Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bearbeitung einer Oberfläche eines Werkstücks mit einem Laserstrahl mit einem Lasersystem zur Bereitstellung des Laserstrahls und mit einer Plasmadüse, die zur Erzeugung eines atmosphärischen Plasmastrahls eingerichtet ist, wobei die Plasmadüse einen Düsenkopf aufweist, aus dem im Betrieb ein in der Plasmadüse erzeugter Plasmastrahl austritt, und wobei das Lasersystem und die Plasmadüse so zueinander angeordnet und eingerichtet sind, dass der Laserstrahl im Betrieb aus dem Düsenkopf der Plasmadüse austritt. Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Behandlung einer Oberfläche eines Werkstücks mit einer solchen Vorrichtung.

Unter einer Bearbeitung wird im Rahmen dieser Beschreibung insbesondere die Bearbeitung einer Oberfläche mit einem Laserstrahl verstanden, durch die Oberflächeneigenschaften, wie beispielsweise die Struktur oder die Zusammensetzung der Oberfläche, gezielt modifiziert und für verschiedene Anwendungen optimiert werden können.

Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, mit einem Laserstrahl Oberflächen verschiedener Materialien zu reinigen, Schichten abzutragen oder gezielt in einem diskreten Bereich zu modifizieren. Insbesondere kann die Bearbeitung einer Oberfläche eines Werkstücks mit einem Laserstrahl diese gezielt für nachfolgende Prozessschritte vorbereiten. Beispielsweise dient die Bearbeitung mit einem Laserstrahl bevorzugt dem Vorbehandeln zum Kleben, Schweißen, Löten oder Lackieren von Oberflächen.

Auch findet die Bearbeitung der Oberfläche eines Werkstoffs mit einem Laserstrahl oft Anwendung, um die Oberfläche beständiger gegen Belastungen zu machen. Verfahren wie Laserhärten, -umschmelzen und -beschichten können beispielsweise die Härte und Zähigkeit erhöhen und die Oberflächenstruktur verändern. Zudem kann durch das Bearbeiten der Werkstückoberfläche mit einem Laserstrahl der Verschleiß- oder Korrosionsschutz des Werkstücks verbessert werden. Zusätzlich ist es bekannt, mittels der Bearbeitung einer Oberfläche mit einem Laserstrahl diese zu beschriften oder zu markieren.

Weiterhin ist es bekannt, durch Einsatz eines Plasmastrahls die Bearbeitung einer Oberfläche mit einem Laserstrahl zu verbessern, indem die Oberflächeneigenschaften durch Behandlung mit dem Plasmastrahl vor der Bearbeitung vorteilhaft modifiziert werden. Beispielsweise kann der Plasmastrahl dazu eingesetzt werden, die Absorptionseigenschaften der Oberfläche in Bezug auf den Laserstrahl zu verändern, bevorzugt zu verbessern. So kann die Energieeinkopplung der Strahlung des Lasers in die Oberfläche effektiver gestaltet und beispielsweise der Materialabtrag mittels des Lasers erhöht werden.

Bei der Bearbeitung einer Oberfläche mit einem Laserstrahl, insbesondere bei dem Abtrag von Schichten wie beispielsweise bei der Oberflächenreinigung, wird häufig ein Teil der abgetragenen Partikel wieder auf der Oberfläche deponiert. So kommt es beispielsweise oft vor, dass sich die abgetragenen Verunreinigungen wieder auf der Werkstückoberfläche niederschlagen und diese erneut verunreinigen. Auch können sich durch die Re-deponierung des abgetragenen Materials unerwünschte Mischschichten auf der Werkstückoberfläche bilden. Dies kann zu einer unregelmäßigen Werkstückoberfläche und veränderten Werkstoffeigenschaften in der Umgebung der bearbeiteten Stelle führen.

Um dieses Problem zu überwinden, ist es bekannt, zusätzlich zu dem Laserstrahl auch einen Plasmastrahl auf die zu bearbeitende Stelle auf der Werkstückoberfläche zu richten. Durch den Plasmastrahl kann das vom Laserstrahl abgetragene Material zersetzt oder umgewandelt werden, so dass es sich nicht mehr auf der Werkstückoberfläche niederschlägt. Aus der WO 2017/178580 A1 ist eine Vorrichtung zur Bearbeitung einer Oberfläche eines Werkstücks mit einem Laserstrahl bekannt, bei der mit einer Plasmadüse ein atmosphärischer Plasmastrahl erzeugt wird, welcher im Betrieb zusammen mit dem Laserstrahl aus der Plasmaaustrittsöffnung der Plasmadüse austritt.

Allerdings ist es bislang nicht gelungen, die Bearbeitung einer Oberfläche mit einem Laserstrahl und einem Plasmastrahl auf größeren Werkstückoberflächen effektiv zu gestalten. Insbesondere stellt sich die gleichmäßige Bearbeitung von größeren Werkstückoberflächen als schwierig heraus. Auch kann sich die Wechselwirkung zwischen Laserstrahl und Plasmastrahl, insbesondere eine mögliche Absorption des Laserstrahls durch das Plasma, bei der aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtung nachteilig auf die Intensität des Laserstrahls auswirken, so dass es zu einer ungenügenden Bearbeitung der Werkstückoberfläche mit dem Laserstrahl kommen kann. Zudem wurde festgestellt, dass es bei Ablösung größerer Materialmengen durch den Laserstrahl weiterhin zu deren unerwünschten Niederschlag auf der Werkstückoberfläche kommen kann.

Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine Vorrichtung zur Bearbeitung der Oberfläche eines Werkstücks mit einem Laserstrahl derart weiterzubilden, dass zumindest ein oder mehrere der zuvor genannten Nachteile zumindest teilweise behoben werden.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung zur Bearbeitung einer Oberfläche eines Werkstücks mit einem Laserstrahl mit einem Lasersystem zur Bereitstellung des Laserstrahls und mit einer Plasmadüse, die zur Erzeugung eines atmosphärischen Plasmastrahls eingerichtet ist, wobei die Plasmadüse einen Düsenkopf aufweist, aus dem im Betrieb ein in der Plasmadüse erzeugter Plasmastrahl austritt, und wobei das Lasersystem und die Plasmadüse so zueinander angeordnet und eingerichtet sind, dass der Laserstrahl im Betrieb aus dem Düsenkopf der Plasmadüse austritt, erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Düsenkopf um eine Rotationsachse rotierbar ist, die schräg und/oder versetzt zu dem im Betrieb aus dem Düsenkopf austretenden Plasmastrahl und/oder zu dem im Betrieb aus dem Düsenkopf austretenden Laserstrahl verläuft.

Es wurde festgestellt, dass auf diese Weise der Einwirkungsbereich des Plasmastrahls und/oder des Laserstrahls auf die Werkstückoberfläche vergrößert werden kann. Zum Beispiel kann auf diese Weise bewirkt werden, dass der Plasmastrahl in einem größeren räumlichen Bereich wirkt und etwaige von der Werkstückoberfläche abgelöste Stoffe zersetzt bzw. umwandelt, so dass es zu keiner erneuten Verunreinigung der bearbeiteten Werkstückoberfläche kommt. Zusätzlich oder alternativ kann auf diese Weise zum Beispiel bewirkt werden, dass der Laserstrahl auf einen größeren Bereich der Werkstückoberfläche einwirkt, so dass größere Oberflächenbereiche effektiver bearbeitet bzw. behandelt werden können. Durch ein zusätzliches Bewegen des rotierbaren Düsenkopfes relativ zur Werkstückoberfläche kann beispielsweise ein breiter Oberflächenstreifen bearbeitet werden.

Darüber hinaus wurde festgestellt, dass auf diese Weise auch eine gleichmäßigere Bearbeitung der Werkstückoberfläche erreicht werden kann. Auf diese Weise können die Werkstoffeigenschaften der Oberfläche gezielter beeinflusst bzw. ein Materialabtrag und somit eine Reinigung gleichmäßiger ausgeführt werden, ohne dass es zum Beispiel zu lokal überbehandelten Stellen kommt.

Die Vorrichtung dient zur Bearbeitung einer Oberfläche eines Werkstücks mit einem Laserstrahl. Bei der Bearbeitung einer Oberfläche eines Werkstücks kann es sich insbesondere um die Reinigung der Oberfläche handeln, beispielsweise von organischen Verunreinigungen. Derartige Verunreinigungen lassen sich gut mit einem Laserstrahl abtragen, gelangen jedoch leicht wieder auf die Oberfläche zurück. Mit dem Plasmastrahl können die durch den Laserstrahl abgetragenen organischen Verunreinigungen zersetzt bzw. oxidiert werden, so dass eine erneute Verunreinigung der Oberfläche verhindert wird. In Verbindung mit einem rotierbaren Düsenkopf kann so eine größere Werkstückoberfläche effektiv von Verunreinigungen gereinigt und eine erneute Verunreinigung verhindert werden.

Die Vorrichtung umfasst ein Lasersystem zur Bereitstellung des Laserstrahls. Mit dem Lasersystem kann demnach der Laserstrahl bereitgestellt werden, mit dem die Oberfläche eines Werkstücks bearbeitet werden kann. Das Lasersystem kann eine Laserquelle umfassen, insbesondere einen Festkörperlaser wie zum Beispiel einen Faserlaser. Das Lasersystem kann anstelle einer eigenen Laserquelle auch einen Lichtleiter aufweisen, mit dem ein Laserstrahl von einer externen Laserquelle in das Lasersystem geführt werden kann.

Weiterhin kann das Lasersystem ein Lichtleitsystem zur Leitung des Laserstrahls umfassen, wobei das Lichtleitsystem beispielsweise ein oder mehrere der folgenden Elemente aufweisen kann: Laserkanäle, Lichtleiter, insbesondere Faserlichtleiter wie zum Beispiel Glasfasern, optische Elemente wie zum Beispiel Spiegel, halbdurchlässige Spiegel, Linsen und/oder Strahlteiler. Mittels Lichtleitern ist eine besonders einfache und geometrisch flexible Leitung des Laserlichts möglich. Vorzugsweise weist das Lasersystem weitere optische Elemente auf, um den Laserstrahl auf die zu bearbeitende Oberfläche zu richten und/oder zu fokussieren. Geeignete optische Elemente für diesen Zweck sind beispielsweise Spiegel, insbesondere gekrümmte Spiegel, oder Linsen.

Die Vorrichtung umfasst weiterhin eine Plasmadüse, die zur Erzeugung eines atmosphärischen Plasmastrahls eingerichtet ist. Unter einem Plasmastrahl wird vorliegend ein gerichteter Gasstrahl verstanden, der zumindest teilweise ionisiert ist. Unter einem atmosphärischen Plasmastrahl wird ein Plasmastrahl verstanden, der unter Atmosphärendruck betrieben wird, d.h. bei dem der Plasmastrahl in eine Umgebung gerichtet ist, deren Druck im Wesentlichen bei Atmosphärendruck oder in der Nähe des Atmosphärendrucks liegt, zum Beispiel im Bereich von 800 bis 1300 mbar. Die Plasmadüse weist einen Düsenkopf auf, aus dem im Betrieb ein in der Plasmadüse erzeugter Plasmastrahl austritt. Zu diesem Zweck weist der Düsenkopf insbesondere mindestens eine Plasmaaustrittsöffnung auf, durch die der in der Plasmadüse erzeugte Plasmastrahl aus dem Düsenkopf austreten kann. Durch die Orientierung und geometrische Ausgestaltung des Düsenkopfes und/oder der Plasmaaustrittsöffnung kann der Austrittsort und die Strahlrichtung des Plasmastrahls vorgegeben werden. Der Düsenkopf kann auch mehrere Plasmaaustrittsöffnungen aufweisen, aus denen im Betrieb ein in der Plasmadüse erzeugter Plasmastrahl austritt. Auf diese Weise kann der Plasmastrahl über einen größeren Bereich verteilt werden und/oder kann die Intensität der Plasmaeinwirkung auf die Werkstückoberfläche variiert werden.

Das Lasersystem und die Plasmadüse sind so zueinander angeordnet und eingerichtet, dass der Laserstrahl im Betrieb aus dem Düsenkopf austritt Zu diesem Zweck ist die Plasmadüse insbesondere so ausgestaltet, dass der vom Lasersystem bereitgestellte Laserstrahl durch die Plasmadüse geführt wird und aus dem Düsenkopf austreten kann.

Bevorzugt weist die Plasmadüse eine Hohlelektrode auf, durch die der Laserstrahl geleitet werden kann. Auf diese Weise wird eine vereinfachte Konstruktion des Düsenkopfes ermöglicht. Darüber hinaus kann auf diese Weise auf eine separate Konstruktion für die Führung des Laserstrahls durch den Düsenkopf, beispielsweise auf einen separat ausgebildeten Laserkanal, verzichtet werden.

Der Düsenkopf ist um eine Rotationsachse rotierbar. Beispielsweise kann der Düsenkopf relativ zum übrigen Teil der Plasmadüse rotierbar ausgebildet sein. Es ist aber auch denkbar, dass der Düsenkopf zusammen mit einem anderen Teil der Plasmadüse oder zusammen mit der gesamten Plasmadüse rotierbar ausgebildet ist. Zu diesem Zweck kann der Düsenkopf insbesondere rotationsfest mit der Plasmadüse oder dem mitrotierenden Teil davon ausgebildet sein. Die Rotationsachse verläuft schräg und/oder versetzt zu dem im Betrieb aus dem Düsenkopf austretenden Plasmastrahl und/oder zu dem im Betrieb aus dem Düsenkopf austretenden Laserstrahl.

Demnach kann zum Beispiel die Rotationsachse schräg und/oder versetzt zu dem im Betrieb aus dem Düsenkopf austretenden Plasmastrahl verlaufen. Auf diese Weise kann der Einwirkungsbereich des Plasmastrahls vergrößert werden, so dass durch den Laserstrahl von einer Werkstückoberfläche abgelöste Stoffe über einen größeren Bereich mit dem Plasmastrahl in Wechselwirkung treten können, in dem diese zersetzt und/oder umgewandelt werden können, um eine Verunreinigung der Werkstückoberfläche zu reduzieren. Durch die Rotation des Düsenkopfs kann der Plasmastrahl auf der Werkstückoberfläche auf diese Weise insbesondere eine Kreisbahn überfahren, die beispielsweise mit einer Relativbewegung zwischen Düsenkopf und Werkstückoberfläche überlagert werden kann, so dass ein streifenförmiger Wirkungsbereich des Plasmastrahls auf der Werkstückoberfläche bewirkt wird.

Um die Rotationsachse versetzt zu dem aus der Plasmaaustrittsöffnung austretenden Plasmastrahl anzuordnen, kann die Rotationsachse beispielsweise außerhalb einer zum Auslass des Plasmastrahls vorgesehenen Plasmaaustrittsöffnung des Düsenkopfs verlaufen. Um die Rotationsachse schräg zu dem aus der Plasmaaustrittsöffnung austretenden Plasmastrahl anzuordnen, kann die Rotationsachse zum Beispiel unter einem Winkel im Bereich von 3° bis 75°, vorzugsweise 5° bis 45°, zu dem im Betrieb aus dem Düsenkopf austretenden Plasmastrahl verlaufen.

Vorzugsweise ist der Düsenkopf so konstruiert, dass der Plasmastrahl versetzt und/oder unter einem bestimmten Winkel zur Rotationsachse des Düsenkopfs austritt. Zu diesem Zweck kann der Düsenkopf insbesondere eine Plasmaaustrittsöffnung aufweisen, zu der ein innerhalb des Düsenkopfes vorgesehener Plasmakanal verläuft. Indem die Plasmaaustrittsöffnung versetzt zur Rotationsachse angeordnet wird, kann die Rotationsachse versetzt zum Plasmastrahl angeordnet werden. Zusätzlich oder alternativ kann die Erstreckungsrichtung und/oder Krümmung des Plasmakanals so angepasst werden, dass der Plasmastrahl die Plasmaaustrittsöffnung unter einem Winkel zur Rotationsachse verlässt.

Zusätzlich oder alternativ können auch Ablenkelemente vorgesehen sein, die derart ausgebildet und angeordnet sind, dass der Plasmastrahl schräg zur Rotationsachse aus der Plasmaaustrittsöffnung austritt.

Der Düsenkopf kann derart konstruiert sein, dass der Laserstrahl zumindest abschnittsweise durch den Plasmakanal verläuft. Dies kann die Geometrie des Düsenkopfes vereinfachen, da für den Laserstrahl zumindest abschnittsweise kein separater Laserkanal benötigt wird.

Zusätzlich oder alternativ kann die Rotationsachse schräg und/oder versetzt zu dem im Betrieb aus dem Düsenkopf austretenden Laserstrahl verlaufen. Auf diese Weise kann der Einwirkungsbereich des Laserstrahls vergrößert werden, so dass in effektiver Weise Stoffe, insbesondere Verunreinigungen, in einem größeren Oberflächenbereich von der Werkstückoberfläche abgelöst werden können.

Die oben genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß weiterhin zumindest teilweise gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb der zuvor beschriebenen Vorrichtung bzw. einer Ausführungsform davon, bei dem mit der Plasmadüse ein atmosphärischer Plasmastrahl erzeugt wird, so dass dieser aus dem Düsenkopfaustritt, bei dem mit dem Lasersystem ein Laserstrahl bereitgestellt wird, so dass dieser aus dem Düsenkopf austritt, und bei dem der Düsenkopf um die Rotationsachse rotiert wird.

Die zuvor beschriebene Vorrichtung und das zuvor beschriebene Verfahren können beispielsweise zur Reinigung einer Oberfläche eines Werkstücks verwendet werden.

Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsformen der Vorrichtung und des

Verfahrens beschrieben, wobei die einzelnen Ausführungsformen jeweils sowohl für die Vorrichtung, als auch für das Verfahren anwendbar sind und zudem untereinander kombiniert werden können.

Bei einer ersten Ausführungsform weist der Düsenkopf eine Plasmaaustrittsöffnung auf, aus der im Betrieb der Plasmastrahl austritt, und das Lasersystem und die Plasmadüse sind so zueinander angeordnet und eingerichtet, dass der Laserstrahl im Betrieb aus der Plasmaaustrittsöffnung austritt. Auf diese Weise kann zum Beispiel ein gemeinsames Auftreffen des Laserstrahls und des Plasmastrahls auf der zu bearbeitenden Werkstückoberfläche und somit zum Beispiel ein effektives und beispielsweise unmittelbares Umwandeln der von dem Laserstrahl abgetragenen Partikel der Oberfläche durch den Plasmastrahl erreicht werden. Dies ermöglicht auf einfache Art eine effektive Reinigung der Oberfläche. Weiterhin kann der Düsenkopf konstruktiv vereinfacht werden, da für den Plasmastrahl und den Laserstrahl eine gemeinsame Plasmaaustrittsöffnung vorgesehen werden kann.

Bei einer weiteren Ausführungsform ist das Lasersystem dazu eingerichtet, die Strahlrichtung des Laserstrahls kontinuierlich so zu variieren, dass sich die Position des Laserstrahls im Querschnitt der Plasmaaustrittsöffnung oder der Laseraustrittsöffnung kontinuierlich verändert. Bei einer entsprechenden Ausführungsform des Verfahrens wird die Richtung des Laserstrahls kontinuierlich so variiert, dass sich die Position des Laserstrahls im Querschnitt der Plasmaaustrittsöffnung oder der Laseraustrittsöffnung kontinuierlich verändert. Auf diese Weise kann die vom Laserstrahl behandelte Fläche auf der Oberfläche des Werkstücks erhöht werden.

Unter einer kontinuierlichen Variation wird verstanden, dass die Strahlrichtung des Laserstrahls fortlaufend geändert wird. Das Lasersystem kann beispielsweise eine Spiegeloptik mit einem beweglichen Spiegel aufweisen, durch den die Strahlrichtung des Laserstrahls variiert werden kann. Das Lasersystem variiert die Strahlrichtung des Laserstrahls vorzugsweise zyklisch, beispielsweise derart, dass sich die Position des Laserstrahls im Querschnitt der Plasmaaustrittsöffnung oder Laseraustrittsöffnung auf einer Linie hin- und herbewegt oder auf einem Kreis bewegt.

Bei einer weiteren Ausführungsform weist der Düsenkopf eine Plasmaaustrittsöffnung, aus dem im Betrieb der Plasmastrahl austritt, und eine von der Plasmaaustrittsöffnung separate Laseraustrittsöffnung auf und das Lasersystem und die Plasmadüse sind so zueinander angeordnet und eingerichtet, dass der Laserstrahl im Betrieb aus der Laseraustrittsöffnung austritt.

Durch das Vorsehen einer von der Plasmaaustrittsöffnung separaten Laseraustrittsöffnung kann eine größere Flexibilität des Zusammenwirkens von Plasmastrahl und Laserstrahl erreicht werden. Beispielsweise ist es so möglich, den Plasmastrahl räumlich versetzt zu dem Laserstrahl auf einer zu bearbeitenden Stelle der Werkstückoberfläche auftreffen zu lassen. So kann unter anderem berücksichtigt werden, dass sich das durch den Laserstrahl abgetragene Material zeitlich verzögert nach der Einwirkung des Laserstrahls in einer bevorzugten Richtung verteilt. Der Plasmastrahl kann dann flexibel entsprechend ausgerichtet werden.

Darüber hinaus kann auf diese Weise bei Bedarf die Wechselwirkung des Plasmastrahls mit dem Laserstrahl reduziert werden. Insbesondere kann eine negative Beeinflussung der Intensität des Laserstrahls durch den Plasmastrahl, insbesondere eine Absorption des Laserstrahls, vermindert oder gar vermieden werden. So kann mehr Intensität des Laserstrahls auf die zu bearbeitende Oberfläche aufgebracht werden. Eine verminderte Wechselwirkung führt weiterhin vorteilhaft zu weniger Laserstreulicht und einer verbesserten Fokussierbarkeit des Laserstrahls auf der Werkstückoberfläche. In dem Düsenkopf kann ein zumindest stückweiser Laserkanal vorgesehen sein, der zu der Laseraustrittsöffnung führt. Auf diese Weise kann der Laserstrahl von äußeren Störungen geschützt und eine Aufweitung des Laserstrahls vermieden werden.

Bei einer weiteren Ausführungsform weist die Laseraustrittsöffnung eine kleinere Querschnittsfläche auf als die Plasmaaustrittsöffnung. Bei einer weiteren Ausführungsform weist ein zu der Laseraustrittsöffnung führender Kanal eine geringere Querschnittsfläche auf als ein zu der Plasmaaustrittsöffnung führender Plasmakanal. Auf diese Weise kann der Anteil eines ungewollt aus der Laseraustrittsöffnung austretenden Teils des Plasmastrahls reduziert werden. Vorzugsweise beträgt das Verhältnis der Querschnittsfläche der

Plasmaaustrittsöffnung zu der Querschnittsfläche der Laseraustrittsöffnung und/oder das Verhältnis der Querschnittsfläche des zu der Plasmaaustrittsöffnung führenden Plasmakanals zu der Querschnittsfläche des zu der Laseraustrittsöffnung führenden Kanals beträgt mindestens zwei, vorzugsweise mindestens vier. Die

Querschnittsfläche der Plasmaaustrittsöffnung kann beispielsweise im Bereich von 7 bis 100 mm ² liegen. Die Querschnittsfläche der Laseraustrittsöffnung kann beispielsweise im Bereich von 0,2 bis 20 mm ² , vorzugsweise 0,2 bis 7 mm ² , liegen.

Die Laseraustrittsöffnung kann alternativ auch eine gleich große oder größere Querschnittsfläche aufweisen als die Plasmaaustrittsöffnung, beispielsweise wenn das Lasersystem die Strahlrichtung des Laserstrahls derart variiert, dass sich die Position des Laserstrahls im Querschnitt der Laseraustrittsöffnung bewegt, zum Beispiel auf einer Linie hin- und herbewegt oder auf einem Kreis bewegt.

Bei einer weiteren Ausführungsform verläuft der aus dem Düsenkopf austretende Laserstrahl durch die Rotationsachse. Auf diese Weise kann die konstruktive Komplexität der Vorrichtung reduziert werden, da auf mitrotierende Elemente des Lasersystems teilweise oder vollständig verzichtet werden kann. Weist der Düsenkopf eine Laseraustrittsöffnung auf, kann dies insbesondere dadurch erreicht werden, dass die Rotationsachse durch die Laseraustrittsöffnung läuft. Weist der Düsenkopf eine Plasmaaustrittsöffnung auf, durch die der Laserstrahl aus dem Düsenkopfaustritt, so kann dies insbesondere dadurch erreicht werden, dass die Rotationsachse durch die Plasmaaustrittsöffnung verläuft.

Bei einer weiteren Ausführungsform weist die Plasmadüse ein Gehäuse mit einer Gehäuseachse auf und die Rotationsachse fällt mit der Gehäuseachse zusammen. Auf diese Weise wird eine konstruktiv einfache und raumsparende Vorrichtung erreicht, die durch die Ausrichtung der Rotationsachse an der Gehäuseachse eine geringe Anfälligkeit für Unwuchten sowie ein vergleichsweise geringes Trägheitsmoment aufweist und sich somit gut für hohe Drehgeschwindigkeiten eignet.

Bei einer weiteren Ausführungsform weist die Plasmadüse ein Gehäuse mit einer Gehäuseachse auf und die Rotationsachse verläuft parallel versetzt zu der Gehäuseachse. Auf diese Weise kann ein größerer Abstand zwischen einer am Düsenkopfvorgesehenen Plasmaaustrittsöffnung und/oder Laseraustrittsöffnung und der Rotationsachse erreicht werden, so dass der Einwirkbereich des Plasmastrahls und/oder des Laserstrahls vergrößert wird.

Bei einer weiteren Ausführungsform verläuft die Gehäuseachse durch die Laseraustrittsöffnung. Dies ermöglicht eine vereinfachte Führung des Laserstrahls zum Düsenkopf und somit eine besonders einfache Konstruktion der Vorrichtung. Insbesondere kann die Plasmadüse eine Hohlelektrode aufweisen, durch die der Laserstrahl geleitet werden kann. Die Hohlelektrode verläuft vorzugsweise entlang der Gehäuseachse. Eine solche Ausgestaltung ermöglicht eine in hohem Maße rotationssymmetrische Konstruktion, was für eine gleichmäßige Erzeugung des Plasmastrahls in der Vorrichtung und somit für deren gleichmäßigen Betrieb vorteilhaft sein kann. Die Hohlelektrode kann aber auch versetzt zur Gehäuseachse angeordnet sein, um den Laserstrahl parallel versetzt zur Gehäuseachse aus dem Düsenkopf austreten zu lassen. Dies erlaubt eine erhöhte Flexibilität in Bezug auf die Konstruktion der Vorrichtung. Bei einer Ausführungsform tritt der Laserstrahl unter einem Winkel zur Rotationsachse aus dem Düsenkopf, insbesondere aus der Plasmaaustrittsöffnung oder aus der Laseraustrittsöffnung, aus. Die Gehäuseachse kann in diesem Fall unter einem Winkel zur Rotationsachse verlaufen, parallel zu dieser verlaufen oder mit dieser zusammenfallen. Bei dieser Ausführungsform sind insbesondere das Lasersystem und die Plasmadüse so zueinander angeordnet und eingerichtet, dass der Laserstrahl unter dem Winkel zur Rotationsachse aus dem Düsenkopf austritt.

Bei einer Ausführungsform verläuft die Gehäuseachse durch die Plasmaaustrittsöffnung. Dies ermöglicht eine einfachere, vorzugsweise in hohem Maße rotationssymmetrische, Konstruktion der Vorrichtung.

Bei einer weiteren Ausführungsform weist die Vorrichtung eine zur Erzeugung eines weiteren atmosphärischen Plasmastrahls eingerichtete weitere Plasmadüse mit einem weiteren Düsenkopf auf, aus dem im Betrieb ein in der weiteren Plasmadüse erzeugter Plasmastrahl austritt, wobei der Düsenkopf und der weitere Düsenkopf gemeinsam um die Rotationsachse rotierbar sind.

Auf diese Weise kann die Werkstückoberfläche zeitgleich mit mehreren Plasmadüsen behandelt werden. Dies ermöglicht die Behandlung einer größeren Oberfläche oder eine schnellere Behandlung einer vorgegebenen Oberfläche.

Vorzugsweise weisen die Plasmadüse und die weitere Plasmadüse eine jeweilige Gehäuseachse auf, die von der Rotationsachse beabstandet ist oder schräg dazu verläuft. Auf diese Weise wird der Einwirkbereich des Plasmastrahls und des weiteren Plasmastrahls und/oder des Laserstrahls deutlich vergrößert. Der Düsenkopf und der weitere Düsenkopf oder die Plasmadüse und die weitere Plasmadüse sind vorzugsweise drehstarr miteinander verbunden. Weiter bevorzugt sind der Düsenkopf und der weitere Düsenkopf oder die Plasmadüse und die weitere Plasmadüse in Bezug auf die Rotationsachse einander gegenüberliegend angeordnet. Auf diese Weise kann eine Unwucht bei der Rotation um die Rotationsachse reduziert werden.

Vorzugsweise ist für den Düsenkopf und den weiteren Düsenkopf oder die Plasmadüse und die weitere Plasmadüse ein gemeinsamer Drehantrieb zur Rotation um die Rotationsachse vorgesehen. Dies erlaubt eine kostengünstige und betriebssichere Konstruktion der Vorrichtung.

Der weitere Düsenkopf weist vorzugsweise eine Plasmaaustrittsöffnung auf, aus der im Betrieb der weitere Plasmastrahl austritt. Die Rotationsachse verläuft vorzugsweise schräg und/oder versetzt zu dem im Betrieb aus dem Düsenkopf austretenden Plasmastrahl.

Es kann vorgesehen sein, dass der Plasmastrahl und der weitere Plasmastrahl unter demselben oder einem ähnlichen Winkel zur Rotationsachse aus dem jeweiligen Düsenkopf austreten. Insbesondere können der Plasmastrahl und der weitere Plasmastrahl nach innen, das heißt zur Rotationsachse hin, oder nach außen, das heißt von der Rotationsachse weg, gerichtet sein. Auf diese Weise kann die Intensität der Einwirkung durch die Plasmastrahlen erhöht werden. Alternativ ist es auch denkbar, dass einer von dem Plasmastrahl und dem weiteren Plasmastrahl nach innen und der jeweilige andere nach außen gerichtet ist. Auf diese Weise kann der Einwirkungsbereich der Plasmastrahlen erhöht werden.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung sind das Lasersystem, die Plasmadüse und die weitere Plasmadüse so zueinander angeordnet und eingerichtet, dass der Laserstrahl im Betrieb sowohl aus dem Düsenkopf als auch aus dem weiteren Düsenkopf austritt. Zu diesem Zweck kann beispielsweise ein Strahlteiler vorgesehen sein, der dazu eingerichtet und angeordnet ist, einen von dem Lasersystem bereitgestellten Laserstrahl in zwei oder mehr Teilstrahlen aufzuteilen. Als Strahlteiler können insbesondere ein oder mehrere optische Elemente, insbesondere optisch diffraktive Elemente, wie zum Beispiel Linsen, Lichtleiter-Strahlteiler oder halbdurchlässige Spiegel verwendet werden. Das Lasersystem kann insbesondere ein Lichtleitsystem aufweisen, das ein oder mehrere Teilstrahlen des Laserstrahls zum Düsenkopf und ein oder mehrere weitere Teilstrahlen des Laserstrahls zum weiteren Düsenkopf leitet. Durch das Vorsehen eines Lasersystems für beide Plasmadüsen bzw. Düsenköpfe kann die Vorrichtung kostengünstiger hergestellt werden.

Das Lasersystem und die weitere Plasmadüse können so zueinander angeordnet und eingerichtet sein, dass der Laserstrahl im Betrieb aus einer Plasmaaustrittsöffnung des weiteren Düsenkopfs austritt. Das Lasersystem und die weitere Plasmadüse können auch so zueinander angeordnet und eingerichtet sein, dass der Laserstrahl im Betrieb aus einer von der Plasmaaustrittsöffnung separaten Laseraustrittsöffnung des weiteren Düsenkopfs austritt. Für diese Ausgestaltungen ergeben sich im Wesentlichen dieselben Vorteile, die bereits vorangehend für die Plasmaaustrittsöffnung bzw. die Laseraustrittsöffnung der einen Plasmadüse beschrieben wurden.

Bei einer weiteren Ausführungsform weist die Vorrichtung ein weiteres Lasersystem zur Bereitstellung eines weiteren Laserstrahls auf, wobei das weitere Lasersystem und die weitere Plasmadüse so zueinander angeordnet und eingerichtet sind, dass der weitere Laserstrahl im Betrieb aus dem weiteren Düsenkopfaustritt. Auf diese Weise kann die Komplexität der jeweiligen Lasersysteme reduziert werden, da beispielsweise auf Strahlteiler oder komplizierte Strahlführungen verzichtet werden kann. Zudem erlaubt diese Ausführungsform den Einsatz von Laserstrahlen mit unterschiedlichen Parametern, beispielsweise unterschiedlichen Intensitäten oder Wellenlängen, so dass eine flexiblere Bearbeitung der Werkstückoberfläche ermöglicht wird. Beispielsweise ist es auf diese Weise möglich, verschiedenartige Verunreinigungen, die beispielsweise durch Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge einfacher abzutragen sind, auf der Werkstückoberfläche effektiver abzutragen. Das weitere Lasersystem kann optische Elemente, beispielsweise Linsen oder Spiegel, zum Ausrichten und/oder Fokussieren des weiteren Laserstrahls auf die Werkstückoberfläche umfassen.

Bei einer Ausführungsform weist die Vorrichtung einen Drehantrieb auf, der dazu eingerichtet ist, den Düsenkopf und / oder den weiteren Düsenkopf um die Rotationsachse zu drehen. Auf diese Weise kann die Rotation des Düsenkopfes gezielt gesteuert werden, vorzugsweise mit einer vorgebbaren Rotationsfrequenz. Die Rotationsfrequenz liegt vorzugsweise im Bereich von 100 bis 5000 Umdrehungen pro Minute, weiter bevorzugt 500 bis 3500 Umdrehungen pro Minute. Bei diesen Rotationsfrequenzen kann eine besonders gleichmäßige Einwirkung des Plasma- und/oder Laserstrahls erreicht werden. Der Drehantrieb kann dazu eingerichtet sein, den Düsenkopf relativ zum übrigen Teil der Plasmadüse um die Rotationsachse zu drehen und/oder den weiteren Düsenkopf relativ zum übrigen Teil der weiteren Plasmadüse um die Rotationsachse zu drehen. Weiterhin kann der Drehantrieb dazu eingerichtet sein, einen Teil der Plasmadüse oder die gesamte Plasmadüse gemeinsam mit dem Düsenkopf um die Rotationsachse zu drehen und/oder einen Teil der Plasmadüse oder die gesamte Plasmadüse gemeinsam mit dem Düsenkopf um die Rotationsachse zu drehen.

Es ist auch denkbar, dass ein zum Drehen des Düsenkopfs und/oder der Plasmadüse eingerichteter Drehantrieb und ein zum Drehen des weiteren Düsenkopfs und/oder der weiteren Plasmadüse eingerichteter weiterer Drehantrieb vorgesehen sind.

Es kann vorgesehen sein, dass das Lasersystem oder ein Teil davon, beispielsweise eine Laserquelle des Lasersystems, derart angeordnet ist, dass es vom Drehantrieb nicht rotiert wird. Dies ermöglicht eine höhere Stabilität des Gesamtsystems.

Bei einer weiteren Ausführungsform ist das Lasersystem dazu eingerichtet, den Laserstrahl zumindest abschnittsweise entlang der Rotationsachse zu leiten. Auf diese Weise kann der Laserstrahl entlang der Rotationsachse in das System der um die Rotationsachse rotierenden Komponenten der Vorrichtung, d.h. des Düsenkopfs, ggf. der übrigen Plasmadüse und ggf. weiterer rotierender Komponenten der Vorrichtung, eingekoppelt werden, so dass die Bereitstellung des Laserstrahls, insbesondere durch eine Laserquelle außerhalb des Systems der rotierenden Komponenten der Vorrichtung erfolgen kann. Insbesondere ist es auf diese Weise nicht erforderlich, dass die Laserquelle mit dem Düsenkopf mitrotiert. Um den Laserstrahl zum Düsenkopf zu leiten, kann die Vorrichtung ein- oder mehrere drehstarr mit dem Düsenkopf mitrotierende Spiegel aufweisen, über die der Laserstrahl von seinem abschnittsweisen Verlauf entlang der Rotationsachse zum Düsenkopf geleitet wird.

Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Plasmadüse dazu eingerichtet, den atmosphärischen Plasmastrahl mittels einer bogenartigen Entladung in einem Arbeitsgas zu erzeugen, wobei die bogenartige Entladung vorzugsweise durch Anlegen einer hochfrequenten Hochspannung zwischen Elektroden erzeugt wird. Auf diese Weise kann ein Plasmastrahl erzeugt werden, der sich gut fokussieren lässt und sich gut für die Umwandlung oder Zersetzung von von einer Oberfläche abgelösten Stoffen eignet. Zudem weist ein derart erzeugter Plasmastrahl, insbesondere bei Verwendung einer hochfrequenten Hochspannung, bereits wenige Zentimeter nach dem Austritt aus der Plasmadüse eine verhältnismäßig geringe Temperatur auf, so dass eine Beschädigung der Werkstückoberfläche durch den Plasmastrahl verhindert werden kann. Zusätzlich kann durch einen gepulsten Plasmabetrieb eine geringe Temperatur des Plasmastrahls erreicht werden.

Die hochfrequente Hochspannung zur Erzeugung einer hochfrequenten bogenartigen Entladung kann zum Beispiel eine Spannungsstärke im Bereich von 1 - 100 kV, vorzugsweise 1 - 50 kV, weiter bevorzugt 1 - 10 kV, und eine Frequenz von 1 - 300 kHz, insbesondere 1 - 100 kHz, vorzugsweise 10 - 100 kHz, weiter bevorzugt 10 - 50 kHz, aufweisen.

Bei einer weiteren Ausführungsform weist die Vorrichtung eine

Steuerungseinrichtung auf, die dazu eingerichtet ist, die Vorrichtung entsprechend dem zuvor beschriebenen Verfahren oder einer der beschriebenen Ausführungsformen davon zu steuern. Die Steuerungseinrichtung kann beispielsweise mindestens einen Prozessor und einen Speicher mit Befehlen aufweisen, deren Ausführung auf dem mindestens einen Prozessor die Steuerung der Vorrichtung entsprechend dem Verfahren oder einer Ausführungsform davon bewirken. Die Steuerungseinrichtung kann insbesondere zur Regelung der Vorrichtung eingerichtet sein, beispielsweise zur Regelung der Rotationsfrequenz.

Weitere Merkmale und Vorteile der Vorrichtung und des Verfahrens ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, wobei auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen wird.

In der Zeichnung zeigen

Fig. 1a-c ein erstes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung und des Verfahrens zur Bearbeitung einer Oberfläche eines Werkstücks mit einem Laserstrahl,

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel der Vorrichtung und des Verfahrens zur Bearbeitung einer Oberfläche eines Werkstücks mit einem Laserstrahl,

Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung und des Verfahrens zur Bearbeitung einer Oberfläche eines Werkstücks mit einem Laserstrahl,

Fig. 4 ein viertes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung und des Verfahrens zur Bearbeitung einer Oberfläche eines Werkstücks mit einem Laserstrahl,

Fig. 5 ein fünftes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung und des Verfahrens zur Bearbeitung einer Oberfläche eines Werkstücks mit einem Laserstrahl und Fig. 6 ein sechstes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung und des Verfahrens zur Bearbeitung einer Oberfläche eines Werkstücks mit einem Laserstrahl.

Fig. 1a-c zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung und des Verfahrens in schematischer Darstellung. Fig. 1a zeigt eine schematische Schnittansicht von der Seite und Fig. 1b zeigt eine vergrößerte Ansicht des mit Ib bezeichneten Ausschnitts der Fig. la . Fig. 1c zeigt eine Ansicht des Düsenkopfes der Vorrichtung von unten.

Die Vorrichtung 2 zur Bearbeitung einer Oberfläche 4 eines Werkstücks 6 mit einem Laserstrahl 8 umfasst eine zum Erzeugen eines Plasmastrahls 16 eingerichtete Plasmadüse 14. Die Plasmadüse 14 weist ein rohrförmiges Gehäuse 50 aus Metall auf, das in seinem in der Zeichnung oberen Bereich im Durchmesser erweitert und mit Hilfe eines Lagers 80 drehbar auf einem festen Tragrohr 86 gelagert ist und in seinem in der Zeichnung unteren Bereich ein Düsenrohr 18 bildet. Das Gehäuse 50 weist eine Gehäuseachse G auf, die mittig durch das Düsenrohr 18 verläuft.

Im Inneren des Gehäuses 50 ist ein Düsenkanal 88 gebildet, der vom nach oben offenen Ende des Tragrohres 86 zu einem auswechselbaren Düsenkopf 22 führt, der am in der Zeichnung unteren Ende des Düsenrohrs 18 montiert ist. Der Düsenkopf 22 ist aus Metall gebildet und weist ein Außengewinde 23 auf, mit dem der Düsenkopf 22 in ein Innengewinde 10 des Düsenrohrs 50 eingeschraubt ist. Der Düsenkopf 22 weist weiter einen Plasmakanal 54 auf, der zu einer Plasmaaustrittsöffnung 24 führt, aus der im Betrieb der in der Plasmadüse 14 erzeugte Plasmastrahl 16 austritt.

In das Tragrohr 86 ist ein elektrisch isolierendes Keramikrohr 40 eingesetzt. Im Betrieb wird ein Arbeitsgas, beispielsweise Luft, durch das Tragrohr 86 und das Keramikrohr 40 in den Düsenkanal 88 eingeleitet. Mit Hilfe einer in das Keramikrohr 40 eingesetzten Dralleinrichtung 32 mit in Umfangsrichtung schräggestellten Bohrungen 34 wird das Arbeitsgas so verdraht, dass es wirbelförmig durch den Düsenkanal 88 zum Düsenkopf 22 strömt. Der stromabwärtige Teil des Düsenrohres 18 wird deshalb von dem Arbeitsgas in Form eines Wirbels 36 durchströmt, dessen Kern auf der Längsachse des Düsenrohrs 18 verläuft.

An der Dralleinrichtung 32 ist eine Innenelektrode 38 in Form einer stiftförmigen Hohlelektrode montiert, die sich im Düsenrohr 18 koaxial in Richtung des Düsenkopfes 22 erstreckt und einen Innenkanal 68 aufweist. Die Innenelektrode 38 ist elektrisch mit der Dralleinrichtung 32 verbunden. Die Dralleinrichtung 32 ist durch ein Keramikrohr 40 elektrisch gegenüber dem Düsenrohr 18 isoliert. Das Düsenrohr 18 ist über das Lager 80 und das Tragrohr 86 geerdet und bildet eine Gegenelektrode.

Im Betrieb wird zwischen der Innenelektrode 38 und dem als Gegenelektrode wirkenden Düsenrohr 18 eine hochfrequente Hochspannung angelegt, die von einem Transformator 44 erzeugt wird. Die hochfrequente Hochspannung kann eine Spannungsstärke im Bereich von 1 - 100 kV, vorzugsweise 1 - 50 kV, weiter bevorzugt 1 - 10 kV, und eine Frequenz von 1 - 300 kHz, insbesondere 1 - 100 kHz, vorzugsweise 10 - 100 kHz, weiter bevorzugt 10 - 50 kHz, aufweisen. Die hochfrequente Hochspannung kann eine hochfrequente Wechselspannung, aber auch eine gepulste Gleichspannung oder eine Überlagerung beider Spannungsformen sein. Durch die hochfrequente Hochspannung wird eine Hochfrequenzentladung in Form eines Lichtbogens 48 zwischen Innenelektrode 38 und Düsenrohr 18 erzeugt.

Die Begriffe „Lichtbogen" bzw. „Bogenentladung" werden vorliegend als phänomenologische Beschreibung der Entladung verwendet, da die Entladung in Form eines Lichtbogens auftritt. Der Begriff „Lichtbogen" wird anderweitig auch als Entladungsform bei Gleichspannungsentladungen mit im Wesentlichen konstanten Spannungswerten verwendet. Vorliegend handelt es sich jedoch um eine Hochfrequenzentladung in Form eines Lichtbogens, also um eine hochfrequente Bogenentladung.

Aufgrund der drallförmigen Strömung des Arbeitsgases wird dieser Lichtbogen 48 im Wirbelkern auf der Achse des Düsenrohres 18 kanalisiert, so dass er sich erst in einem unteren, sich verjüngenden Bereich 20 des Düsenrohrs beim Übergang zum Düsenkopf 22 zur Wand des Düsenrohrs 18 verzweigt.

Das Arbeitsgas, das im Bereich des Wirbelkerns und damit in unmittelbarer Nähe des Lichtbogens 48 mit hoher Strömungsgeschwindigkeit rotiert, kommt mit dem Lichtbogen 48 in innige Berührung und wird dadurch zum Teil in den Plasmazustand überführt, so dass ein atmosphärischer Plasmastrahl 16 in den Plasmakanal 54 des Düsenkopfes 22 gelangt und aus der Plasmaaustrittsöffnung 24 aus der Plasmadüse austritt.

Die Plasmadüse 14 ist durch die drehbare Lagerung am Tragrohr 86 um eine Rotationsachse R rotierbar. Die Rotationsachse R fällt bei der Vorrichtung 2 mit der Gehäuseachse G der Plasmadüse 14 zusammen.

Der Plasmakanal 54 des Düsenkopfs 22 ist so geformt, dass der Plasmastrahl 16 unter einem Winkel α zur Gehäuseachse G und damit zur Rotationsachse R aus der Plasmaaustrittsöffnung 24 austritt. Weiterhin ist die Plasmaaustrittsöffnung 24 derart positioniert, dass der Plasmastrahl 16 versetzt zur Rotationsachse R aus der Plasmaaustrittsöffnung 24 austritt. Auf diese Weise verläuft die Rotationsachse R schräg und versetzt zu dem im Betrieb aus dem Düsenkopf 22 austretenden Plasmastrahl 16.

Durch Auswechseln des Düsenkopfes 22 kann der Winkel α nach Bedarf variiert werden. Anstelle des Düsenkopfes 22 kann insbesondere auch ein Düsenkopf gewählt werden, bei dem der Plasmastrahl 16 parallel und versetzt zur Rotationsachse R aus der Plasmaaustrittsöffnung 24 austritt.

Um die Plasmadüse 16 um die Rotationsachse R zu rotieren, ist ein Drehantrieb 92 vorgesehen, der zum Beispiel einen Motor 90 mit einem Zahnrad 70 umfassen kann, das mit einem am Gehäuse 50 angeordneten Außenzahnrad 94 kämmt. Der schräg aus der Plasmaaustrittsöffnung 24 austretende Plasmastrahl 16 überstreicht durch die Rotation um die Rotationsachse R einen kreisförmigen Bereich auf der Werkstückoberfläche 4, der sich bei einer Relativbewegung zwischen Plasmadüse 16 und Werkstückoberfläche 4 zu einem streifenförmigen Bereich auf Werkstückoberfläche 4 überlagern kann.

Weiter weist die Vorrichtung 2 ein Lasersystem 12 mit einer Laserquelle 62 auf, die beispielsweise oberhalb der Plasmadüse 14, angeordnet sein kann. Die Laserquelle 62 stellt einen Laserstrahl 8 bereit. Alternativ zur Laserquelle 62 kann die Vorrichtung 2 beispielsweise auch einen Lichtleiter aufweisen, der an eine externe Laserquelle angeschlossen ist. Es können eine Linsenoptik 66 und/oder Spiegel 67 vorgesehen sein, die so angeordnet und eingerichtet sind, dass der von der Laserquelle 62 erzeugte Laserstrahl 8 in den Innenkanal 68 der Hohlelektrode 38 geleitet wird.

Der Laserstrahl 8 durchläuft den Innenkanal 68 und nach Austritt aus dem Innenkanal 68 den unteren Teil des Düsenkanals 88 in einen im Düsenkopf 22 vorgesehenen und fluchtend zum Innenkanal 68 der Hohlelektrode 38 ausgebildeten Laserkanal 82, welcher in einer Laseraustrittsöffnung 84 mündet, durch die der Laserstrahls 8 aus dem Düsenkopf 22 heraustritt. Im vorliegenden Beispiel verlaufen die Gehäuseachse G und die Rotationsachse R durch die Laseraustrittsöffnung 84. Weiterhin ist die Laserquelle 62 so angeordnet, dass sie bei Rotation der Plasmadüse 14 in Ruhe verbleibt, d.h. nicht mitrotiert. Auf diese Weise wird eine konstruktiv einfache und zuverlässige Vorrichtung bereitgestellt.

Der Spiegel 67 kann zum Beispiel als kontinuierlich verschwenkender Spiegel ausgebildet sein, um die Strahlrichtung des Laserstrahls kontinuierlich so zu variieren, dass sich die Position des Laserstrahls im Querschnitt der Laseraustrittsöffnung kontinuierlich verändert, beispielsweise hin und her oder auf einer Kreisbahn. Auf diese Weise kann mit dem Laserstrahl auf einen größeren Bereich der Oberfläche 4 eingewirkt werden. Der Laserstrahl 8 und der Plasmastrahl 16 treten im Betrieb aus dem Düsenkopf 22 aus der Laseraustrittsöffnung 84 bzw. der Plasmaaustrittsöffnung 24 aus und gelangen auf die Oberfläche 4 des Werkstücks 6. Die Werkstückoberfläche 4 wird durch den auftreffenden Laserstrahl 8 an der Stelle 72 bearbeitet, indem durch den Laserstrahl 8 Material wie zum Beispiel eine Verunreinigung 74 an der Oberfläche 4 abgetragen, zum Beispiel verdampft, wird. Das vom Laserstrahl 8 verdampfte Material 76 wird durch den Plasmastrahl 16 zersetzt oder umgewandelt, so dass es sich nicht wieder auf der Oberfläche 4 niederschlagen kann. Auf diese Weise können besonders organische Verunreinigung von einer Oberfläche 4 entfernt werden, da das vom Laserstrahl 8 abgetragene organische Material durch den Plasmastrahl 16 zersetzt und oxidiert wird.

Während der Plasmastrahl 16 einen Durchmesser von typischerweise mehreren Millimetern aufweist, hat der Laserstrahl 8 typischerweise einen Durchmesser von weniger als 1 mm. Die Querschnittsfläche 114 der Plasmaaustrittsöffnung 24 kann daher größer sein als die Querschnittsfläche 118 der Laseraustrittsöffnung 84, beispielsweise um einen Faktor vier oder mehr. Alternativ kann die Laseraustrittsöffnung 84 wie in Fig. la-c dargestellt auch gleich groß oder größer als die Plasmaaustrittsöffnung 24 ausgebildet sein, beispielsweise wenn wie zuvor beschrieben die Position des Laserstrahls 8 im Querschnitt der Laseraustrittsöffnung 84 kontinuierlich verändert wird.

Durch die Rotation der Plasmadüse 14 wird der Laserspot auf der Werkstückoberfläche 4 von einem Plasmaring umgeben, so dass durch den Laserstrahl 8 abgetragenes Material 76 möglichst vollständig von dem Plasmastrahl 16 erfasst und umgewandelt werden kann. Weiterhin bewirkt die Relativbewegung zwischen Plasmadüse 14 und Oberfläche 4, dass der Plasmastrahl 16 nachlaufend auch den Bereich des Laserspots überstreicht und daher unmittelbar im Bereich des Laserspots verbleibendes Material umwandeln bzw. zersetzen kann. Wird die Vorrichtung 2 bzw. die Plasmadüse 14 an der Oberfläche 4 des Werkstücks 6 entlang bewegt oder umgekehrt das Werkstück 6 an der Vorrichtung 2 bzw.

Plasmadüse 14 entlang, so wird dadurch eine gleichmäßige Behandlung der Oberfläche 4 des Werkstücks 6 auf einem Streifen erreicht, dessen Breite dem Durchmesser des vom Plasmastrahl 16 beschriebenen Kreises auf der Werkstückoberfläche 4 entspricht. Durch Variieren des Abstands zwischen dem Düsenkopf 22 und dem Werkstück 6 lässt sich die Breite des überstrichenen Bereichs beeinflussen.

Die Vorrichtung 2 kann weiter eine Steuerungseinrichtung 96 aufweisen, die über Kommunikationsverbindungen 98 vorzugsweise mit dem Drehantrieb 92 und der Laserquelle 62 sowie mit dem Transformator 44 und der Arbeitsgasquelle (nicht dargestellt) verbunden ist. Mittels der Steuerungseinrichtung 96 können zum Beispiel die Arbeitsgaszufuhr, die Bereitstellung des Laserstrahls 8 und des Plasmastrahls 16 sowie die Rotation des Düsenkopfes 22 gesteuert werden. Auf diese Weise kann die Rotationsgeschwindigkeit beispielsweise an die Arbeitsgaszufuhr angepasst oder die Intensität des Laserstrahls 8 je nach zu bearbeitender Oberfläche 4 über die Steuerungseinrichtung 96 einfach variiert werden.

Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Vorrichtung und des Verfahrens in schematischer Schnittansicht von der Seite.

Die Vorrichtung 302 weist einen ähnlichen Aufbau auf wie die Vorrichtung 2. Einander entsprechende Komponenten sind mit denselben Bezugszeichen versehen und es wird insoweit auf die obigen Ausführungen zu Fig. 1a-c verwiesen.

Die Vorrichtung 302 unterscheidet sich dadurch von der Vorrichtung 2, dass die Rotationsachse R nicht mit der Gehäuseachse G zusammenfällt sondern parallel versetzt dazu verläuft. Entsprechend ist das rohrförmige Gehäuse 50 der Plasmadüse 302 nicht über ein Lager 80 an einem Tragrohr 86 gelagert, sondern drehstarr mit einem Rotationsarm 304 verbunden, der mittels eines Drehantriebs 306 um die Rotationsachse R drehbar ist. Auf der der Plasmadüse 14 gegenüber liegenden Seite des Rotationsarms 304 ist ein Gegengewicht 308 vorgesehen, um eine Unwucht zu vermeiden. Das Keramikrohr 40 mit der Dralleinrichtung 32 ist bei der Vorrichtung 302 unmittelbar in das rohrförmige Gehäuse 50 eingesetzt.

Weiterhin weist die Vorrichtung 302 anstelle des Düsenkopfes 22 einen Düsenkopf 322 mit einer Plasmaaustrittsöffnung 24 auf, die zentrisch am Düsenkopf 22 angeordnet ist, so dass die Gehäuseachse G des Gehäuses 50 durch die Plasmaaustrittsöffnung 24 verläuft. Auf diese Weise treten der in der Plasmadüse 14 erzeugte Plasmastrahl 16 und der durch das Lasersystem 12 in die Hohlelektrode 38 eingeleitete Laserstrahl 8 gemeinsam durch die Plasmaaustrittsöffnung 24 aus dem Düsenkopf 322 heraus. Die Rotationsachse R ist entsprechend versetzt zu dem aus dem Düsenkopf 322 austretenden Plasmastrahl 16 und Laserstrahl 8 angeordnet.

Fig. 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung und des Verfahrens in schematischer Schnittansicht von der Seite.

Die Vorrichtung 402 weist einen ähnlichen Aufbau auf wie die Vorrichtung 302. Einander entsprechende Komponenten sind mit denselben Bezugszeichen versehen und es wird insoweit auf die obigen Ausführungen zu Fig. 2 und Fig. 1a-c verwiesen.

Die Vorrichtung 402 unterscheidet sich dadurch von der Vorrichtung 302, dass eine weitere Plasmadüse 14' zur Erzeugung eines weiteren Plasmastrahls 16' vorgesehen ist. Der Aufbau und die Funktionsweise der Plasmadüse 14' entsprechen dem Aufbau und der Funktionsweise der Plasmadüse 14.

Die Plasmadüse 16 und die weitere Plasmadüse 16' sind auf gegenüberliegenden Seiten des Rotationsarms 304 befestigt. Auf ein Gegengewicht 308 kann auf diese Weise verzichtet werden. Das Lasersystem 12 ist derart angeordnet und eingerichtet, dass der Laserstrahl 8 im Betrieb aus den jeweiligen Düsenköpfen 22, 22' der Plasmadüsen 14 und 14' austritt. Zu diesem Zweck umfasst das Lasersystem 12 ein Lichtleitsystem 408 mit einem Strahlteiler 410 in Form eines halbdurchlässigen Spiegels und weiteren optischen Elementen wie Spiegeln 411, mit denen die mit dem Strahlteiler 410 erzeugten Teilstrahlen 414, 414' zu den Düsenköpfen 22, 22' geleitet werden.

Fig. 4 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung und des Verfahrens in schematischer Schnittansicht von der Seite.

Die Vorrichtung 502 weist einen ähnlichen Aufbau auf wie die Vorrichtung 402. Einander entsprechende Komponenten sind mit denselben Bezugszeichen versehen und es wird insoweit auf die obigen Ausführungen zu Fig. 3, Fig. 2 und Fig. 1a-c verwiesen.

Die Vorrichtung 502 unterscheidet sich von der Vorrichtung 402 dadurch, dass die Einkoppelung des Laserstrahls 8 entlang der Drehachse R erfolgt. Auf diese Weise ist es nicht erforderlich, die Laserquelle 62 des Lasersystems 12 mitrotieren zu lassen.

Die Vorrichtung 502 unterscheidet sich weiter von der Vorrichtung 402 durch ein anderes Lichtleitsystem 508 anstelle des Lichtleitsystems 408. Das Lichtleitsystem 508 weist Lichtleiter 510 in Form von Glasfasern auf, mit denen der Laserstrahl 8 von der Laserquelle 12 über einen Strahlteiler 512 zu optischen Elementen 514, 514' geleitet wird, mit denen die jeweiligen Teilstrahlen 414, 414' des Laserstrahls 8 aus den Lichtleitern ausgekoppelt und durch die Plasmadüsen 14, 14' zu den Düsenköpfen 22, 22' geleitet werden, aus denen sie zusammen mit dem jeweiligen Plasmastrahl 16, 16' austreten. Fig. 5 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung und des Verfahrens in schematischer Schnittansicht von der Seite.

Die Vorrichtung 602 weist einen ähnlichen Aufbau auf wie die Vorrichtung 402.

Einander entsprechende Komponenten sind mit denselben Bezugszeichen versehen und es wird insoweit auf die obigen Ausführungen zu Fig. 3, Fig. 2 und Fig. 1a-c verwiesen.

Die Vorrichtung 602 unterscheidet sich dadurch von der Vorrichtung 402, dass neben dem Lasersystem 12 ein weiteres Lasersystem 12' mit einer weiteren Laserquelle 62' vorgesehen ist und dass das Lasersystem 12 und das weitere Lasersystem 12' jeweils derart angeordnet und eingerichtet sind, dass der jeweilige Laserstrahl 8, 8' aus dem jeweiligen Düsenkopf 22, 22' austritt. Die Vorrichtung 602 weist demnach für die Plasmadüse 14 und die weitere Plasmadüse 14' ein jeweiliges Lasersystem 12, 12' auf. Auf diese Weise können zum Beispiel zwei sich in ihren optischen Eigenschaften unterscheidende Laserstrahlen 8, 8' zur Bearbeitung der Oberfläche 4 bereitgestellt werden.

Fig. 6 zeigt ein sechstes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung und des Verfahrens in schematischer Schnittansicht von der Seite.

Die Vorrichtung 802 weist einen ähnlichen Aufbau auf wie die Vorrichtung 402. Einander entsprechende Komponenten sind mit denselben Bezugszeichen versehen und es wird insoweit auf die obigen Ausführungen zu Fig. 3, Fig. 2 und Fig. 1a-c verwiesen.

Die Vorrichtung 802 unterscheidet sich dadurch von der Vorrichtung 402, dass die Einkoppelung des Laserstrahls 8 entlang der Drehachse R erfolgt. Auf diese Weise ist es nicht erforderlich, die Laserquelle 62 des Lasersystems 12 mitrotieren zu lassen. Das Lasersystem 12 weist ein Lichtleitsystem 808 mit optischen Elementen wie Spiegeln 811, 411 auf, mit denen der Laserstrahl 8 zum Düsenkopf 22' geleitet wird. Die Spiegel 811, 411 rotieren zusammen mit der Plasmadüse 14' um die Rotationsachse R, so dass der Laserstrahl 12 bei jeder Winkelstellung zum Düsenkopf 22' geleitet wird. Fig. 8 zeigt eine Ausgestaltung, bei der der Laserstrahl 8 lediglich aus dem Düsenkopf 22' austritt. Durch Vorsehen eines halbdurchlässigen Spiegels oberhalb des Spiegels 811, einen dem Spiegel 411 entsprechenden Spiegel an der Plasmadüse 14 und eine Ausgestaltung der Plasmadüse 14 entsprechend der Plasmadüse 14' kann aber auch erreicht werden, dass der Laserstrahl 8 aus beiden Düsenköpfen 22, 22' austritt.