate 57.
Der Umlenkspiegel 21 ist durch eine Verstelleinheit 19 verkippbar. Mit den Verstellelementen wird nun der Umlenkspiegel 21 derart verkippt, dass der Fokuspunkt des Weiss- lichtstrahls symmetrisch zum Ort der Kanalachse 32 zu liegen kommt.The deflecting mirror 21 can be tilted by an adjustment unit 19. The deflection mirror 21 is now tilted with the adjusting elements in such a way that the focal point of the white light beam comes to lie symmetrically to the location of the channel axis 32.
Um das zu erreichen, geht man wie folgt vor: Der Umlenkspiegel 21 wird solange verkippt, bis am Düsenkanalrand 31 ein Strahlungsreflex feststellbar ist, anschliessend wird in die entgegengesetzte Richtung unter Messung des Verkippwinkels (~ Verschiebeweg des Strahls auf der Düsenkanalöffnung) verkippt, bis am gegenüberliegenden Düsenka- nalrand 31 ebenfalls ein Strahlungsreflex gleicher reflektierter Intensität feststellbar ist, danach erfolgt eine erneute Rückkippbewegung mit dem halben Kippwinkel. Der Fokuspunkt liegt nun in einer Ebene, welche die Düsenkanalachse 32 beinhaltet. Zur Ausrichtung auf den Ort der Kanalachse 32 wird nun senkrecht zur vorhergehenden Verkip- pungsrichtung eine weitere analoge Strahlachseneinstellung vorgenommen. Auf die Weisslichtquelle 53 kann verzichtet werden, wenn der Umlenkspiegel 21 geringfügig transparent (etwa 2%) für die Strahlung der Laserquelle 6 gemacht wird. Auch muss dann das Fernrohr sowie die Glasplatte 57 auf die Laserstrahlung ausgelegt und entspiegelt werden. Die Videokamera 55 muss mit einem Chip versehen werden, der für die Laserstrahlung empfindlich ist. Bei einer Fehljustage wird dann die Laserstrahlung vom Düsenrand bzw. dessen Umgebung reflektiert. Die reflektierte Strahlung wird dann über das Fernrohr mit der Videokamera 55 betrachtet und eine Einstellung über die oben erwähnte Verstelleinheit 19 und die Strahlaufweitungseinheit 11 vorgenommen. Um Be- - 11 - schädigungen am Düsenkanal und der Düsenoberfläche zu vermeiden, wird die Justage mit verminderter Laserleistung vorgenommen. Da sich die Laserstrahleigenschaften bei hohen Strahlintensitäten gegenüber denjenigen bei kleinerer Leistung ändern können, beginnt man die Einstellung des Umlenkspiegels 21 und eventuell der Strahlaufwei- tungseinheit 11 unter kontinuierlicher Steigerung der Laserleistung.To achieve this, proceed as follows: the deflecting mirror 21 is tilted until a radiation reflex can be detected at the nozzle channel edge 31, and then is tilted in the opposite direction while measuring the tilt angle (~ displacement path of the jet on the nozzle channel opening) until on on the opposite nozzle channel edge 31, a radiation reflex of the same reflected intensity can also be determined, followed by a renewed tilting movement with half the tilt angle. The focal point now lies in a plane which contains the nozzle channel axis 32. To align with the location of the channel axis 32, a further analog beam axis setting is now made perpendicular to the previous tilt direction. The white light source 53 can be dispensed with if the deflecting mirror 21 is made slightly transparent (approximately 2%) for the radiation from the laser source 6. The telescope and the glass plate 57 must then also be designed and non-reflective for the laser radiation. The video camera 55 must be provided with a chip that is sensitive to the laser radiation. In the event of incorrect adjustment, the laser radiation is then reflected from the nozzle edge or its surroundings. The reflected radiation is then viewed via the telescope with the video camera 55 and an adjustment is made via the above-mentioned adjustment unit 19 and the beam expansion unit 11. To be - 11 - To avoid damage to the nozzle channel and the nozzle surface, the adjustment is carried out with reduced laser power. Since the laser beam properties can change at high beam intensities compared to those at lower power, the deflection mirror 21 and possibly the beam expansion unit 11 are started to be adjusted while continuously increasing the laser power.
Zur Überprüfung der zentrischen Einstellung kann nun die Ausgangslinse der Strahlaufweitungseinheit 11 derart verstellt werden, dass der Durchmesser der Strahltaille des Laserstrahls 13 erhöht wird, bis der Düsenkanalrand 31 (d.h. die Düsenkanalöffnung 28) gleichmässig beleuchtet ist. Nur bei einer gleichmässigen Beleuchtung ist vorher eine zentrische Ausrichtung erreicht worden. Die Ausgangslinse der Strahlaufweitungseinheit 11 wird nun in entgegengesetzter Richtung verschoben, bis erneut eine gleichmässi- ge Düsenöffnungsrandbeleuchtung eintritt. Die Zwischenstellung ergibt dann eine Einstellung für eine optimale Fokussierung auf die Düsenkanaleingangsebene, wobei der fokussierte Strahl symmetrisch zur Kanalachse 32 liegt. Als Flüssigkeit für den Flüssigkeitsstrahl kann bei Verwendung eines Nd:YAG-Lasers Wasser verwendet werden. Wasser hat eine geringe Strahlungsabsorption bei 1 ,06 μm. Diese geringe Absorption kann jedoch schon zur Bildung thermischer Linsen vor dem Düseneingang ausreichen. Man verwendet deshalb bei bestimmten Anwendungen bevorzugt ein Silikonöl insbesondere aus der Gruppe der Polymethylsiloxane. Wird als Flüssigkeit Wasser verwendet, so sollte eine Laserstrahlung verwendet werden, welche eine Absorption von weniger als 0,2 cm"1, vorzugsweise von weniger als 0,15 cm1 hat. Wird eine Strahlung mit einer höheren Absorption verwendet, so wird im Flüssigkeitsstrahl zuviel Strahlungsleistung absorbiert. Bei einer hohen Strahlungsabsorption in der Flüssigkeit können Verdampfungseffekte eintreten. Es kann dann auch beispielswei- se die Ausbildung der thermischen Linse im Fokuspunkt vor dem Düseneintritt auch bei einer Strömungsoptimierung nicht ausreichend unterdrückt werden. Niedrige Absorptionswerte bei Wasser als verwendete Flüssigkeit ergeben sich bei Strahlungen im Wellenlängenbereich von 150 nm bis 1100 nm, bevorzugt von 190 nm bis 920 nm und zwischen 1040 nm und 1080nm (im Bereich um 1000 nm ist eine Absorptionsspitze vorhan- den). Es können somit bevorzugt Diodenlaser, YAG-Laser, frequenzverdoppelte YAG- Laser, Excimerlaser und Kupferdampflaser eingesetzt werden. Ein YAG-Laser hat z.B. - 12 -To check the centric setting, the output lens of the beam expansion unit 11 can now be adjusted such that the diameter of the beam waist of the laser beam 13 is increased until the nozzle channel edge 31 (ie the nozzle channel opening 28) is illuminated uniformly. Only with uniform lighting has a central alignment been achieved beforehand. The exit lens of the beam expansion unit 11 is now shifted in the opposite direction until a uniform nozzle opening edge illumination occurs again. The intermediate position then results in a setting for optimal focusing on the nozzle channel entrance plane, the focused beam being symmetrical about the channel axis 32. When using an Nd: YAG laser, water can be used as the liquid for the liquid jet. Water has a low radiation absorption at 1.06 μm. However, this low absorption can be sufficient to form thermal lenses in front of the nozzle inlet. A silicone oil, in particular from the group of the polymethylsiloxanes, is therefore preferably used in certain applications. If water is used as the liquid, then laser radiation should be used which has an absorption of less than 0.2 cm "1 , preferably less than 0.15 cm 1. If radiation with a higher absorption is used, the liquid jet is used If the radiation absorption in the liquid is high, evaporation effects can occur, for example, the formation of the thermal lens at the focal point before the nozzle entry cannot be sufficiently suppressed even when the flow is optimized, resulting in low absorption values for water as the liquid used with radiation in the wavelength range from 150 nm to 1100 nm, preferably from 190 nm to 920 nm and between 1040 nm and 1080 nm (in the range around 1000 nm there is an absorption peak). It is therefore preferred to use diode lasers, YAG lasers, frequency-doubled YAG - Lasers, excimer lasers and copper vapor lasers can be used. A YAG laser has, for example - 12 -
den Vorteil, dass ausgereifte, kommerziell erhältliche Einheiten erhältlich sind; auch lassen sich mit ihnen hohe mittlere Leistungen erreichen.the advantage that mature, commercially available units are available; they can also be used to achieve high average performance.
Die Strahlung kann kontinuieriich oder gepulst sein. Bei einer gepulsten Strahlung kann die Flüssigkeit mit dem oben erläuterten Verfahren erzeugte Schnittkanten abkühlen. Auch wird Wärme, erzeugt durch absorbierte Strahlung im Flüssigkeitsstrahl, abgeführt. Es können somit, da Wasser eine sehr hohe Wärmekapazität hat, hohe Strahlungsleistungen gepulst in den Flüssigkeitsstrahl eingekoppelt werden. Es werden bei der Verwendung eines Nd'.YAG-Lasers und Wasser als Flüssigkeit bis zu 20 kW Pulsleistung bei Pulslängen von 20 bis 500 μs, einer mittleren Leistung von 600 W und einer Pulsrate bis 5 kHz eingekoppelt.The radiation can be continuous or pulsed. In the case of pulsed radiation, the liquid can cool cut edges produced using the method explained above. Heat generated by absorbed radiation in the liquid jet is also dissipated. Because water has a very high heat capacity, high radiation powers can be pulsed into the liquid jet. When using a Nd'.YAG laser and water as the liquid, up to 20 kW pulse power with pulse lengths of 20 to 500 μs, an average power of 600 W and a pulse rate of up to 5 kHz are coupled in.
Es können aber auch gütegeschaltete Nd:YAG-Laser (Q-switched YAG) mit Pulslängen vom typisch 50 bis 250 ns bei einer mittleren Leistung von 20 bis 120 W und einer Pulsrate von bis zu 60 kHz verwendet werden. Auch eine Verwendung von Moden gekoppelten Lasern mit Pulslängen im Femtosekundenbereich ist möglich. Kontinuierlich strahlende Laser (z.B. cw YAG) sind ebenfalls einsetzbar. Hier wird jedoch die mittlere Leistung durch die fehlende Strahlungsunterbrechung begrenzt. Es können dann nur etwa 700 W Strahlungsleistung eines Nd:YAG-Lasers in einen 80 μm dicken Wasserstrahl eingekoppelt werden. Bei höheren Laserleistungsdichten würde sich das Wasser durch die Strahlungsabsorption so stark erwärmen, dass ab einer gewissen Strahllänge Verdampfung beginnen würde. Hierdurch würde dann ein Vertropfen des Strahls beginnen; eine einwandfreie Strahlungsführung wäre nicht mehr gegeben.However, quality-switched Nd: YAG lasers (Q-switched YAG) with pulse lengths of typically 50 to 250 ns with an average power of 20 to 120 W and a pulse rate of up to 60 kHz can also be used. It is also possible to use mode-coupled lasers with pulse lengths in the femtosecond range. Continuously radiating lasers (e.g. cw YAG) can also be used. Here, however, the average power is limited by the lack of radiation interruption. Then only about 700 W radiation power of an Nd: YAG laser can be coupled into an 80 μm thick water jet. At higher laser power densities, the water would heat up so much due to the radiation absorption that evaporation would start from a certain beam length. This would cause the beam to drip; proper radiation control would no longer exist.
Der oben beschriebene Düsenstein 27 wurde aus Quarz oder Diamant hergestellt, also aus einem für die Laserstrahlung transparenten Material. Der Düsenausgang sowie auch die anschliessende Wandung der Düsenfassung 33 wurden kegelförmig ausgebildet und für die Laserstrahlung verspiegelt. Man kann nun auch den Düsenstein 27 aus einem die Laserstrahlung stark reflektierenden Material herstellen. Für eine Laserstrahlung von 1 ,06 μm kann ein Düsenstein aus Gold verwendet werden. Da reines Gold zu weich ist, müssen Spuren von Kupfer und Silber beigemischt werden, um eine Härte von 150 bis 225 HV zu erreichen. The nozzle block 27 described above was produced from quartz or diamond, that is to say from a material transparent to the laser radiation. The nozzle outlet and also the adjoining wall of the nozzle holder 33 were conical and were mirrored for the laser radiation. The nozzle block 27 can now also be produced from a material that strongly reflects the laser radiation. A gold nozzle block can be used for a laser radiation of 1.06 μm. Since pure gold is too soft, traces of copper and silver must be added to achieve a hardness of 150 to 225 HV.

Claims

- 13 -Patentansprüche - 13 patent claims
1. Verfahren zur Materialbearbeitung von Werkstücken (45) mit einem in einen Flüssigkeitsstrahl (25) eingekoppelten Laserstrahl, dadurch gekennzeichnet, dass die mit einem Düsenkanal (29) zu einem Strahl (25) zu formende Flüssigkeit zur Düsenka- nalöffnung (28) strömungswirbelfrei, insbesondere ohne zur Düsenkanalachse (32) tangentiale Strömungskomponente zugeführt, die Laserstrahlung auf die Kanaleingangsebene (30) fokussiert und die Flüssigkeit derart zur Kanalöffnung (28) geführt wird, dass im Strahlungsfokussierkegel (38) und dessen unmittelbarer Umgebung ein Flüssigkeitsstauraum vermieden wird.1. A method for the material processing of workpieces (45) with a laser beam coupled into a liquid jet (25), characterized in that the liquid to be formed with a nozzle channel (29) into a jet (25) for the nozzle channel opening (28) is free of eddies, in particular without a flow component tangential to the nozzle channel axis (32), the laser radiation focused on the channel entrance plane (30) and the liquid being guided to the channel opening (28) in such a way that a liquid storage space is avoided in the radiation focusing cone (38) and its immediate vicinity.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Vorhandensein eines Flüssigkeitsstrahls (25) am Ort einer Verlängerung der Düsenkanalachse (32) unterhalb des Werkstücks (45) detektiert wird und erst bei einer Detektion das Werk- stück (45) verschoben und/oder die einzukoppelnde Laserleistung verändert wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the presence of a liquid jet (25) is detected at the location of an extension of the nozzle channel axis (32) below the workpiece (45) and the workpiece (45) is only displaced upon detection and / or the laser power to be coupled in is changed.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenka- nalöffnung (28) und ihr Randbereich optisch abgebildet wird, die Strahlachse des auf die Kanaleingangsebene fokussierten, eine nicht materialbearbeitende Energie auf- weisenden Laserstrahls oder eines deckungsgleich mit dem Laserstrahl verlaufenden3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the nozzle channel opening (28) and its edge region is optically imaged, the beam axis of the laser beam focused on the channel entrance plane, which has a non-material-processing energy or a congruent with the laser beam
Beleuchtungsstrahls parallel zur Düsenachse (32) verschoben wird, bis am Düsenrand ein Strahlungsreflex feststellbar ist, anschliessend in entgegengesetzter Richtung eine Strahlachsenbewegung unter Messung des Verschiebewegs vorgenommen wird bis am gegenüberliegenden Düsenrandbereich ein Strahlungsreflex glei- eher reflektierter Intensität feststellbar ist, danach eine erneute Rückbewegung mit dem halben Verschiebeweg vorgenommen und anschliessend senkrecht zu dieser Verschieberichtung ebenfalls parallel zur Düsenachse (32) eine weitere analoge Strahlachseneinstellung vorgenommen wird, um den Laserstrahl auf den flüssigkeits- strahlformenden Düsenkanal (29) mittig auszurichten. - 14 -Illumination beam is shifted parallel to the nozzle axis (32) until a radiation reflex can be detected at the nozzle edge, then a beam axis movement is carried out in the opposite direction while measuring the displacement path until a radiation reflex with a more reflected intensity can be determined at the opposite nozzle edge region, then a backward movement with the half of the displacement path and then perpendicular to this displacement direction, also parallel to the nozzle axis (32), a further analog beam axis setting is carried out in order to align the laser beam centrally on the liquid jet-shaping nozzle channel (29). - 14 -
4. Materialbearbeitungsvorrichtung zur Bearbeitung von Werkstücken (45) gemass einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit einer Laserstrahlungsquelle (6) und einem mittels eines Düsenkanals (29) eines Düsensteins (27) geformten Flüssig- keitsstrahl (25), in den mit einer optischen Fokussiereinheit (23) der Laserstrahl der4. Material processing device for processing workpieces (45) according to a method according to one of claims 1 to 3 with a laser radiation source (6) and by means of a nozzle channel (29) of a nozzle block (27) shaped liquid jet (25), in the an optical focusing unit (23) the laser beam
Laserquelle (6) eingekoppelt und in diesem geführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussiereinheit (23) in Bezug auf die Eintrittsöffnung (28) des Düsenkanals (29) derart angeordnet ist, dass der Fokuspunkt der Laserstrahlung in der Ebene (30) der Düsenöffnung (28) liegt sowie die Flüssigkeitszuführung (36, 37, 39, 40) zur Dü- senöffnung (28) derart ausgebildet ist, dass keine Flüssigkeitswirbel im Bereich derLaser source (6) is coupled in and guided therein, characterized in that the focusing unit (23) is arranged in relation to the inlet opening (28) of the nozzle channel (29) such that the focal point of the laser radiation in the plane (30) of the nozzle opening (28) lies and the liquid supply (36, 37, 39, 40) to the nozzle opening (28) is designed in such a way that there are no liquid vortices in the region of the
Düsenöffnung (28) und des Düsenkanals (29) auftreten, und der vom Fokussierkegel (38) durchstrahlte bzw. durchstrahlbare Flüssigkeitszuführungsbereich und dessen unmittelbare Umgebung flüssigkeitsstauraumfrei ausgebildet sind.Nozzle opening (28) and of the nozzle channel (29) occur, and the liquid supply area irradiated or radiated by the focusing cone (38) and its immediate surroundings are designed to be free of liquid storage space.
5. Materialbearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen die Düsenkanalöffnung (28) umgebenden scheibenförmigen Vorraum (36) mit mehreren in ihn radial einmündenden Flüssigkeitszuleitungen (37), wobei die Höhe des Vorraums (36) dem Düsenkanalradius entspricht, um auch im Vorbereich der Düsenkanalöffnung (28) zur Vermeidung eines Flüssigkeitsstauraums eine Strömungsge- schwindigkeit der Flüssigkeit zu haben, welche nur geringfügig kleiner als im Düsenkanal (29) ist, sowie die Seitenwände der Flüssigkeitszuleitungen (37) am Ort der Einmündung in den Vorraum (36) ineinander übergehen und insbesondere die Flüssigkeitszuleitungen (37) strahlenförmig angeordnet sind, wobei bevorzugt die Achsen benachbarter Flüssigkeitszuleitungen (37) jeweils gleiche Zentriwinkel haben, damit die zur Düsenkanalöffnung (28) strömende Flüssigkeit in Bezug auf die Düsenkanalachse (32) keine tangentialen Strömungskomponenten erhält.5. Material processing device according to claim 4, characterized by a disk-shaped antechamber (36) surrounding the nozzle channel opening (28) with a plurality of liquid supply lines (37) opening into it radially, the height of the antechamber (36) corresponding to the nozzle channel radius, also in the area of the nozzle channel opening (28) in order to avoid a liquid storage space, to have a flow velocity of the liquid which is only slightly lower than in the nozzle channel (29), and the side walls of the liquid feed lines (37) merge into one another at the point of entry into the anteroom (36) and in particular the liquid supply lines (37) are arranged in the form of a beam, the axes of adjacent liquid supply lines (37) preferably having the same central angles so that the liquid flowing to the nozzle channel opening (28) does not receive any tangential flow components with respect to the nozzle channel axis (32).
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch eine möglichst kurze Düsenkanallänge, welche bevorzugt kleiner als der doppelte Düsenkanaldurchmes- - 15 -6. The device according to claim 4 or 5, characterized by the shortest possible nozzle channel length, which is preferably smaller than twice the nozzle channel diameter. - 15 -
ser ist, und der Düsenkanalausgang (26) einen konisch ausgebildeten Ausgangsteil hat, dessen Öffnungswinkel grosser ist als eine mögliche aus dem Flüssigkeitsstrahl (25) durch eventuelle Instabilitäten austretende Teilstrahlung der eingekoppelten Laserstrahlung und bevorzugt bei einer Laserstrahlung mit einer Wellenlänge im Bereich von 150 nm bis 1100 nm, insbesondere im Bereich von 190 nm bis 920 nm und 1040 nm bis 1080 nm grosser als sechzig Grad, inbesondere achzig Grad ist.ser, and the nozzle channel outlet (26) has a conically shaped output part, the opening angle of which is larger than a possible partial radiation of the injected laser radiation emerging from the liquid jet (25) due to instabilities, and preferably with a laser radiation with a wavelength in the range from 150 nm to 1100 nm, in particular in the range from 190 nm to 920 nm and 1040 nm to 1080 nm, is greater than sixty degrees, in particular eighty degrees.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der als Kegel (35) ausgebildete Düsenausgang (26) für die Laserstrahlung reflexionsbeschichtet ist und bevorzugt der Düsenstein (27) bei einer Wellenlänge der verwendeten Strahlungsquelle im Bereich von 150 nm bis 1100 nm, vorzugsweise im Bereich von 1040 nm bis 1080 nm aus Quarz, insbesondere aus Diamant ist.7. The device according to claim 6, characterized in that the cone (35) designed nozzle outlet (26) for the laser radiation is reflection-coated and preferably the nozzle block (27) at a wavelength of the radiation source used in the range from 150 nm to 1100 nm, preferably in the range from 1040 nm to 1080 nm made of quartz, in particular of diamond.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenstein (27) aus einem die Laserstrahlung stark reflektierenden Material ist.8. Device according to one of claims 4 to 6, characterized in that the nozzle block (27) is made of a material which strongly reflects the laser radiation.
9. Vorrichtung insbesondere nach einem der Ansprüche 4 bis 8, gekennzeichnet durch einen in Verlängerung der Düsenkanalachse (32) unterhalb des Düsenausgangs angeordneten Kraftsensor (47), über dem das zu bearbeitende Werkstück (45) anbringbar ist, wobei der Sensor (47) derart ausgebildet ist, dass er beim Auftreffen des Flüssigkeitsstrahls (25) ein Signal abgibt, damit feststellbar ist, wann das Werkstück (45) vom den Laserstrahl führenden Flüssigkeitsstrahl (25) annähernd in Dü- senkanalachsenrichtung durchdrungen worden ist.9. The device in particular according to one of claims 4 to 8, characterized by an in the extension of the nozzle channel axis (32) below the nozzle outlet arranged force sensor (47) above which the workpiece (45) to be machined can be attached, the sensor (47) such is designed so that it emits a signal when the liquid jet (25) strikes, so that it can be determined when the workpiece (45) has been penetrated approximately in the nozzle channel axis direction by the liquid jet (25) guiding the laser beam.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, gekennzeichnet durch eine Flüssig- keitszufuhrregeieinheit, welche Flüssigkeitsdruckpulsationen der zuzuführenden Flüssigkeit zum Düseneintritt eliminiert, bevorzugt die Flüssigkeit entgast und insbesondere aus dieser Partikel entfernt. - 16 -10. Device according to one of claims 4 to 9, characterized by a liquid supply control unit, which eliminates liquid pressure pulsations of the liquid to be supplied to the nozzle inlet, preferably degasses the liquid and in particular removes this particle. - 16 -
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 10, gekennzeichnet durch eine Betrachtungseinheit (21, 57, 56, 55) der Düsenkanalöffnung (28) und deren Umgebung sowie eine Verstelleinheit (19, 21) zur Verschiebung des auf die Düsenkanalöffnung (28) fallenden fokussierten Laserstrahls (13) derart, dass er mittig in der Öffnung (28) zu liegen kommt. 11. The device according to one of claims 4 to 10, characterized by a viewing unit (21, 57, 56, 55) of the nozzle channel opening (28) and its surroundings and an adjusting unit (19, 21) for displacing the falling on the nozzle channel opening (28) focused laser beam (13) such that it comes to rest in the center of the opening (28).
PCT/CH1999/000180 1998-04-30 1999-04-30 Material shaping device with a laser beam which is injected into a stream of liquid WO1999056907A1 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CA002330426A CA2330426C (en) 1998-04-30 1999-04-30 Material shaping device with a laser beam which is injected into a stream of liquid
KR1020007012090A KR100584310B1 (en) 1998-04-30 1999-04-30 Method and apparatus for processing material with laser beam injected into injection liquid

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE19819429.3 1998-04-30
DE19819429 1998-04-30

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO1999056907A1 true WO1999056907A1 (en) 1999-11-11

Family

ID=7866347

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/CH1999/000180 WO1999056907A1 (en) 1998-04-30 1999-04-30 Material shaping device with a laser beam which is injected into a stream of liquid

Country Status (4)

Country Link
KR (1) KR100584310B1 (en)
CN (1) CN1134322C (en)
CA (1) CA2330426C (en)
WO (1) WO1999056907A1 (en)

Cited By (41)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2001075966A1 (en) * 2000-04-04 2001-10-11 Synova S.A. Method for cutting an object and for further processing the cut material and a carrier for holding the object or the cut material
WO2001066036A3 (en) * 2000-03-06 2002-01-03 Advanced Laser Applic Holding Intraluminar perforated radially expandable drug delivery prosthesis and a method for the production thereof
US6563080B2 (en) 2001-02-15 2003-05-13 Scimed Life Systems, Inc. Laser cutting of stents and other medical devices
WO2004004966A1 (en) * 2002-07-03 2004-01-15 Boston Scientific Limited Laser/fluid jet cutting process and system
US6737606B2 (en) 2001-09-10 2004-05-18 Micron Technology, Inc. Wafer dicing device and method
WO2004094096A1 (en) * 2003-04-16 2004-11-04 Boston Scientific Limited System combining laser cutter and cleaner fluid jet
EP1657020A1 (en) * 2004-11-10 2006-05-17 Synova S.A. Process and device for optimising the coherence of a fluidjet used for materialworking and fluid flow nozzle for such a device
WO2006122441A1 (en) * 2005-05-17 2006-11-23 Technikus Ag Method for material working by means of a laser guided in a water jet and device for carrying out said method
DE102006038001B3 (en) * 2006-08-14 2008-03-27 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Procedure for drying and/or dry holding of workpiece during fluid jet guidance processing of the workpiece, comprises supplying dry inert gas at a process head, which is conveyed nearly at the workpiece, whose processed area is dried
US7358154B2 (en) 2001-10-08 2008-04-15 Micron Technology, Inc. Method for fabricating packaged die
US7375009B2 (en) 2002-06-14 2008-05-20 Micron Technology, Inc. Method of forming a conductive via through a wafer
US7476034B2 (en) 2003-08-28 2009-01-13 Boston Scientific Scimed, Inc. Dynamic bushing for medical device tubing
US7722661B2 (en) 2007-12-19 2010-05-25 Boston Scientific Scimed, Inc. Stent
EP2208568A1 (en) * 2009-01-20 2010-07-21 Synova S.A. Apparatus and method for processing material by means of laser
WO2010099892A3 (en) * 2009-03-02 2010-12-02 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Rear contact solar cells, and method for the production thereof
US7919727B2 (en) * 2005-11-30 2011-04-05 Tokyo Electron Limited Laser processing apparatus and laser processing method
DE102010011580A1 (en) * 2010-03-16 2011-09-22 Vollmer Werke Maschinenfabrik Gmbh Device for generating and measuring a liquid jet, comprises a liquid source, which provides a liquid at a certain output pressure, a focusing device for forming and delivering the liquid jet along a beam axis, and a beam measuring device
US8969760B2 (en) 2012-09-14 2015-03-03 General Electric Company System and method for manufacturing an airfoil
US8993923B2 (en) 2012-09-14 2015-03-31 General Electric Company System and method for manufacturing an airfoil
US9232959B2 (en) 2007-01-02 2016-01-12 Aquabeam, Llc Multi fluid tissue resection methods and devices
DE102014223716A1 (en) 2014-11-20 2016-05-25 Siemens Aktiengesellschaft Device and method for processing a component by means of a propagating in a liquid jet laser beam
US9484225B2 (en) 2003-05-06 2016-11-01 Micron Technology, Inc. Method for packaging circuits
US9510853B2 (en) 2009-03-06 2016-12-06 Procept Biorobotics Corporation Tissue resection and treatment with shedding pulses
EP3124165A1 (en) 2015-07-28 2017-02-01 Synova SA Process of treating a workpiece using a liquid jet guided laser beam
DE102008048697B4 (en) * 2007-09-28 2017-09-07 Sugino Machine Ltd. Device for laser processing with the aid of a laser beam introduced into a liquid jet column
US9770785B2 (en) 2014-11-18 2017-09-26 General Electric Company System and method for forming a cooling hole in an airfoil
US9776284B2 (en) 2015-01-22 2017-10-03 General Electric Company System and method for cutting a passage in an airfoil
US9895755B2 (en) 2014-12-09 2018-02-20 Kennametal Inc. Cutting insert with internal coolant passages and method of making same
DE102016116512A1 (en) 2016-09-03 2018-03-08 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Method and device for machining a workpiece
WO2018065410A1 (en) 2016-10-03 2018-04-12 Synova Sa Device for generating a jet of liquid
WO2018072808A1 (en) * 2016-10-17 2018-04-26 Abb Schweiz Ag Cleaning device and method for controlling a laser focus inside a fluid beam, and a system including the cleaning device
DE102017112113A1 (en) 2017-06-01 2018-12-06 Lohmann-Koester Gmbh & Co. Kg Method for producing a sieve-shaped demolding tool and sieve-shaped demolding tool
US10240254B2 (en) 2014-11-07 2019-03-26 Element Six Technologies Limited Method of fabricating plates of super-hard material using a collimated cutting beam
EP3470165A1 (en) * 2017-10-13 2019-04-17 Synova S.A. Apparatus for machining a workpiece with a liquid jet guided laser beam and the assembly thereof
US10342615B2 (en) 2008-03-06 2019-07-09 Aquabeam, Llc Tissue ablation and cautery with optical energy carried in fluid stream
JP2019155480A (en) * 2014-06-16 2019-09-19 シノヴァ エスアーＳｙｎｏｖａ Ｓａ Processing head
US10524822B2 (en) 2009-03-06 2020-01-07 Procept Biorobotics Corporation Image-guided eye surgery apparatus
US10653438B2 (en) 2012-02-29 2020-05-19 Procept Biorobotics Corporation Automated image-guided tissue resection and treatment
US20200282493A1 (en) * 2017-10-05 2020-09-10 Synova S.A. Apparatus for Machining a Workpiece with a Laser Beam
CN113618232A (en) * 2021-07-28 2021-11-09 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 Double-beam coupling water guide machining head device and machining method
US11440135B2 (en) 2013-05-23 2022-09-13 Trumpf Werkzeugmaschinen Gmbh + Co. Kg Laser machining nozzle for a laser machining device, and laser machining device

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4844715B2 (en) * 2005-08-25 2011-12-28 澁谷工業株式会社 Hybrid laser processing equipment
DE102011001322A1 (en) * 2011-03-16 2012-09-20 Ipg Laser Gmbh Machine and method for material processing of workpieces with a laser beam
CN102259236A (en) * 2011-07-01 2011-11-30 中国电子科技集团公司第四十五研究所 Alignment device for coupling of water-jet guided laser
CN102259237B (en) * 2011-07-01 2014-09-03 中国电子科技集团公司第四十五研究所 Regulator for coupling of laser beam and water jet
JP5877432B2 (en) * 2012-02-29 2016-03-08 株式会社スギノマシン Laser processing equipment
WO2014187467A1 (en) * 2013-05-23 2014-11-27 Trumpf Werkzeugmaschinen Gmbh + Co. Kg Laser machining nozzle for a laser machining device, and laser machining device
US10335900B2 (en) 2016-03-03 2019-07-02 General Electric Company Protective shield for liquid guided laser cutting tools
US10160059B2 (en) 2016-03-03 2018-12-25 General Electric Company Decoupled liquid-jet guided laser nozzle cap
CA3049626A1 (en) * 2017-01-23 2018-07-26 Subaru Corporation Laser peening processing apparatus and laser peening processing method
CN108132511A (en) * 2017-12-21 2018-06-08 暨南大学 A kind of compound camera lens for diamond laser cutting
CN108480842B (en) * 2018-06-12 2022-11-29 桂林电子科技大学 Water-conducting laser coupling shunting voltage stabilizer
CN113874157A (en) * 2019-05-08 2021-12-31 Ws光学技术有限责任公司 Method for beam machining a workpiece

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3643284A1 (en) * 1986-12-18 1988-06-30 Aesculap Ag METHOD AND DEVICE FOR CUTTING A MATERIAL BY MEANS OF A LASER BEAM
EP0515983A1 (en) * 1991-05-28 1992-12-02 Lasag Ag Device for ablation of material, particularly used in dentistry
WO1995032834A1 (en) * 1994-05-30 1995-12-07 Bernold Richerzhagen Device for machining material with a laser
US5773791A (en) * 1996-09-03 1998-06-30 Kuykendal; Robert Water laser machine tool

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3643284A1 (en) * 1986-12-18 1988-06-30 Aesculap Ag METHOD AND DEVICE FOR CUTTING A MATERIAL BY MEANS OF A LASER BEAM
EP0515983A1 (en) * 1991-05-28 1992-12-02 Lasag Ag Device for ablation of material, particularly used in dentistry
WO1995032834A1 (en) * 1994-05-30 1995-12-07 Bernold Richerzhagen Device for machining material with a laser
US5773791A (en) * 1996-09-03 1998-06-30 Kuykendal; Robert Water laser machine tool

Cited By (71)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7135039B2 (en) 2000-03-06 2006-11-14 Boston Scientific Scimed, Inc. Intraluminar perforated radially expandable drug delivery prosthesis and a method for the production thereof
WO2001066036A3 (en) * 2000-03-06 2002-01-03 Advanced Laser Applic Holding Intraluminar perforated radially expandable drug delivery prosthesis and a method for the production thereof
US8267991B2 (en) 2000-03-06 2012-09-18 Boston Scientific Scimed, Inc. Intraluminar perforated radially expandable drug delivery prosthesis and a method for the production thereof
WO2001075966A1 (en) * 2000-04-04 2001-10-11 Synova S.A. Method for cutting an object and for further processing the cut material and a carrier for holding the object or the cut material
US7163875B2 (en) 2000-04-04 2007-01-16 Synova S.A. Method of cutting an object and of further processing the cut material, and carrier for holding the object and the cut material
US6563080B2 (en) 2001-02-15 2003-05-13 Scimed Life Systems, Inc. Laser cutting of stents and other medical devices
US6867389B2 (en) 2001-02-15 2005-03-15 Scimed Life Systems, Inc. Laser cutting of stents and other medical devices
US6737606B2 (en) 2001-09-10 2004-05-18 Micron Technology, Inc. Wafer dicing device and method
US8138617B2 (en) 2001-10-08 2012-03-20 Round Rock Research, Llc Apparatus and method for packaging circuits
US7358154B2 (en) 2001-10-08 2008-04-15 Micron Technology, Inc. Method for fabricating packaged die
US7375009B2 (en) 2002-06-14 2008-05-20 Micron Technology, Inc. Method of forming a conductive via through a wafer
US6888098B1 (en) 2002-07-03 2005-05-03 Scimed Life Systems, Inc. Tubular cutting process and system
US9180032B2 (en) 2002-07-03 2015-11-10 Boston Scientific Scimed, Inc. Tubular cutting process and system
WO2004004966A1 (en) * 2002-07-03 2004-01-15 Boston Scientific Limited Laser/fluid jet cutting process and system
WO2004094096A1 (en) * 2003-04-16 2004-11-04 Boston Scientific Limited System combining laser cutter and cleaner fluid jet
US10453704B2 (en) 2003-05-06 2019-10-22 Micron Technology, Inc. Method for packaging circuits
US10811278B2 (en) 2003-05-06 2020-10-20 Micron Technology, Inc. Method for packaging circuits
US9484225B2 (en) 2003-05-06 2016-11-01 Micron Technology, Inc. Method for packaging circuits
US7476034B2 (en) 2003-08-28 2009-01-13 Boston Scientific Scimed, Inc. Dynamic bushing for medical device tubing
WO2006050622A1 (en) * 2004-11-10 2006-05-18 Synova Sa Method and device for generating a jet of fluid for material processing and fluid nozzle for use in said device
EP1657020A1 (en) * 2004-11-10 2006-05-17 Synova S.A. Process and device for optimising the coherence of a fluidjet used for materialworking and fluid flow nozzle for such a device
US10016845B2 (en) 2004-11-10 2018-07-10 Synova Sa Method and device for generating a jet of fluid for material processing and fluid nozzle for use in said device
WO2006122441A1 (en) * 2005-05-17 2006-11-23 Technikus Ag Method for material working by means of a laser guided in a water jet and device for carrying out said method
US7919727B2 (en) * 2005-11-30 2011-04-05 Tokyo Electron Limited Laser processing apparatus and laser processing method
DE102006038001B3 (en) * 2006-08-14 2008-03-27 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Procedure for drying and/or dry holding of workpiece during fluid jet guidance processing of the workpiece, comprises supplying dry inert gas at a process head, which is conveyed nearly at the workpiece, whose processed area is dried
US9364250B2 (en) 2007-01-02 2016-06-14 Aquabeam, Llc Minimally invasive devices for the treatment of prostate diseases
US11350964B2 (en) 2007-01-02 2022-06-07 Aquabeam, Llc Minimally invasive treatment device for tissue resection
US10321931B2 (en) 2007-01-02 2019-06-18 Aquabeam, Llc Minimally invasive methods for multi-fluid tissue ablation
US11478269B2 (en) 2007-01-02 2022-10-25 Aquabeam, Llc Minimally invasive methods for multi-fluid tissue ablation
US9232960B2 (en) 2007-01-02 2016-01-12 Aquabeam, Llc Minimally invasive devices for multi-fluid tissue ablation
US9237902B2 (en) 2007-01-02 2016-01-19 Aquabeam, Llc Multi-fluid tissue ablation methods for treatment of an organ
US9232959B2 (en) 2007-01-02 2016-01-12 Aquabeam, Llc Multi fluid tissue resection methods and devices
US10251665B2 (en) 2007-01-02 2019-04-09 Aquabeam, Llc Multi fluid tissue resection methods and devices
DE102008048697B4 (en) * 2007-09-28 2017-09-07 Sugino Machine Ltd. Device for laser processing with the aid of a laser beam introduced into a liquid jet column
US7922756B2 (en) 2007-12-19 2011-04-12 Boston Scientific Scimed, Inc. Stent
US7722661B2 (en) 2007-12-19 2010-05-25 Boston Scientific Scimed, Inc. Stent
US11759258B2 (en) 2008-03-06 2023-09-19 Aquabeam, Llc Controlled ablation with laser energy
US11172986B2 (en) 2008-03-06 2021-11-16 Aquabeam Llc Ablation with energy carried in fluid stream
EP3622910A1 (en) 2008-03-06 2020-03-18 AquaBeam LLC Tissue ablation and cautery with optical energy carried in fluid stream
US11033330B2 (en) 2008-03-06 2021-06-15 Aquabeam, Llc Tissue ablation and cautery with optical energy carried in fluid stream
US10342615B2 (en) 2008-03-06 2019-07-09 Aquabeam, Llc Tissue ablation and cautery with optical energy carried in fluid stream
EP2208568A1 (en) * 2009-01-20 2010-07-21 Synova S.A. Apparatus and method for processing material by means of laser
WO2010099892A3 (en) * 2009-03-02 2010-12-02 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Rear contact solar cells, and method for the production thereof
US9510853B2 (en) 2009-03-06 2016-12-06 Procept Biorobotics Corporation Tissue resection and treatment with shedding pulses
US10524822B2 (en) 2009-03-06 2020-01-07 Procept Biorobotics Corporation Image-guided eye surgery apparatus
DE102010011580B4 (en) 2010-03-16 2020-01-02 Vollmer Werke Maschinenfabrik Gmbh Device and method for measuring a liquid jet, in particular used as a light guide, and device for processing a workpiece
DE102010011580A1 (en) * 2010-03-16 2011-09-22 Vollmer Werke Maschinenfabrik Gmbh Device for generating and measuring a liquid jet, comprises a liquid source, which provides a liquid at a certain output pressure, a focusing device for forming and delivering the liquid jet along a beam axis, and a beam measuring device
US11737776B2 (en) 2012-02-29 2023-08-29 Procept Biorobotics Corporation Automated image-guided tissue resection and treatment
US11464536B2 (en) 2012-02-29 2022-10-11 Procept Biorobotics Corporation Automated image-guided tissue resection and treatment
US10653438B2 (en) 2012-02-29 2020-05-19 Procept Biorobotics Corporation Automated image-guided tissue resection and treatment
US8969760B2 (en) 2012-09-14 2015-03-03 General Electric Company System and method for manufacturing an airfoil
US8993923B2 (en) 2012-09-14 2015-03-31 General Electric Company System and method for manufacturing an airfoil
US11440135B2 (en) 2013-05-23 2022-09-13 Trumpf Werkzeugmaschinen Gmbh + Co. Kg Laser machining nozzle for a laser machining device, and laser machining device
JP2019155480A (en) * 2014-06-16 2019-09-19 シノヴァ エスアーＳｙｎｏｖａ Ｓａ Processing head
US10240254B2 (en) 2014-11-07 2019-03-26 Element Six Technologies Limited Method of fabricating plates of super-hard material using a collimated cutting beam
US9770785B2 (en) 2014-11-18 2017-09-26 General Electric Company System and method for forming a cooling hole in an airfoil
DE102014223716A1 (en) 2014-11-20 2016-05-25 Siemens Aktiengesellschaft Device and method for processing a component by means of a propagating in a liquid jet laser beam
US9895755B2 (en) 2014-12-09 2018-02-20 Kennametal Inc. Cutting insert with internal coolant passages and method of making same
US9776284B2 (en) 2015-01-22 2017-10-03 General Electric Company System and method for cutting a passage in an airfoil
US11318560B2 (en) 2015-07-28 2022-05-03 Synova Sa Process of treating a workpiece using a liquid jet guided laser beam
EP3124165A1 (en) 2015-07-28 2017-02-01 Synova SA Process of treating a workpiece using a liquid jet guided laser beam
DE102016116512A1 (en) 2016-09-03 2018-03-08 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Method and device for machining a workpiece
US11059130B2 (en) 2016-10-03 2021-07-13 Synova Sa Device for generating a jet of liquid
WO2018065410A1 (en) 2016-10-03 2018-04-12 Synova Sa Device for generating a jet of liquid
WO2018072808A1 (en) * 2016-10-17 2018-04-26 Abb Schweiz Ag Cleaning device and method for controlling a laser focus inside a fluid beam, and a system including the cleaning device
DE102017112113A1 (en) 2017-06-01 2018-12-06 Lohmann-Koester Gmbh & Co. Kg Method for producing a sieve-shaped demolding tool and sieve-shaped demolding tool
US20200282493A1 (en) * 2017-10-05 2020-09-10 Synova S.A. Apparatus for Machining a Workpiece with a Laser Beam
US11697175B2 (en) 2017-10-05 2023-07-11 Synova S.A. Apparatus for machining a workpiece with a laser beam
EP3470165A1 (en) * 2017-10-13 2019-04-17 Synova S.A. Apparatus for machining a workpiece with a liquid jet guided laser beam and the assembly thereof
CN113618232A (en) * 2021-07-28 2021-11-09 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 Double-beam coupling water guide machining head device and machining method
CN113618232B (en) * 2021-07-28 2024-03-19 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 Double-beam coupling water guide machining head device and machining method

Also Published As

Publication number Publication date
CN1306467A (en) 2001-08-01
CN1134322C (en) 2004-01-14
KR100584310B1 (en) 2006-05-26
KR20010043171A (en) 2001-05-25
CA2330426A1 (en) 1999-11-11
CA2330426C (en) 2007-11-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO1999056907A1 (en) Material shaping device with a laser beam which is injected into a stream of liquid
DE102008048697B4 (en) Device for laser processing with the aid of a laser beam introduced into a liquid jet column
DE112009001200B4 (en) Laser processing method and laser processing apparatus therefor
EP1417072B1 (en) Method and device for drilling holes in workpieces by means of laser beams
DE102008022014B3 (en) Dynamic beam deflection of a laser beam
EP2349636B1 (en) Laser machining nozzle for machining sheet metal ; laser cutting machine with corresponding nozzle
EP2219813A1 (en) Aerostatic bearing and method for production thereof
DE102012003202A1 (en) Device useful for processing workpieces, preferably blades by wet laser, comprises a base, machining unit movably mounted on base, which carries wet laser unit, and workpiece support, where wet laser unit comprises e.g. laser beam source
EP1180409B1 (en) Laser processing machine with gas cleaned beam guiding cavity
DE102011119478B4 (en) Device for the externally illuminated visualization of a processing process carried out by means of a high-energy machining beam and deflecting element
DE69831382T2 (en) METHOD FOR WELDING COATED PANELS USING AN ENERGY RAY AS A LASER RADIATION
EP1007267A1 (en) Method and device for laser beam welding
DE10340931A1 (en) Method and device for drilling the finest holes
WO2012101533A1 (en) Laser processing machine, in particular laser cutting machine, and method for centering a laser beam, in particular a focused laser beam
DE102007059987B4 (en) Method for keyhole-free laser fusion cutting by means of leading and trailing laser beams
WO2021032355A1 (en) Method for flame cutting by means of a laser beam
DE102016220067B4 (en) Method for deep welding a workpiece, in which a tilted vapor capillary is created using two laser beams
EP1658921B1 (en) Laser welding apparatus for a high-power laser with high beam quality and long focal-length focussing optics
DE10226359A1 (en) Laser processing head, especially for cutting workpiece using laser beam, has device near outlet opening between housing and laser nozzle for producing gas flow transverse to laser beam
DE3626944A1 (en) Method and apparatus for focussing and controlling a high-output energy source
DE2211195A1 (en) Method and device for material welding
DE102009042199B4 (en) Laser beam alignment unit and laser processing unit for processing a material
DE102006047947B3 (en) Focusing mirror system for laser beams comprises first mirror, in form of a rotation hyperboloid which reflects divergent laser beam onto second mirror, in form of rotation ellipsoid
DD275425A1 (en) ROTATABLE RADIATION FOCUSING DEVICE FOR THE INTRODUCTION OF LOUDS IN MATERIALS BY MEANS OF LASER PULSES
DE2254673A1 (en) LASER BEAM WELDING PROCESS

Legal Events

Date Code Title Description
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 99807575.2

Country of ref document: CN

AK Designated states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): CA CN IN KR SG

DFPE Request for preliminary examination filed prior to expiration of 19th month from priority date (pct application filed before 20040101)
ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2330426

Country of ref document: CA

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 1020007012090

Country of ref document: KR

Ref document number: IN/PCT/2000/580/CHE

Country of ref document: IN

WWP Wipo information: published in national office

Ref document number: 1020007012090

Country of ref document: KR

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: CA

WWG Wipo information: grant in national office

Ref document number: 1020007012090

Country of ref document: KR