Title:
Entkoppelte Düsenkappe für einen flüssigkeitsstrahlgeführten Laser
Kind Code:
A1
Abstract:

Offenbart ist eine Kopfanordnung (21) für ein flüssigkeitsstrahlgesteuertes Lasersystem (20) mit einer Kopplungseinheit (57), die abnehmbar an einem Laserfokusoptikmodul (24) des Lasersystems (20) angeordnet ist. Die Kopplungseinheit (57) hat eine Düsenanordnung (60), die abnehmbar mit der Kopplungseinheit (57) verbunden ist. Die Düsenanordnung (60) hat eine Flüssigkeitsstrahldüse und eine Düsenkappe (77). Die Düsenkappe (77) hat eine Mehrzahl von axialen Unterstützungsgaskanälen (81a, 81b) und statische Unterstützungsgaskanäle (32), die in Fluidverbindung mit einer Unterstützungsgasquelle (31) stehen und sich durch den Düsenkappenkörper (78) erstrecken, um individuell Unterstützungsgas (31) zu axialen Ausgangsanschlüssen (91a, 91b) und statischen Ausgangsanschlüssen (35) zu fördern, die positioniert sind, um Unterstützungsgas (31) in der Nähe des Flüssigkeitsstrahls (33) abzugeben. Zumindest ein Teil der Mehrzahl von axialen Unterstützungsgaskanälen (81a, 81b) ist von der Fluidverbindung mit dem Flüssigkeitsstrahlloch (79) getrennt. Eine Seitenbewegungsanordnung (30) kann zwischen dem Laserfokusoptikmodul (24) und einer Kopplungsanordnung (22) eingerichtet sein.



Inventors:
Hu, Zhaoli, S.C. (Greenville, US)
Darling, Abe Denis, S.C. (Greenville, US)
Zimmermann, William A., S.C. (Greenville, US)
Application Number:
DE102017102983A
Publication Date:
09/07/2017
Filing Date:
02/15/2017
Assignee:
GENERAL ELECTRIC COMPANY (N.Y., Schenectady, US)
International Classes:
Attorney, Agent or Firm:
Rüger, Barthelt & Abel, 73728, Esslingen, DE
Claims:
1. Kopfanordnung (21) für ein flüssigkeitsstrahlgesteuertes Lasersystem (20) aufweisend:
eine Kopplungseinheit (57), die abnehmbar an einem Laserfokusoptikmodul (24) des Lasersystems (20) angeordnet ist, wobei die Kopplungseinheit (57) aufweist:
eine Düsenanordnung (60), die abnehmbar mit der Kopplungseinheit (57) verbunden ist, wobei die Düsenanordnung (60) eine Axialrichtung und eine Radialrichtung definiert und eine Flüssigkeitsstrahldüse (65) und eine Düsenkappe (77) aufweist, wobei die Flüssigkeitsstrahldüse (65) dazu eingerichtet ist, einen Flüssigkeitsstrahl (33) zu bilden, wobei die Düsenkappe (77) aufweist:
einen Düsenkappenkörper (78), der ein Flüssigkeitsstrahlloch (79) bildet, das axial ausgerichtet ist und sich durch das Zentrum des Düsenkappenkörpers (78) erstreckt,
einen Mehrzahl von axialen Unterstützungsgaskanälen (81a, 81b) und statischen Unterstützungsgaskanälen (32), die in Fluidverbindung mit einer Quelle eines Unterstützungsgases (31) sind, wobei die Mehrzahl von axialen Unterstützungsgaskanälen (81a, 81b) und die Mehrzahl von statischen Unterstützungsgaskanälen (32) durch Eingangsanschlüsse (71a, 7b) in den Düsenkappenkörper (78) führt, die in einem Ringmuster konzentrisch mit dem Flüssigkeitsstrahlloch (79) positioniert sind und sich durch den Düsenkappenkörper (78) erstrecken, um individuell Unterstützungsgas (31) zu axialen Ausgangsanschlüssen (91a, 91b) und statischen Ausgangsanschlüssen (35) zu fördern, die positioniert sind, um Unterstützungsgas (31) benachbart zum Flüssigkeitsstrahl (33) abzugeben; und
wobei zumindest ein Teil der Mehrzahl von axialen Unterstützungskanälen (81a, 81b) von der Fluidverbindung mit dem Flüssigkeitsstrahlloch (79) getrennt ist.

2. Kopfanordnung (21) nach Anspruch 1, wobei zumindest ein Teil der axialen Ausgangsanschlüsse (91a, 91b) positioniert sind, um das Unterstützungsgas (31) unter einem Flüssigkeitsstrahlkonvergenzwinkel θ in einem Bereich von etwa 10 Grad bis etwa 40 Grad auszustoßen.

3. Kopfanordnung (21) nach Anspruch 1 oder 2, wobei zumindest ein Teil der statischen Ausgangsanschlüsse (35) zur radialen Fluidverbindung mit dem Flüssigkeitsstrahlloch (79) positioniert ist.

4. Kopfanordnung (21) nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Durchmesser der Mehrzahl von axialen Unterstützungsgaskanälen (81a, 81b) und der Mehrzahl von statischen Unterstützungsgaskanälen (32) in einem Bereich von etwa 0,005 Zoll bis etwa 0,03 Zoll liegt.

5. Kopfanordnung (21) nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, außerdem aufweisend eine Blende (42) die abnehmbar in einem Blendenschlitz (41) angeordnet ist.

6. Kopfanordnung (21) nach Anspruch 5, wobei die Blende (42) rechtwinklig zu der Axialrichtung des Flüssigkeitsstrahls (33) positioniert ist und sich ausreichend weit erstreckt, um eine Verbindung von Unterstützungsgas (31) durch die Blende (42) zu blockieren.

7. Kopfanordnung (21) nach Anspruch 5 oder 6, außerdem aufweisend ein Blendenloch, das ein Seitenverhältnis im Bereich von etwa 1:4 bis 1:10 definiert.

8. Kopfanordnung (21) nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kopplungseinheit (57) eine Flüssigkeit zur Versorgung eines Ringkanals (69) aufweist.

9. Kopfanordnung (21) nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, außerdem aufweisend einen Unterstützungsgasverteiler (83), der dazu eingerichtet ist, Unterstützungsgas (31) zu der Mehrzahl von axialen Unterstützungskanälen (81a, 81b) und der Mehrzahl von statischen Unterstützungsgaskanälen (32) durch einen Ringraum (85) zuzuführen.

10. Kopfanordnung (21) nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kopplungseinheit (57) ein Fensterelement (62) aufweist, das abnehmbar an der Düsenanordnung (60) angeordnet ist.

11. Flüssigkeitsstrahlgeführtes Lasersystem (20) aufweisend:
eine Seitenbewegungsanordnung (30) die dazu eingerichtet ist an einem Laserfokusoptikmodul (24) angebracht zu werden;
eine Kopplungsanordnung (22) die abnehmbar an der Seitenbewegungsanordnung (30) angebracht ist, wobei die Seitenbewegungsanordnung (30) das Einstellen von Positionen der Kopplungsanordnung (22) in einer Ebene rechtwinklig zum Laserstrahl des flüssigkeitsstrahlgeführten Lasersystems (20) ermöglicht, wobei die Kopplungsanordnung (22) aufweist:
eine Düsenanordnung (60) die abnehmbar mit einer Kopplungseinheit (57) verbunden ist, wobei die Düsenanordnung (60) eine Axialrichtung und eine Radialrichtung definiert und eine Flüssigkeitsstrahldüse (65) und eine Düsenkappe (77) aufweist, wobei die Flüssigkeitsstrahldüse (65) dazu eingerichtet ist, einen Flüssigkeitsstrahl (33) zu bilden, wobei die Düsenkappe (77) aufweist:
einen Düsenkappenkörper (78), der ein Flüssigkeitsstrahlloch (79) aufweist, das axial ausgerichtet ist und sich durch das Zentrum des Düsenkappenkörpers (78) erstreckt,
eine Mehrzahl von axialen Unterstützungsgaskanälen (81a, 81b) und statischen Unterstützungsgaskanälen (32), die in Fluidverbindung mit einer Quelle eines Unterstützungsgases (31) stehen, wobei die Mehrzahl von axialen Unterstützungsgaskanälen (81a, 81b) und die Mehrzahl von statischen Unterstützungskanälen (32) durch Eingangsanschlüsse (61a, 61b) in den Düsenkappenkörper (78) führt, die in einem ringförmigen Muster konzentrisch mit dem Flüssigkeitsstrahlloch (79) positioniert sind und sich durch den Düsenkappenkörper (78) erstrecken, um individuell Unterstützungsgas (31) zu axialen Ausgangsanschlüssen (91a, 91b) und statischen Ausgangsanschlüssen (35) zu fördern, die positioniert sind, um Unterstützungsgas (31) benachbart zu dem Flüssigkeitsstrahl (33) abzugeben; und
wobei zumindest ein Teil der Mehrzahl von axialen Unterstützungsgaskanälen (81a, 81b) von der Fluidverbindung mit dem Flüssigkeitsstrahlloch (79) getrennt ist.

Description:
GEBIET DER OFFENBARUNG

Allgemein ist eine Düsenkappe für ein flüssigkeitsstrahlgesteuertes Lasersystem offenbart. Insbesondere entkoppelt die Düsenkappe den Flüssigkeitsstrahl von dem axialen Unterstützungsgas, um die Unterbrechung des Flüssigkeitsstrahls zu reduzieren.

HINTERGRUND DER OFFENBARUNG

Eine flüssigkeitsstrahlgesteuerte Lasertechnologie, die auch manchmal als „Liquid Micro Jet“ (LMJ) bezeichnet wird, koppelt den Laserstrahlfokus in eine kleinen Flüssigkeitsstrahl, zum Beispiel durch eine Fokussierlinse. Diese Kopplung findet in einer Kopplungseinheit statt. Die Kopplungseinheit kann eine Metallkammer auf der Seite der Fokussierlinse aufweisen, die mit einem Laserschutzfenster geschlossen ist. Die entgegengesetzte Seite der Kammer trägt eine Düse. Flüssigkeit, die der Kopplungseinheit bereitgestellt wird, strömt zwischen dem Fenster und der Düse und verlässt die Düse in der Gestalt eines Flüssigkeitsstrahls. Die Energie des Laserpunktes in der Fokusebene ist innerhalb des Flüssigkeitsstrahls enthalten und durch interne Reflexion zu dem Werkstück geleitet. Dieses Verfahren eliminiert die Notwendigkeit, den Abstand zum Werkstück genau zu steuern, weil die erforderliche Energie zur Durchführung der Verarbeitung durchgängig durch die laminare Länge des Flüssigkeitsstrahls verfügbar ist. Irgendeine Flüssigkeit, die geeignete Lichtleistungsfähigkeiten bereitstellt, kann verwendet werden, um den Flüssigkeitsstrahl zu bilden.

Die laminare Länge des Flüssigkeitsstrahls kann erhöht werden, um den Arbeitsabstand des Prozesses zu erhöhen, in dem ein Unterstützungsgas für den Flüssigkeitsstrahl bereitgestellt wird. Das Unterstützungsgas ist als unmittelbare Grenzschicht für den Flüssigkeitsstrahl geführt, um den Widerstand zwischen der Flüssigkeit und der umgebenden Luft zu reduzieren und dabei die laminare Länge des Flüssigkeitsstrahls zu erhöhen. Daher ist der Flüssigkeitsstrahl durch das Unterstützungsgas umgeben und das Unterstützungsgas ist innerhalb der Kopplungseinheit zu dem Flüssigkeitsstrahl hin gerichtet. Zum Beispiel kann das Unterstützungsgas in einer horizontalen Ebene in die Kopplungseinheit zu dem Flüssigkeitsstrahl hin gelangen, der sich in einer vertikalen Ebene fortbewegt. Das Unterstützungsgas und der Flüssigkeitsstrahl verlassen dann das System, wobei der Flüssigkeitsstrahl in der Mitte durch das Unterstützungsgas umschlossen ist.

Es besteht eine Abhängigkeit zwischen dem Unterstützungsgas und dem Flüssigkeitsstahl. Zum Beispiel können die Druck- und Strömungseigenschaften des Unterstützungsgases ausgewählt werden, um die laminare Strömung des Flüssigkeitsstrahls zu optimieren. Andere Betriebszustände des Unterstützungsgases können den Flüssigkeitsstrahl nachteilig beeinträchtigen. Zum Beispiel kann ein hoher Druck des Unterstützungsgases die laminare Strömung des Flüssigkeitsstrahls verkürzen und ein noch höherer Druck des Unterstützungsgases kann den Flüssigkeitsstrahl zerstören. Das Unterstützungsgas kann auch die interne Reflexion des Laserstrahls in dem Flüssigkeitsstrahl unterbrechen und dadurch die Laserverarbeitungsleistung beeinträchtigen.

KURZE BESCHREIBUNG DER OFFENBARUNG

Aspekte und Vorteile der Offenbarung werden teilweise in der nachfolgenden Beschreibung ausgeführt oder können von der Beschreibung offenbar werden oder können durch Ausführen der Offenbarung erlernt werden.

Es ist eine Kopfanordnung für ein flüssigkeitsstrahlgesteuertes Lasersystem mit einer Kopplungseinheit offenbart, die abnehmbar an einem Laserfokusoptikmodul des Lasersystems angeordnet ist. Die Kopplungseinheit hat eine Düsenanordnung, die abnehmbar mit der Kopplungseinheit verbunden ist. Die Düsenanordnung definiert eine axiale Richtung und eine radiale Richtung und hat eine Flüssigkeitsstrahldüse und eine Düsenkappe. Die Flüssigkeitsstrahldüse ist dazu eingerichtet, einen Flüssigkeitsstrahl zu bilden. Die Düsenkappe hat einen Düsenkappenkörper, der ein Flüssigkeitsstrahlloch bildet, das axial ausgerichtet ist und sich durch das Zentrum des Düsenkappenkörpers erstreckt. Eine Mehrzahl von axialen Unterstützungsgaskanälen und statischen Unterstützungskanälen steht in Fluidverbindung mit einer Unterstützungsgasquelle und führen über Eingangsanschlüsse in den Düsenkappenkörper, die in einem ringförmigen Muster konzentrisch mit dem Flüssigkeitsstrahlloch positioniert sind. Die axialen Unterstützungsgaskanäle und die statischen Unterstützungsgaskanäle erstrecken sich durch den Düsenkappenkörper, um individuell Unterstützungsgas zu axialen Ausgangsanschlüssen und statischen Ausgangsanschlüssen zu fördern, die positioniert sind, um Unterstützungsgas nahe des Flüssigkeitsstrahls abzugeben. Zumindest ein Teil der Mehrzahl von Unterstützungsgaskanälen ist von der Fluidverbindung mit dem Flüssigkeitsstrahlloch getrennt. Auch offenbart ist das flüssigkeitsstrahlgeführte Lasersystem, aufweisend eine Seitenbewegungsanordnung, die dazu eingerichtet ist, das Laserfokusoptikmodul an der Kopplungseinheit zu befestigen, die mit der Seitenbewegungsanordnung befestigt ist.

Bei irgendeinem Ausführungsbeispiel der Kopfanordnung kann es vorteilhaft sein, dass zumindest ein Teil der axialen Ausgangsanschlüsse positioniert sind, um das Unterstützungsgas zu einem Flüssigkeitsstrahlkonvergenzwinkel θ in einem Bereich von ungefähr 10 Grad bis ungefähr 40 Grad auszustoßen.

Bei irgendeinem Ausführungsbeispiel der Kopfanordnung kann es vorteilhaft sein, dass zumindest ein Teil der statischen Ausgangsanschlüsse zur radialen Fluidverbindung mit dem Flüssigkeitsstrahlloch positioniert ist.

Bei irgendeinem Ausführungsbeispiel der Kopfanordnung kann es vorteilhaft sein, dass der Durchmesser der Mehrzahl von axialen Unterstützungsgaskanälen und die Mehrzahl von statischen Unterstützungsgaskanälen in dem Bereich von ungefähr 0,005 Zoll bis ungefähr 0,03 Zoll ist.

Bei irgendeinem Ausführungsbeispiel der Kopfanordnung kann es vorteilhaft sein, dass die Kopfanordnung außerdem eine Blende aufweist, die abnehmbar in einem Blendenschlitz angeordnet ist.

Bei irgendeinem Ausführungsbeispiel der Kopfanordnung kann es vorteilhaft sein, dass die Blende rechtwinklig zu der Axialrichtung des Flüssigkeisstrahls angeordnet ist und sich ausreichend weit erstreckt, um die Unterstützungsgasverbindung durch die Blende zu blockieren.

Bei irgendeinem Ausführungsbeispiel der Kopfanordnung kann es vorteilhaft sein, dass die Kopfanordnung außerdem ein zentrales Blendenloch aufweist, das ein Seitenverhältnisbereich von ungefähr 1:2 bis 1:10 bildet.

Bei irgendeinem Ausführungsbeispiel der Kopfanordnung kann es vorteilhaft sein, dass die Kopplungseinheit eine Flüssigkeit zur Versorgung eines Ringkanals aufweist.

Bei irgendeinem Ausführungsbeispiel der Kopfanordnung kann es vorteilhaft sein, dass die Kopfanordnung außerdem einen Unterstützungsgasverteiler aufweist, der dazu eingerichtet ist, das Unterstützungsgas zu der Mehrzahl von axialen Unterstützungsgaskanälen und der Mehrzahl von statischen Unterstützungsgaskanälen durch einen Ringraum zuzuführen.

Bei irgendeinem Ausführungsbeispiel der Kopfanordnung kann es vorteilhaft sein, dass die Kopplungseinheit ein Fensterelement aufweist, das abnehmbar an der Düsenanordnung angeordnet ist.

Ein anderer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein flüssigkeitsgesteuertes Lasersystem, aufweisend: eine Seitenbewegungsanordnung die dazu eingerichtet ist, mit dem Laserfokusoptikmodul befestigt zu werden; eine Kopplungsanordnung, die abnehmbar an der Seitenbewegungsanordnung befestigt ist, wobei die Seitenbewegungsanordnung das Einstellen von Positionen der Kopplungsanordnung in einer Ebene rechtwinklig zu dem Laserstrahl des flüssigkeitsgeführten Lasersystems ermöglicht. Die Kopplungsanordnung weist auf: eine Düsenanordnung, die abnehmbar mit einer Kopplungseinheit verbunden ist, wobei die Düsenanordnung eine axiale Richtung und eine radiale Richtung definiert und eine Flüssigkeitsstrahldüse und eine Düsenkappe aufweist, wobei die Flüssigkeitsstrahldüse dazu eingerichtet ist, einen Flüssigkeitsstrahl zu bilden. Die Düsenkappe weist auf: einen Düsenkappenkörper, der ein Flüssigkeitsstrahlloch bildet, das axial ausgerichtet ist und sich durch das Zentrum des Düsenkappenkörpers erstreckt, eine Mehrzahl von axialen Unterstützungsgaskanälen und statischen Unterstützungsgaskanälen, die in Fluidverbindung mit einer Unterstützungsgasquelle stehen, wobei die Mehrzahl von axialen Unterstützungskanälen und die Mehrzahl von statischen Unterstützungsgaskanälen durch Eingangsanschlüsse in den Düsenkappenkörper führen, die in einem ringförmigen Muster konzentrisch mit dem Flüssigkeitsstrahlloch positioniert sind und sich durch den Düsenkappenkörper erstrecken, um individuell Unterstützungsgas zu axialen Ausgangsanschlüssen und statischen Ausgangsanschlüssen zu fördern, die positioniert sind, um das Unterstützungsgas in der Nähe des Flüssigkeitsstrahls abzugeben; und wobei zumindest ein Teil der Mehrzahl von axialen Unterstützungsgaskanälen von der Fluidverbindung mit dem Flüssigkeitsstrahlloch getrennt ist.

Bei irgendeinem Ausführungsbeispiel kann es vorteilhaft sein, dass zumindest ein Teil der axialen Ausgangsanschlüsse positioniert ist, um das Unterstützungsgas unter einem Flüssigkeitsstrahlkonvergenzwinkel θ in einem Bereich von ungefähr 10 Grad bis ungefähr 40 Grad auszustoßen.

Bei irgendeinem Ausführungsbeispiel des Lasersystems kann es vorteilhaft sein, dass zumindest ein Teil der statischen Ausgangsanschlüsse zur radialen Fluidverbindung mit dem Flüssigkeitsstrahlloch positioniert ist.

Bei irgendeinem Ausführungsbeispiel des Lasersystems kann es vorteilhaft sein, dass der Durchmesser der Mehrzahl von axialen Unterstützungsgaskanälen und der Mehrzahl von statischen Unterstützungskanälen in dem Bereich von ungefähr 0,005 Zoll bis ungefähr 0,03 Zoll ist.

Bei irgendeinem Ausführungsbeispiel der Lasersystems kann es vorteilhaft sein, dass das Lasersystem außerdem eine Blende aufweist, die abnehmbar in einem Blendenschlitz angeordnet ist.

Bei irgendeinem Ausführungsbeispiel der Lasersystems kann es vorteilhaft sein, dass die Blende rechtwinklig zu der Axialrichtung des Flüssigkeitsstrahl positioniert ist und sich ausreichend weit erstreckt, um die Unterstützungsgasverbindung durch die Blende zu blockieren.

Bei irgendeinem Ausführungsbeispiel des Lasersystems kann es vorteilhaft sein, dass das Lasersystem außerdem ein zentrales Blendenloch aufweist, das ein Seitenverhältnis im Bereich von ungefähr 1:2 bis 1:10 bildet.

Bei irgendeinem Ausführungsbeispiel der Lasersystems kann es vorteilhaft sein, dass die Kopplungseinheit eine Flüssigkeit zur Versorgung eines Ringkanals aufweist.

Bei irgendeinem Ausführungsbeispiel des Lasersystems kann es vorteilhaft sein, dass das Lasersystem außerdem einen Unterstützungsgasverteiler aufweist, der dazu eingerichtet ist, Unterstützungsgas zu der Mehrzahl von axialen Unterstützungsgaskanälen und der Mehrzahl von statischen Unterstützungsgaskanälen.

Bei irgendeinem Ausführungsbeispiel des Lasersystems kann es vorteilhaft sein, dass die Kopplungseinheit ein Fensterelement aufweist, das abnehmbar an der Düsenanordnung angeordnet ist.

Diese und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden besser unter Bezugnahme auf die nachfolgende Beschreibung und die beigefügten Ansprüche verstanden werden. Die beigefügten Zeichnungen, die beinhaltet sind und einen Teil dieser Spezifikation darstellen, veranschaulichen Ausführungsbeispiele der Offenbarung und dienen gemeinsam mit der Beschreibung dazu, die Prinzipien der Offenbarung zu erläutern.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Eine vollständige und ausführbare Offenbarung der vorliegenden Erfindung, einschließlich des bevorzugten Ausführungsbeispiels davon, die sich an einen Durchschnittsfachmann richtet, ist in der Spezifikation ausgeführt, die Bezug nimmt auf die beigefügten Figuren, in denen:

1 einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer Kopfanordnung zeigt;

2 eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels der Düsenkappe ist;

3 eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel einer Düsenkappe ist;

4 eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels der Düsenkappe ist;

5 eine perspektivische Darstellung eines anderen Ausführungsbeispiels der Düsenkappe ist, die statische Unterstützungsgasanschlüsse aufweist;

6 eine Endansicht eines Ausführungsbeispiels der Düsenkappe ist.

Das wiederholte Verwenden von Bezugszeichen in der vorliegenden Spezifikation und in den Zeichnungen ist dazu bestimmt, dasselbe oder analoge Merkmale oder Elemente der vorliegenden Offenbarung darzustellen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER OFFENBARUNG

Es wird nunmehr im Detail Bezug genommen auf Ausführungsbeispiele der Offenbarung, von denen ein oder mehrere Beispiele in den Zeichnungen veranschaulicht sind. Jedes Beispiel ist zur Erläuterung der Offenbarung und nicht zur Beschränkung der Offenbarung bereitgestellt. Tatsächlich wird es den Fachleuten offenbar werden, dass verschiedene Veränderungen und Abwandlungen in der vorliegenden Offenbarung gemacht werden können, ohne von dem Schutzbereich oder dem Gedanken der Offenbarung abzuweichen. Zum Beispiel können Merkmale, die als Teil eines Ausführungsbeispiels veranschaulicht oder beschrieben sind, bei einem anderen Ausführungsbeispiel verwendet werden, um noch zu einem weiteren Ausführungsbeispiel zu führen. Daher ist es beabsichtigt, dass die vorliegende Offenbarung solche Veränderungen und Abwandlungen umfasst, die innerhalb des Schutzbereichs der beigefügten Ansprüche und deren Äquivalente liegen.

Wie es hierin verwendet wird, beziehen sich die Begriffe „axial“ und „radial“ auf relative Richtungen mit Bezug auf eine Fluidströmung in dem zentralen Fluiddurchgang, wobei „axial“ parallel zu dem zentralen Fluiddurchgang und „radial“ rechtwinklig zu dem zentralen Fluiddurchgang und von einem gemeinsamen zentralen Punkt in dem zentralen Fluiddurchgang divergierend ist. Auch bezieht sich „stromaufwärts“ auf eine Richtung, aus der das Fluid strömt und „stromabwärts“ bezieht sich auf eine Richtung, in die das Fluid strömt.

Alle Richtungsbezeichnungen (zum Beispiel radial, axial, proximal, distal, oberes, unteres, nach oben, nach unten, links, rechts, seitlich, vorne, hinten, Decke, Boden, über, unter, vertikal, horizontal, im Uhrzeigersinn, gegen den Uhrzeigersinn) sind nur zu Identifikationszwecken verwendet, um das Verständnis des Lesers zu unterstützen und erzeugen keine Beschränkungen, insbesondere auf die Position, Ausrichtung oder die Verwendung der Erfindung. Verbindungsbezugnahmen (zum Beispiel bestickt, gekoppelt, verbunden und vereinigt) sind bereit auszulegen und können Zwischenelemente zwischen einer Sammlung von Elementen und Relativbewegungen zwischen Elementen aufweisen, solange nichts anderes angegeben ist. Als solche lassen Verbindungsbezugnahmen nicht notwendigerweise den Schluss zu, dass zwei Elemente unmittelbar verbunden und in einem festen Bezug zueinander stehen. Beispielhafte Zeichnungen dienen nur zum Zwecke der Veranschaulichung und die Dimensionen, Positionen, Reihenfolge oder relative Größen, die in den hier beigefügten Zeichnungen wiedergegeben sind, können variieren.

1 zeigt einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel der Kopfanordnung (21) eines flüssigkeitsgeführten Lasersystems 20, das eine Kopplungsanordnung 22 enthalten kann, die mit einem Laserfokusoptikmodul 24 gekoppelt ist. Das Laserfokusoptikmodul 24 kann einen Laserstrahl 26 und ein optisches Element, wie etwa eine Fokussierlinse 28 aufweisen. Bei einigen Ausführungsbeispielen wird das Einstellen des Fokus des Laserstrahls 26 durch eine Seitenbewegungsanordnung 30 unterstütz, die zwischen dem Laserfokusoptikmodul 24 und der Kopplungsanordnung 22 koppelnd angeordnet werden kann, wodurch es der Kopplungsanordnung 22 ermöglicht wird, sich in einer Seitenebene rechtwinklig zur Richtung des Laserstrahls 26 zu bewegen.

Eine Befestigung 51 hat ein ringförmiges Befestigungsteil 53, wobei die Befestigung 51 eine Art von Trichter bildet, um den fokussierten Laserstrahl 26 von dem Laserfokusoptikmodul 24 durch die Seitenbewegungsanordnung 30 durchzulassen. Der Laserstrahl 26 ist durch das Fensterelement 62 in der Flüssigkeitsdüse 71 in der Flüssigkeitsstrahldüse 65 fokussiert. Die Befestigung 51 umgibt die Kopplungseinheit 57 in einer ringförmigen Gestalt und hält sie in einer koaxialen Ausrichtung. Das Oberteil der Kopplungseinheit 57 hat eine Öffnung 59, die sich konisch von oben nach unten verjüngt. Am unteren Ende der konischen Öffnung 59 ist eine Schulter gebildet, auf der das Fensterelement 62 anliegt. An der Unterseite des Fensterelements 62 ist eine Düsenanordnung 60 mit einer Flüssigkeitsstrahldüse 65 und einer Düsenkappe 77. Ein dünner Zwischenraum 63 dient als Flüssigkeitseinströmverbindung zwischen dem Fensterelement 62 und der Flüssigkeitsstrahldüse 65.

Die Flüssigkeit 70 (zum Beispiel Wasser) wird unter dem erforderlichen Druck (zum Beispiel 400 bar) mittels eines Ringkanals 69 und dann über radiale Verbindungen 67 in den Zwischenraum 63 zugeführt. Die Flüssigkeitsstrahldüse 65 ist von unten in einen zylindrischen Innenraum der Kopplungseinheit 57 benachbart zu der Flüssigkeitsdüse 71 eingesetzt. Die Flüssigkeitsstrahldüse 65 hat an ihrer Oberseite, die dem Zwischenraum 63 zugewandt ist, eine Ausnehmung, in die die Flüssigkeitsdüse 71 eingesetzt ist. Die Flüssigkeitsdüse 71 hat einen zentralen, axialen Kanal, der den feinen Strahl der Flüssigkeit 33 bildet (siehe 2), der die Laserstrahlung nach Art eine optischen Wellenleiters leitet. Der Kanal hat einen Durchmesser, der dem Durchmesser des gewünschten Strahls der Flüssigkeit entspricht, zum Beispiel 30 bis 60 Mikrometer.

Benachbart zu der Flüssigkeitsdüse 71 ist ein Gasrückhalteraum, der beim vorliegenden Beispiel von einem oberen Teilraum 73 und einem unteren Teilraum 75 gebildet ist. Dies ermöglicht es dem Unterstützungsgas 31, das an dem unteren Ende der Flüssigkeitsstrahldüse 65 zugeführt wird, sich ohne Unterbrechung des Strahls der Flüssigkeit 33 auszudehnen.

2 bis 6 sind verschiedene Ansichten einer Düsenkappe 77, die einer Unterseite der Flüssigkeitsstrahldüse 65 angebracht ist. Die Düsenkappe 77 ist an einer Stelle verbunden, wo der obere Teilraum 73 und der untere Teilraum 75 aneinander anschließen. Die Düsenkappe 77 hat einen Düsenkappenkörper 78, der ein Flüssigkeitsstrahlloch 79 bildet, das axial ausgerichtet ist und sich durch das Zentrum des Düsenkappenkörpers 78 von der Ausnehmung, die den unteren Teilraum 75 bildet, bis zur unteren Spitze erstreckt. Er verjüngt sich von oben nach unten konisch in einer Axialrichtung. Das Flüssigkeitsstrahlloch 79 hat einen Durchmesser von beispielsweise 1–2 mm.

Die Düsenkappe 77 hat einen Unterstützungsgasverteiler 83 (1), der benachbart zu der oberen Fläche der Düsenkappe 77 positioniert ist. Der Verteiler 83 wird über einen Ringraum 85 (siehe 1) versorgt. Von dem Verteiler 83 wird das Unterstützungsgas 31 in eine Mehrzahl von axialen Unterstützungsgaskanälen 81a, 81b und statischen Unterstützungsgaskanälen 32 eingeleitet. Die Mehrzahl von axialen Gaskanälen 81a, 81b und statischen Unterstützungskanälen 32 kann irgendeine Anzahl von Kanälen sein, die geeignet ist, das Unterstützungsgas 31 an die verschiedenen Stellen zu leiten. Die Durchmesser sowohl von den axialen Unterstützungsgaskanälen 81a, 81b und statischen Unterstützungsgaskanälen 32 können unterschiedlich oder gleich sein und können im Bereich von ungefähr 0,005 Zoll Durchmesser bis 0,03 Zoll Durchmesser betragen. Die Mehrzahl von axialen Unterstützungsgaskanälen 81a, 81b steht in Fluidverbindung mit einer Unterstützungsgasquelle 31, und führt durch Eingangsanschlüsse 61a, 61b (2) in den Düsenkappenkörper 78 und sind in einem ringförmigen Muster konzentrisch mit dem Flüssigkeitsstrahlloch 79 positioniert. Die statischen Unterstützungsgaskanäle 32 sind auch in Fluidverbindung mit der Unterstützungsgasquelle 31 und können positioniert sein, um sich in einem radialen Muster zu erstrecken, um statisches Unterstützungsgas rechtwinklig zu dem zentralen Fluiddurchgang abzugeben. Die axialen Unterstützungsgaskanäle 81a, 81b erstrecken sich durch den Düsenkappenkörper 78, um individuell Unterstützungsgas 31 zu axialen Ausgangsanschlüssen 91a, 91b zu fördern, die positioniert sind, um Unterstützungsgas 31 in der Nähe des Flüssigkeitsstrahls 33 abzugeben. Zumindest ein Teil der axialen Unterstützungsgaskanäle 81a, 81b ist von der Fluidverbindung mit dem Flüssigkeitsstrahlloch 79 getrennt, um das Unterstützungsgas 31 von dem Flüssigkeitsstrahl 33 zu entkoppeln. Die axialen Ausgangsanschlüsse 91a, 91b können als axiale Ausgangsanschlüsse ausgebildet sein, um das Unterstützungsgas in einem Flüssigkeitsstrahlkonvergenzwinkel θ in einem Bereich von ungefähr 10 Grad bis ungefähr 40 Grad auszustoßen.

2 und 5 zeigen ein Ausführungsbeispiel einer Blende 42, die abnehmbar in einem Blendenschlitz angeordnet ist und rechtwinklig zu der Axialrichtung durch das Flüssigkeitsstrahlloch 79 positioniert ist und sich ausreichend weit erstreckt, um eine Unterstützungsverbindung durch die Blende 42 zu blockieren. Die Blende kann ungefähr 0,04 Zoll bis 0,5 Zoll dick mit einem zentralen Loch von etwa 0,02 Zoll bis 0,05 Zoll Durchmesser sein. Diese Dimensionen können innerhalb eines Seitenverhältnisses (Lochdurchmesser: Blendendicke) von zwischen ungefähr 1:2 und 1:10 variieren. 3 und 4 sind Ansichten der in 2 gezeigten Düsenkappe 77 von oben und in der Perspektive.

5 ist eine andere Ausführungsgestalt der Düsenkappe 77 mit einer Mehrzahl von statischen Unterstützungsgaskanälen 32 mit statischen Ausgangsanschlüssen 35, die positioniert sind, um in den unteren Abschnitt 75 auszuleiten. Die statischen Ausgangsanschlüsse 35 treten am Düsenkappenkörper 78 in einem radialen Muster aus, um das statische Unterstützungsgas 31 ungefähr rechtwinklig zu dem zentralen Fluiddurchgang abzugeben. Die statischen Ausgangsanschlüsse divergieren von einem gemeinsamen Mittelpunkt in dem zentralen Fluiddurchgang. 6 ist eine Ansicht von unten des Ausführungsbeispiels aus 4.

Additive Herstellungstechnologien, die zur Herstellung der Düsenkappe 77 mit den axialen Unterstützungsgaskanälen 81a, 81b, den statischen Unterstützungsgaskanälen 32, der Blende 42 und anderen Abschnitten der LMJ-Kopfanordnung (21) geeignet sind, enthalten, sind aber nicht beschränkt auf Materialstrahlen, Bindemittelstrahlen, Materialextrusion, Pulverbettfusion, Direktmetalllaserschmelzen, selektives Laserschmelzen, selektives Lasersintern, Direktmetalllasersintern, Elektronenstrahlschmelzen, selektives Wärmesintern, Folienlaminieren, Ablagern mit gerichteter Energie und/oder Kombinationen davon.

Die schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung zu offenbaren, einschließlich des bevorzugten Ausführungsbeispiels und auch um irgendeinen Fachmann auf dem Gebiet in die Lage zu versetzen, die Erfindung auszuführen, einschließlich des Herstellens und der Verwendung irgendwelcher Einrichtungen oder Systeme und des Ausführens irgendwelcher beinhalteter Verfahren. Der patentierbare Schutzbereich der Offenbarung ist durch die Ansprüche definiert und kann andere Beispiele beinhalten, die Fachleuten offenbar werden. Solche anderen Beispiele sind dazu bestimmt innerhalb des Schutzbereichs der Ansprüche zu liegen, wenn sie strukturelle Elemente enthalten, die nicht vom Wortlaut der Ansprüche abweichen oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit nicht substanziellen Unterschieden von dem Wortlaut der Ansprüche enthalten.

Offenbart ist eine Kopfanordnung 21 für ein flüssigkeitsstrahlgesteuertes Lasersystem 20 mit einer Kopplungseinheit 57, die abnehmbar an einem Laserfokusoptikmodul 24 des Lasersystems 20 angeordnet ist. Die Kopplungseinheit 57 hat eine Düsenanordnung 60, die abnehmbar mit der Kopplungseinheit 57 verbunden ist. Die Düsenanordnung 60 hat eine Flüssigkeitsstrahldüse und eine Düsenkappe 77. Die Düsenkappe 77 hat eine Mehrzahl von axialen Unterstützungsgaskanälen 81a, 81b und statische Unterstützungsgaskanäle 32, die in Fluidverbindung mit einer Unterstützungsgasquelle 31 stehen und sich durch den Düsenkappenkörper 78 erstrecken, um individuell Unterstützungsgas 31 zu axialen Ausgangsanschlüssen 91a, 91b und statischen Ausgangsanschlüssen 35 zu fördern, die positioniert sind, um Unterstützungsgas 31 in der Nähe des Flüssigkeitsstrahls 33 abzugeben. Zumindest ein Teil der Mehrzahl von axialen Unterstützungsgaskanälen 81a, 81b ist von der Fluidverbindung mit dem Flüssigkeitsstrahlloch 79 getrennt. Eine Seitenbewegungsanordnung 30 kann zwischen dem Laserfokusoptikmodul 24 und einer Kopplungsanordnung 22 eingerichtet sein. BEZUGSZEICHENLISTE:

BezugszeichenKomponente20Flüssigkeitsstrahlgesteuertes Lasersystem 21Kopfanordnung22Kopplungsanordnung24Laserfokusoptikmodul26Laserstrahl28Fokussierlinse30Seitenbewegungsanordnung31Unterstützungsgas32Statische Unterstützungsgaskanäle33Flüssigkeitsstrahl35Statische Ausgangsanschlüsse40Seitenbewegungsanordnung41Blendenschlitz42Blende50Laserfokusoptikmodul51Befestigung53Ringförmiges Verbindungsteil55Ausstoßkanal57Kopplungseinheit59Konische Öffnung60Düsenanordnung61a, 61bEingangsanschlüsse62Fensterelement63Zwischenraum65Flüssigkeitsstrahldüse67Radiale Verbindungen69Ringförmige Leitung70Flüssigkeit71Flüssigkeitsdüse73Oberer Teilraum75Unterer Teilraum77Düsenkappe78Düsenkappenkörper79 Flüssigkeitsstrahlloch81a, 81bAxiale Unterstützungsgaskanäle83Unterstützungsgasverteiler85Ringraum91a, 91bAxiale AusgangsanschlüsseθFlüssigkeitsstrahlkonvergenzwinkel