-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Regeln eines Pulverbeschichtungsprozesses.
-
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Technik, die auch unter dem Namen Laserstrahl-Auftragsschweissen bekannt ist. Hierbei wird ein pulverförmiger Zusatzwerkstoff auf einen Grundwerkstoff aufgebracht und mit einem Laserstrahl aufgeschmolzen, sodass der Zusatzwerkstoff schmelzmetallurgisch mit dem Grundwerkstoff verbunden wird. Hierdurch wird ein hochpräzises, automatisiertes Auftragen von Schichten mit Dicken von 0,1 mm bis mehreren Zentimetern ermöglicht, wobei in das Substrat nur eine geringe Wärme eingebracht wird und keine Einbrandkerben entstehen. Desweiteren bietet dieses Verfahren eine große Auswahl an artgleichen und artfremden Zusatzwerkstoffen, und ermöglicht eine Bearbeitung von nahezu allen metallischen Legierungen.
-
Die
DE 199 09 390 C1 beschreibt einen Bearbeitungskopf sowie ein Verfahren zur Oberflächenbearbeitung von Werkstücken mittels Laserstrahl, bei dem unter Verwendung eines zugeführten pulverförmigen Zusatzwerkstoffes, eine Beschichtung, eine Auflegierung im oberflächennahen Bereich oder dergleichen mit Hilfe von Pulverpartikeln durchgeführt werden kann. In einem Gehäuse des Bearbeitungskopfes, durch den ein Pulver-Gasstrom und ein Laserstrahl geführt sind, ist als Teil eines Pulverkanals eine Verwirbelungskammer ausgebildet ist, in die der Pulver-Gasstrom eingeführt und aus der der Pulver-Gasstrom durch einen konischen Ringspalt als koaxialer Hohlstrahl auf eine Werkstückoberfläche gerichtet ist, wo er zur Oberflächenbearbeitung ebenso wie die Werkstückoberfläche vom Laserstrahl aufgeschmolzen werden kann.
-
Die
DE 102 48 459 B4 beschreibt einen Pulverbeschichtungskopf zum Beschichten einer Werkstückoberfläche mit einem zentralen Kanal für einen fokussierten Laserstrahl und mit einem den zentralen Kanal koaxial umgebenden Pulverkanal mit im wesentlichen ringförmigen Querschnitt. Der Pulverkanal weist hinter einem Verteilerbereich und einen ringförmigen, sich in Pulvertransportrichtung verjüngenden, konischen Düsenabschnitt auf, durch den ein konvergenter Pulverstrom zusammen mit dem Laserstrahl auf eine Werkstückoberfläche gerichtet werden kann.
-
Wird das Verfahren des Laserauftragsschweissens zur Beschichtung eines Werkstücks mit einem durch eine Pulverbeschichtungsdüse zugeführten Zusatzwerkstoff verwendet, so hängt das Bearbeitungsergebnis, insbesondere die Beschichtungsspurbreite des aufgebrachten Zusatzwerkstoffs, von dem Arbeitsabstand zwischen Pulverbeschichtungskopf und Werkstück ab. Um den Aufwand für eine spanende Nachbearbeitung von Bauteilen zu minimieren, ist deshalb ein konstanter Arbeitsabstand beim Beschichten wichtig. Für eine Regelung des Arbeitsabstandes während des Pulverbeschichtungsprozesses sind eine Reihe von Methoden bekannt, die sich unterschiedlicher Techniken zur Abstandsmessung bedienen, wie zum Beispiel ein Pulslaufzeitverfahren, eine Abstandsmessung durch faseroptische Abstandssensoren, eine induktive oder kapazitive Abstandsmessung durch einen Ringsensor direkt über dem Schmelzbad, oder eine optische Abstandsmessung mittels Triangulation.
-
Die
DE 43 40 395 C1 beschreibt ein Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls, bei dem unter Verwendung einer zum Werkstück positionierbaren Sensorelektrode eine Abstandsmessung durchgeführt wird. Dazu wird an die Sensorelektrode ein elektrisches Wechselsignal angelegt, dessen Änderungen ermittelt werden, die von Änderungen einer abstandsabhängigen Meßkapazität zwischen Sensorelektrode und Werkstück bewirkt werden. Aus dem Wechselsignal wird dazu zunächst ein elektrisches Gleichsignal generiert, das dem Abstand zwischen Sensorelektrode und Werkstück entspricht.
-
Die
DE 198 52 302 A1 beschreibt ein Verfahren zum Schweissen von Werkstücken mit Laserstrahlung, bei dem die Strahlung von einer Bearbeitungsoptik auf eine Bearbeitungsstelle fokussiert wird. Daneben wird eine mittels einer Fremdmesslichtquelle erzeugte Lichtlinie in einen Bearbeitungsbereich des Werkstücks projiziert. Das an der Werkstückoberfläche im Bearbeitungsbereich reflektierte Messlicht gelangt unter Verwendung der Bearbeitungsoptik zu einem Detektor. Durch Triangulation mit einem Lichtschnittverfahren, bei dem die Einfallsrichtung des Messlichtstrahls auf das Werkstück und eine vorbestimmten Achse der Bearbeitungsoptik einen Winkel größer als 0° und kleiner als 90° einschließen, kann der Arbeitsabstand zwischen Bearbeitungskopf und Werkstück im Vor- oder Nachlauf gemessen werden.
-
Die
EP 1 396 556 A1 beschreibt ein Verfahren zum Steuern der Mikrostruktur einer lasergeformten Metallhartschicht. Hier wird mittels eines Laserstrahls lokal eine Oberfläche eines Werkstücks aufgeschmolzen, um ein Schweißbad auszubilden. Zur Beschichtung des Werkstücks wird ein Pulverstrahl mittels eines Trägergases auf das Schweißbad gelenkt. Der Bearbeitungsprozess wird mittels eines Pyrometers, das eine Echtzeitbestimmung der Schweißbadtemperatur ermöglicht, oder einer CCD-Kamera beobachtet. Bei Verwendung einer CCD-Kamera wird die Temperatur eines oder Punkte im Bereich des Schweißbades
7 gemessen. Die Temperaturinformation wird zur Anpassung von Prozessparametern wie beispielsweise der Laserleistung, der Relativgeschwindigkeit zwischen Laserstrahl und Werkstück, der Zuführrate des Pulverstrahls oder des Abstands zwischen einer Düse und dem Werkstück verwendet.
-
Die
EP 1 249 300 A1 beschreibt ein Laserwiederherstellungsverfahren für nickelbasierte Superlegierungen. Hier wird ein Laserstrahl mit seinem Brennpunkt unterhalb oder oberhalb einer Oberfläche fokussiert, um einen Laserspot auf einer Substratoberfläche vorzusehen. In beiden Fällen wird ein Wiederherstellungslegierungspulverstrahl zusammen mit dem Laserstrahl verwendet, um eine Pulverbeschichtung vorzunehmen.
-
Die
DE 100 36 125 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bearbeitung einer zylindrischen Innenwandfläche einer Bohrung. Hier wird eine von einem Bearbeitungsort ausgehende Prozessstrahlung durch eine Umlenkoptik entlang eines Laserstrahls, aber in entgegen gesetzter Richtung, geführt und mittels erster und/oder zweiter Sensoren aufgenommen. Den Sensoren ist ein Rechner zum Auswerten der Prozessstrahlung nachgeordnet, der eine visuelle Darstellung, beispielsweise des Prozessleuchtens von der Bearbeitungsstelle oder ein Abbild der Bearbeitungsstelle selbst liefert.
-
Die
WO 91/04 828 A1 beschreibt eine multiaxiale Laserstrahlschneidvorrichtung mit einer Bildverarbeitungseinheit. Hier wird mittels einer elektronischen Kamera ein Werkstück durch einen Spiegel und eine Linse beobachtet. Die von der Kamera gelieferten Daten werden einer Bildverarbeitung zugeführt. Wird der Brennpunkt eines Laserschneidstrahls entlang einer Rotationsachse nach oben und unten bewegt, werden die Daten der Kamera Steuerrechnern zugeführt, die die Stellung von Spiegeln anpassen, um den Laserstrahlfokus auf der Rotationsachse zu halten. Hierbei wird der Abstand von dem Ausgabespiegel zu dem Werkstück durch Beobachten des Durchmessers des Laserstrahlfokuspunktes auf dem Werkstück überwacht.
-
Bei den vorstehend genannten Verfahren ist es problematisch, dass entweder der Sensor einer extremen Temperaturbelastung ausgesetzt ist oder der Arbeitsabstand zwischen Pulverbeschichtungskopf und Werkstück lediglich im Vor- oder Nachlauf, jedoch nicht an der Wechselwirkungs- oder Beschichtungszone selbst in Echtzeit gemessen werden kann.
-
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein weiteres Verfahren und eine weitere Vorrichtung zum Regeln eines Pulverbeschichtungsprozesses bereitzustellen, das bzw. die eine Erfassung des Arbeitsabstandes zwischen Pulverbeschichtungskopf und Werkstück im Zentrum des Bearbeitungsbereichs in Echtzeit ermöglicht, um ein konstantes Beschichtungsergebnis, insbesondere eine gleichbleibende Beschichtungsspurbreite und -dicke zu erhalten.
-
Die Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1 und die Vorrichtung nach Anspruch 15 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Verfahrens und der Vorrichtung werden in den Unteransprüchen dargelegt.
-
Erfindungsgemäß wird bei einem Verfahren zum Regeln eines Pulverbeschichtungsprozesses, bei dem mittels eines Pulverbeschichtungskopfes eine Beschichtungsspur auf ein Werkstück aufgetragen wird, vom Wechselwirkungsbereich ausgehende Sekundärstrahlung beobachtet, um zumindest einen vom Arbeitsabstand zwischen dem Werkstück und dem Pulverbeschichtungskopf abhängigen Parameter des Wechselwirkungsbereichs zu erfassen, und der Arbeitsabstand derart geregelt, dass der zumindest eine erfasste Parameter während des Beschichtungsprozesses im Wesentlichen konstant gehalten wird.
-
Es ist also vorgesehen, ein Verfahren zum Regeln eines Pulverbeschichtungsprozesses bereitzustellen, bei dem der Arbeitsabstand zwischen Pulverbeschichtungskopf und Werkstück derart geregelt wird, dass die Abmessungen des Wechselwirkungsbereichs zwischen Arbeitslaserstrahl und Werkstück, insbesondere eines Schmelzbades, konstant gehalten werden, um ein konstantes Beschichtungsergebnis, insbesondere eine gleichbleibende Beschichtungsspurbreite und -dicke zu erhalten.
-
Dieses Verfahren besitzt den Vorteil, daß der Beschichtungsvorgang durch Beobachtung des Zentrums des Bearbeitungspunktes, in dem die geometrischen Merkmale des Bearbeitungsergebnisses weitgehend bestimmt werden, geregelt wird, womit ein qualitativ gleichbleibendes Beschichtungsergebnis erzielt werden kann, insbesondere eine Beschichtungsspur mit konstantem Querschnitt.
-
Der erfasste Parameter zur Regelung des Arbeitsabstandes kann der Fläche des Wechselwirkungsbereichs entsprechen. Dies besitzt den Vorteil, dass dieses Parameter bei Änderung der Vorschubrichtung des Pulverbeschichtungskopfes im Wesentlichen konstant bleibt, sodass auch bei einer Seitwärtsbewegung des Kopfes ein gleichbleibendes Beschichtungsergebnis, insbesondere eine Beschichtungsspur mit konstanter Querschnittsbreite, ermöglicht wird.
-
In einem anderen Ausführungsbeispiel kann der erfasste Parameter einem Durchmesser des Wechselwirkungsbereichs entlang einer vorgegebenen Richtung entsprechen. Dies bietet den Vorteil, dass der zu ermittelnde Parameter aus dem beobachteten Wechselwirkungsbereich unter niedrigem Rechenaufwand schnell ausgewertet werden kann.
-
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann zur Erfassung des zumindest einen Parameters der Rand des Wechselwirkungsbereichs ermittelt werden, wobei der Rand des Wechselwirkungsbereichs vorzugsweise über eine Grauwertschwelle des beobachteten Wechselwirkungsbereichs ermittelt wird. Aufgrund dieses Verfahrens können durch Verwendung eines einfachen Algorithmus die geometrischen Merkmale des Wechselwirkungsbereichs definiert werden.
-
Das erfindungsgemässe Verfahren bietet zudem den Vorteil, dass zur Beobachtung des Wechselwirkungsbereichs eine gewöhnliche Zeilen- oder Flächenkamera verwendet werden kann.
-
Um den Arbeitsabstand entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren zu regeln, wird in einer bevorzugten Ausführungsform der zumindest eine erfasste Parameter mit einem Sollwert verglichen, wobei der Sollwert vorgegeben sein kann oder kurz nach dem Start eines Bearbeitungsprozesses aus einem Ist-Wert bestimmt werden kann.
-
Obwohl es grundsätzlich möglich ist im Laserstrahlfokus zu arbeiten, ist bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass der Laserstrahlbrennpunkt so relativ zur Oberfläche des Werkstückes eingestellt wird, dass der Wechselwirkungsbereich in einem konischen Abschnitt des fokussierten Laserstrahls liegt. Damit befindet sich der Wechselwirkungsbereich im konvergenten oder divergenten Bereich des Arbeitslaserstrahls, sodass der Laserstrahl einerseits mit einer genügend grossen Auftreffläche auf das zu bearbeitende Werkstück auftrifft und andererseits durch Ändern der Auftrefffläche die geometrischen Merkmale des Wechselwirkungsbereichs verändert werden können.
-
Wird eine kompakte kurze Baulänge des Pulverbeschichtungskopfes gewünscht, so ist es zweckmäßig, wenn der Laserstrahlbrennpunkt des fokussierten Arbeitslaserstrahls innerhalb einer Pulverbeschichtungsdüse liegt, aus der der fokussierte Laserstrahl sowie der konvergente Pulverstrahl gemeinsam austreten.
-
Wenn jedoch große Arbeitsabstände bei relativ kleinem Durchmesser des Wechselwirkungsbereichs erforderlich sind und dazu auch lange Brennweiten der Fokussieroptik gewünscht oder nötig sind, ist es vorteilhaft, wenn der Laserstrahlbrennpunkt in Strahlrichtung gesehen hinter der Oberfläche des Werkstücks liegt, wenn also der Wechselwirkungsbereich im konvergenten Abschnitt des Laserstrahls liegt.
-
Bei einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung liegt der Pulverstrahlbrennpunkt, also der schmaleste Bereich des zunächst konvergenten und anschließend divergenten Pulverstrahls im Wesentlichen auf der Oberfläche des Werkstückes. Dabei ist der Durchmesser des Pulverstrahlbrennpunkts kleiner als der Durchmesser des Laserstrahls im Wechselwirkungsbereich, so dass ein Aufschmelzen des gesamten von der Pulverbeschichtungsdüse in den Wechselwirkungsbereich eingebrachten pulverförmigen Zusatzwerkstoffes gefördert wird.
-
Um eine möglichst schlanke Geometrie des Pulverbeschichtungskopfes bereitzustellen, kann die Beobachtung des Wechselwirkungsbereichs durch den Pulverbeschichtungskopf hindurch erfolgen. Ist es jedoch erforderlich, den Arbeitslaserstrahlengang sowie den Beobachtungsstrahlengang getrennt zu halten, so kann die Beobachtung des Wechselwirkungsbereichs auch durch eine an dem Pulverbeschichtungskopf gehaltene benachbarte externe Kamera erfolgen. Letzteres ist für bereits bestehende Pulverbeschichtungsanlagen vorteilhaft.
-
Bei einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der zumindest eine vom Arbeitsabstand abhängige Parameter und/oder ein oder mehrere weitere Parameter des Wechselwirkungsbereichs und/oder der Beschichtungsspur zur Überwachung und/oder Dokumentation des Laserbearbeitungsvorgangs aufgezeichnet werden. Hierdurch läßt sich ein einfacher Qualitätsnachweis für die fertige Beschichtung erbringen.
-
Ferner weist eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Regelung eines von einer Pulverbeschichtungsmaschine auszuführenden, automatischen Pulverbeschichtungsprozesses eine Beobachtungsoptik, die vom Wechselwirkungsbereich ausgehende Sekundärstrahlung auf eine Empfängeranordnung abbildet, und eine Auswerteschaltung auf, die aus Ausgangssignalen der Empfängeranordnung zumindest einen vom Arbeitsabstand zwischen dem Werkstück und dem Pulverbeschichtungskopf abhängigen Parameter ermittelt und ein Signal zur Regelung des Arbeitsabstandes zwischen Pulverbeschichtungskopf und Werkstück an eine Verstelleinheit liefert, sodass der zumindest eine erfasste Parameter während des Beschichtungsprozesses im Wesentlichen konstant gehalten wird.
-
Diese Vorrichtung ermöglicht es, ein konstantes Beschichtungsergebnis durch Regelung des Arbeitsabstandes, der für das Beschichtungsergebnis weitgehend bestimmend ist, aufgrund der Beobachtung des zentralen Bearbeitungspunktes zu erzielen.
-
Hierbei ist es zweckmässig, ein Filtermodul im Beobachtungsstrahlengang anzuordnen, um das in einem anderen Wellenlängenbereich liegende Licht des Arbeitslaserstrahls heraus zu filtern und damit im Wesentlichen nur den Anteil der von dem Wechselwirkungsbereich ausgehenden Sekundärstrahlung zur Empfängeranordnung durchzulassen.
-
Bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Vorrichtung wird der Beobachtungsstrahlengang über einen dichroitischen Spiegel aus dem Arbeitslaserstrahlengang ausgekoppelt, falls die Sekundärstrahlung in einem anderen Wellenlängenbereich liegt als das Licht des Arbeitslaserstrahls. Für den Fall, dass beide Strahlengänge im gleichen spektralen Bereich liegen, ist es vorteilhaft, den Beobachtungsstrahlengang mittels eines Scraper-Spiegels aus dem Arbeitslaserstrahlengang auszukoppeln, der jedoch unabhängig von den jeweiligen Spektralbereichen einsetzbar ist. In beiden Fällen wird so eine schlanke Geometrie des Pulverbeschichtungskopfes erhalten.
-
Ist es jedoch erforderlich, den Arbeitslaserstrahlengang sowie den Beobachtungsstrahlengang getrennt zu halten, so kann in einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung als Beobachtungsoptik mit Empfängeranordnung eine externe, an dem Pulverbeschichtungskopf gehaltene Kamera verwendet werden.
-
Es ist zweckmässig, wenn die Empfängeranordnung ein Videobild, insbesondere ein Pixelbild liefert, desweiteren ist es vorteilhaft, als Empfängeranordnung einen handelsüblichen ein- oder zweidimensionaler CCD-Bildsensor zu verwenden.
-
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemässen Vorrichtung ist es zweckmässig, dass die Auswerteschaltung eine Bildverarbeitungseinheit zur Ermittelung eines Randes des Wechselwirkungsbereichs mittels Grauwertauswertung, eine Auswerteeinheit zur Parameterermittelung, eine Vergleichseinheit zum Vergleichen eines Ist-Wertes des zumindest einen Parameters mit einem Soll-Wert, und eine Regeleinheit zur Ermittlung und Ausgabe eines Signals zur Regelung eines Arbeitsabstandes zwischen Pulverbeschichtungskopf und Werkstück an die Pulverbeschichtungsmaschine umfasst.
-
In der Vorrichtung gemäss der Erfindung kann ferner eine Anzeigevorrichtung, insbesondere ein Bildschirm zur Darstellung eines von der Empfängeranordnung aufgenommenen bearbeiteten oder nicht bearbeiteten Bildes und/oder zur Anzeige des zeitlichen Verlaufs des zumindest einen Parameters vorgesehen sein. Dies hat den Vorteil, dass einer mit der Betreuung der Pulverbeschichtungsmaschine betrauten Person das Einrichten oder Programmieren der Maschine für die Beschichtung einer Vielzahl von gleichartigen Werkstücken, die Überwachung der Beschichtungsprozesse und gegebenenfalls die Überprüfung der Maschineneinstellungen erleichtert wird.
-
Die Erfindung wird im Folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine stark vereinfachte schematische Darstellung der Lage einer Pulverbeschichtungsdüse relativ zu einem Werkstück zur Veranschaulichung eines Pulverbeschichtungsprozesses entsprechend der Erfindung,
-
2 eine schematische Draufsicht auf einen Wechselwirkungsbereich zwischen Arbeitslaserstrahl und Werkstück und eine aufgrund des Pulverbeschichtungsprozesses entstehende Beschichtungsspur,
-
3 eine Darstellung eines durch eine Empfängeranordnung aufgezeichneten Wechselwirkungsbereichs, wie er durch eine Auswerteschaltung ausgewertet wird,
-
4 eine Kalibrierungsmessung zur Regelung des Arbeitsabstandes bei einem Pulverbeschichtungsprozess entsprechend der Erfindung,
-
5 eine schematische Skizze einer Vorrichtung zur Regelung eines Pulverbeschichtungsprozesses entsprechend der Erfindung, und
-
6 eine schematische Skizze einer weiteren Vorrichtung zur Regelung eines Pulverbeschichtungsprozesses entsprechend der Erfindung.
-
In den verschiedenen Figuren der Zeichnung sind einander entsprechende Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
-
In 1 wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Regelung eines Pulverbeschichtungsprozesses schematisch illustriert.
-
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Pulverbeschichtungskopf 1, wie durch den Pfeil P in 1 angedeutet wird, in horizontaler Richtung oberhalb eines Werkstücks 2 bewegt und weist einen Arbeitsabstand d zum Werkstück 2 auf. Durch den Pulverbeschichtungskopf 1 wird ein fokussierter Laserstrahl 3 gelenkt, der einen Laserstrahlbrennpunkt 4 aufweist. Die Einstrahlung des fokussierten Laserstrahls 3 auf das Werkstück 2 erzeugt einen Wechselwirkungsbereich 5 mit dem Werkstück 2, insbesondere ein Schmelzbad an der Oberfläche des Werkstücks 2. Die Abmessungen des entstehenden Wechselwirkungsbereichs 5 werden stark durch die vertikale Lage des Laserstrahlbrennpunkts 4 beeinflusst. Obwohl die vertikale Lage des Laserstrahlbrennpunkts 4 frei wählbar ist, ist es vorteilhaft, wenn der Laserstrahlbrennpunkt 4 nicht auf der Oberfläche des Werkstücks 2, sondern in Strahlrichtung gesehen vor oder hinter der Oberfläche des Werkstücks 2 liegt, da sich in diesem Fall der Durchmesser der Auftrefffläche des Laserstrahls 3 in den Wechselwirkungsbereich 5 bei Variation des Arbeitsabstandes derart linear verändert, dass bereits aus Veränderung eindeutig auf die Richtung der den Abstand nachregelnden Vestellung des Pulverbeschichtungskopfes 1 geschlossen werden kann.
-
In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel liegt der Laserstrahlbrennpunkt 4 innerhalb einer Pulverbeschichtungsdüse 6 des Pulverbeschichtungskopfes 1. Somit befindet sich der Wechselwirkungsbereich stets im divergenten Bereich des fokussierten Laserstrahls. Es ist jedoch auch möglich, falls bei grossen Arbeitsabständen d relativ kleine Auftreffflächen des Arbeitslaserstrahls 3 benötigt werden, dass der Laserstrahlbrennpunkt 4 unterhalb der Oberfläche des Werkstücks 2 liegt. Gegebenenfalls kann es jedoch auch von Vorteil sein, wenn der Laserstrahl 3 auf das Werkstück fokussiert wird, da dann die für den verwendeten Laser die größte Energiedichte erreicht wird.
-
Die Pulverbeschichtungsdüse 6 lenkt einen fokussierten Pulverstrahl 7 mit einem Pulverstrahlbrennpunkt 8 in den Wechselwirkungsbereich 5 auf dem Werkstück 2. Die vertikale Lage des Pulverstrahlbrennpunkts 8 liegt bevorzugterweise auf der Oberfläche des Werkstücks 2, um ein Aufschmelzen des gesamten von der Pulverbeschichtungsdüse 6 in den Wechselwirkungsbereich 5 eingebrachten pulverförmigen Zusatzwerkstoffes, im folgenden kurz Pulver genannt, zu fördern.
-
Durch eine horizontale Verschiebung des Pulverbeschichtungskopfes 1 wird eine Beschichtungsspur 9 auf die Oberfläche des Werkstücks 2 aufgebracht. Hierbei hängen die Abmessungen der Beschichtungsspur nicht nur von der Pulverzufuhr und der Vorschubgeschwindigkeit, sondern auch von den Abmessungen des Wechselwirkungsbereichs 5 ab.
-
Definiert man ausgehend vom Pulverbeschichtungskopf 1 eine vertikale Achse, so ist die vertikale Lage des Werkstücks 2 an dem Punkt z = 0 bevorzugt, in dem sich der Pulverstrahlbrennpunkt 8 befindet. Eine Variation in der vertikalen Lage verändert die Auftrefffläche des fokussierten Laserstrahls 3 im Wechselwirkungsbereich 5 mit dem Werkstück 2 insofern, dass eine größere Auftrefffläche zu größeren Abmessungen des Wechselwirkungsbereichs 5 mit dem Werkstück 2 führt, wie nachstehend noch in 4 genauer erläutert wird.
-
Es kann also durch eine Variation des Arbeitsabstandes d zwischen Oberfläche des Werkstücks 2 und Pulverbeschichtungskopf 1 der Abstand zwischen Laserstrahlbrennpunkt 4 und Oberfläche des Wechselwirkungsbereichs 5 verändert werden, was zu einer Veränderung der Abmessungen des Wechselwirkungsbereichs 5 und damit zu einer Veränderung der Abmessungen der Beschichtungsspur 9 führt.
-
Somit können durch Schwankungen des Arbeitsabstandes d zwischen Pulverbeschichtungskopf 1 und Oberfläche des Werkstücks 2 unterschiedliche Bearbeitungsergebnisse, insbesondere unterschiedliche Abmessungen, wie Breite und/oder Dicke der Beschichtungsspur 9 auftreten. Gezielte Veränderungen des Arbeitsabstandes d können aber auch zur Beeinflussung der Abmessung der Beschichtungsspur genutzt werden.
-
In 2 sind der Wechselwirkungsbereich 5 sowie die aus dem Beschichtungsprozess resultierende Beschichtungsspur 9 schematisch dargestellt.
-
Um eine Regelung des Pulverbeschichtungsprozesses zu ermöglichen, wird die von dem Wechselwirkungsbereich 5 ausgehende Strahlung, die im folgenden zur Unterscheidung von der Arbeitslaserstrahlung als Sekundärstrahlung bezeichnet wird, beobachtet, wie in der aus einer photographischen Aufnahme hervorgegangenen 3 zu sehen ist. Der Wechselwirkungsbereich 5 umfasst ein Schmelzbad, das aufgrund seiner erhöhten Temperatur Strahlung im sichtbaren Bereich aussendet. Dort, wo das Schmelzbad in die nichtgeschmolzenen Oberflächenbereiche des Werkstücks 2 übergeht, weist der Wechselwirkungsbereich 5 einen Rand 10 auf, an dem die Intensität der Wärmestrahlung aufgrund des Temperaturabfalls abrupt abnimmt. Der Wechselwirkungsbereich 5 weist einen Durchmesser dww sowie eine von dem Rand 10 des Wechselwirkungsbereichs eingeschlossene Fläche Aww auf. Die Beschichtungsspur 9 weist eine Breite dBS quer zur Vorschubsrichtung auf.
-
Für die Auswertung und zur Ermittelung von Durchmesser und/oder Fläche des beobachteten Wechselwirkungsbereichs 5 kann das aufgenommene Bild gerastert werden und der Rand 10 des Wechselwirkungsbereichs 5 über eine Grauwertschwelle 11 definiert werden. Der Rand 10 legt dabei im aufgenommenen Bild ein Messfenster 12 für die weitere Auswertung fest. Nach der Definition der Grauwertschwelle werden geometrische Merkmale, die durch die Grauwertschwelle bestimmt werden, rechnerisch ermittelt. Hieraus können Parameter zur Regelung des Pulverbeschichtungsprozesses erhalten werden. Zum Beispiel kann die von dem Rand 10 des Wechselwirkungsbereichs 5 eingeschlossene Fläche Aww, die vorzugsweise als Pixelanzahl angegeben werden kann, oder der Durchmesser dww des Randes 10 des Wechselwirkungsbereichs 5 entlang einer vorgegebenen Richtung bestimmt werden. Dabei liegt eine vorteilhafte vorgegebene Richtung quer zu der Vorschubsrichtung des Pulverbeschichtungskopfes 1.
-
Die Parameter zur Regelung des Arbeitsabstandes müssen jedoch nicht auf geometrische Merkmale des Wechselwirkungsbereichs beschränkt sein, so können auch spektrale Merkmale oder Strahlungsintensitätsverteilungen des Wechselwirkungsbereichs 5 für sich genommen oder als Kombination der vorstehend genannten Merkmale einen Regelungsparameter bilden.
-
Hierbei ist zu beachten, dass die geometrischen Parameter oder Merkmale, wie Fläche oder Durchmesser des Wechselwirkungsbereichs 5, vom Arbeitsabstand d abhängen, da dieser die Aufstrahlfläche des Arbeitslaserstrahls und damit die Abmessungen des Wechselwirkungsbereichs 5 beeinflusst.
-
Wird also durch Regeln des Arbeitsabstandes d zwischen Pulverbeschichtungskopf 1 und Werkstück 2 einer dieser geometrischen Parameter konstant gehalten, so kann ein konstantes Bearbeitungsergebnis, insbesondere eine konstante Breite dBS der Beschichtungsspur 9 erzielt werden. Hierbei wird vorausgesetzt, dass während des Pulverbeschichtungsprozesses andere maßgebliche Faktoren, wie zum Beispiel die Pulverauftragsrate und dergleichen konstant gehalten werden.
-
Die 4 zeigt eine Kalibrierungsmessung für eine kamerabasierte Prozesskontrolle entsprechend der Erfindung.
-
Hierfür wurde bei gleichbleibender Pulverauftragsrate und gleichbleibender horizontaler Vorschubgeschwindigkeit der Arbeitsabstand zwischen Pulverbeschichtungskopf 1 und Werkstück 2 in einer Vielzahl von verschiedenen Positionen mittels einer Verstelleinheit 26 (siehe 5 oder 6) eingestellt.
-
Die Variation des Arbeitsabstandes d um die bevorzugte vertikale Lage z = 0 führt zu einer Veränderung der Eigenschaften des beobachteten Wechselwirkungsbereichs 5, insbesondere seiner geometrischen Merkmale, wie der Fläche Aww oder seines Durchmessers dww. Dies wird durch eine Veränderung der Pixelanzahl in der Ordinate des Graphs in 4 dargestellt.
-
Bei der Variation des Arbeitsabstandes d des Pulverbeschichtungskopfes 1 vom Werkstück 2 ändert sich das Bearbeitungsergebnis des Beschichtungsprozesses, insbesondere die Breite dBS der Beschichtungsspur 9 (siehe 2), die in der Abszisse des Graphs in 4 dargestellt ist.
-
Daher ist es also möglich, aus einer während des Beschichtungsprozesses entsprechend der Erfindung in Echtzeit erhaltenen Kenngröße, insbesondere der Pixelanzahl, die dem Durchmesser oder der Fläche des Wechselwirkungsbereichs entspricht, auf den Arbeitsabstand zwischen Pulverbeschichtungskopf 1 und Werkstück 2 sowie auf das resultierende Bearbeitungsergebnis, insbesondere die Breite dBS der Beschichtungsspur 9, zu schließen.
-
Somit kann bei einem Konstanthalten der Kenngröße durch einen Regelprozess für den Arbeitsabstand ein Beschichtungsergebnis mit gleichbleibender Qualität erzielt werden.
-
Die Kamera kann jedoch auch eingesetzt werden, um zur Überwachung und/oder Dokumentation des Laserbearbeitungsvorgangs und der damit verbundenen Kenngröße eingesetzt zu werden. Hierdurch läßt sich ein einfacher Qualitätsnachweis für die fertige Beschichtung erbringen.
-
Durch die Beobachtung des Wechselwirkungsbereichs, also des Schmelzbades und die Grauwertauswertung des davon aufgenommenen Bildes, insbesondere Videobildes können die Breite der Beschichtungsspur und der Arbeitsabstand im zentralen Bearbeitungspunkt bestimmt werden, wenn eine entsprechende Kalibrierung der Mess- oder Kenngrösse, insbesondere der Pixelanzahl durchgeführt wird. Die Ermittelung der Mess- oder Kenngrösse, die einen abstandsabhängigen Parameter des Wechselwirkungsbereichs, also des Schmelzbades darstellt, ermöglicht dabei eine Prozessregelung für die Spurbreite und den Arbeitsabstand, die ein konstantes Bearbeitungsergebnis liefert. Die absolute Bestimmung des Arbeitsabstandes im zentralen Bearbeitungspunkt ist dabei nicht erforderlich.
-
In 5 ist eine Vorrichtung zum erfindungsgemässen Regeln eines von einer Pulverbeschichtungsmaschine 13 auszuführenden, automatischen Pulverbeschichtungsprozesses schematisch dargestellt.
-
Im Pulverbeschichtungskopf 1 wird ein Laserstrahl 18, der über eine Lichtleit-Faser 20 zum Pulverbeschichtungskopf 1 geleitet wird, über eine Einkoppellinse 15, einen ersten Umlenkspiegel 16 sowie eine Objektivlinse 17 in einen Wechselwirkungsbereich 5 mit einem Werkstück 2 gelenkt. Als Laserlichtquelle kann z. B. ein Nd:YAG-Laser, eine Laserdiode oder ein CO2-Laser verwendet werden. Der Laserstrahl 18 wird durch die Objektivlinse 17 fokussiert, wobei vorzugsweise der Laserstrahlbrennpunkt 4 ober- oder unterhalb der Oberfläche des Werkstücks 2 liegt. Bei der in 5 gezeigten Vorrichtung liegt der Laserstrahlbrennpunkt 4 im Inneren der Pulverbeschichtungsdüse 6. Werden jedoch grosse Arbeitsabstände bei langen Brennweiten, wie z. B. 300 mm, des Laserstrahls gewünscht, und soll der Pulverbeschichtungskopf dabei jedoch eine wesentlich geringere Länge aufweisen, so ist es sinnvoll, das Werkstück 2 zur Bearbeitung im konvergenten Bereich des fokussierten Laserstrahls 3 anzuordnen.
-
Die Pulverbeschichtungsdüse 6 lenkt einen konvergenten Pulverstrahl 7 in den Wechselwirkungsbereich 5 mit dem Werkstück 2. In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der kleinste Pulverstromdurchmesser 0,7 mm. Die Pulverbeschichtungsdüse 6, die hier als kontinuierliche Koaxialdüse dargestellt ist, kann auch aus einer ausseraxialen Pulverdüse oder einer diskreten Koaxialdüse bestehen. Bei der ausseraxialen Pulverdüse wird das Pulver seitlich in den Laserstrahl geführt, bei der diskreten Koaxialdüse erzeugen mindestens drei koaxial zum Laserstrahl geführte Teilstrahlen einen Pulverfokus oder -brennpunkt und bei der kontinuierlichen Koaxialdüse wird das Pulver kontinuierlich in einem kegeligen, zum Düsenausgang konisch verjüngenden Ringspalt verteilt.
-
Die von dem Wechselwirkungsbereich 5 ausgehende Sekundärstrahlung wird durch die Objektivlinse 17, den für die Sekundärstrahlung durchlässigen ersten Umlenkspiegel 16, einen zweiten Umlenkspiegel 22 und ein Filtermodul 23 auf eine Empfängeranordnung 24 abgebildet. Der für die Sekundärstrahlung durchlässige erste Umlenkspiegel 16 kann ein dichroitischer Spiegel sein. Es kann aber auch ein Scraper-Spiegel vorgesehen sein, der den Laserstrahl 18 umlenkt und die Sekundärstrahlung vorbeilässt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel laufen der Laserstrahl 18 sowie die Sekundärstrahlung, die von dem Wechselwirkungsbereich 5 ausgeht, über die gleiche Objektivlinse 17. Die Empfängeranordnung 24 kann ein Videoempfänger, ein ein- oder zweidimensionaler CCD-Bildsensor oder ein anderer geeigneter ortsauflösender Empfänger sein. Zur Auflösung spektraler und/oder ortsabhängiger Merkmale des Wechselwirkungsbereichs 5 können energie- und/oder ortsauflösende Detektoren eingesetzt werden.
-
Wie in 5 dargestellt ist, ist ein Ausgang der Empfängeranordnung 24 an eine Auswerteschaltung 25 angeschlossen, der die Ausgangssignale der Empfängeranordnung 24 zugeführt werden. Die Auswerteschaltung 25 ermittelt aus den Ausgangssignalen einen Rand 10 des auf die Empfängeranordnung 24 abgebildeten Wechselwirkungsbereichs 5 und bestimmt aus diesem einen Ist-Wert zumindest eines abstandsabhängigen Parameters, vergleicht den Ist-Wert mit einem Soll-Wert und liefert ein Signal zur Regelung eines Arbeitsabstandes d zwischen Pulverbeschichtungskopf 1 und Werkstück 2 an eine Verstelleinheit 26. Der Sollwert kann dabei ein vorgegebener Wert sein, der durch Testläufe der Maschine ermittelt wurde. Es ist aber auch möglich, den Soll-Wert kurz nach dem Start eines Bearbeitungsprozesses aus dem Ist-Wert zu bestimmen.
-
Zur Auswertung der Ausgangssignale der Empfängeranordnung 24 umfasst die Auswerteschaltung 25 vorzugsweise eine Bildverarbeitungseinheit 27, die aus den Bilddaten vorzugsweise durch Grauwertauswertung den Rand 10 des auf die Empfängeranordnung 24 abgebildeten Wechselwirkungsbereich 5 ermittelt. Aus dem Randverlauf leitet dann eine Auswerteeinheit 28 die gewünschten Parameter ab, also beispielsweise den Durchmesser des Randes 10 des Wechselwirkungsbereichs 5 entlang einer vorgegebenen Richtung oder die von dem Rand 10 eingeschlossene Fläche oder Pixelanzahl des Wechselwirkungsbereichs. Der bzw. die Ist-Werte des bzw. der als Regelgrößen dienenden geometrischen Parameter werden dann einer Vergleichseinheit 29 zugeführt, die den oder die Ist-Werte des oder der Parameter mit seinem oder ihren Soll-Werten vergleicht, um entsprechende Regeldifferenzen zu erhalten, die dann einer Regeleinheit 30 zugeführt werden.
-
Die Regeleinheit 30 ermittelt dann entsprechende Stellsignale, die der Verstelleinheit 26 zugeführt werden, um den Arbeitsabstand zwischen Pulverbeschichtungskopf 1 und Werkstück 2 zu regeln.
-
Wird also beispielsweise die Pixelanzahl, die von dem Rand 10 des Wechselwirkungsbereichs 5 eingeschlossen wird, als Parameter oder Regelgröße ermittelt, so wird diese mit der Soll-Pixelzahl verglichen.
-
Im Falle, dass der Laserstrahlbrennpunkt in Strahlrichtung gesehen vor der Oberfläche des Werkstücks liegt, wird, falls die gemessene Pixelzahl zu gross ist, der Pulverbeschichtungskopf 1 näher an das Werkstück 2 geführt, während im Falle einer zu kleinen gemessenen Pixelanzahl der Pulverbeschichtungskopf 1 weiter von dem Werkstück 2 entfernt wird.
-
Für den zweiten Fall, dass sich der Laserstrahlbrennpunkt in Strahlrichtung gesehen hinter der Oberfläche des Werkstücks liegt, wird, falls die gemessene Pixelzahl zu gross ist, der Pulverbeschichtungskopf 1 weiter von dem Werkstück 2 entfernt, während im Falle einer zu kleinen gemessenen Pixelanzahl der Pulverbeschichtungskopf 1 näher an das Werkstück 2 geführt wird.
-
Das Arbeiten im konischen Bereich erleichtert die Regelung also insofern, dass eine eindeutige Regelvorschrift für den Regelprozess existiert. Befindet sich der Laserstrahlbrennpunkt 4 auf der Oberfläche des Werkstücks 2, so bewirkt eine Variation des Arbeitsabstandes in beiden Richtungen eine Vergrösserung der geometrischen Merkmale des Wechselwirkungsbereichs 5. In diesem Fall gibt es keine eindeutige Regelvorschrift, um die gemessene Pixelanzahl minimal zu halten. Der Arbeitsabstand wird daher zunächst einfach vergrößert (oder verkleinert), um dann festzustellen, ob sich die Pixelanzahl weiter vergrößert oder wieder verkleiner. Im ersten Fall wird dann der Arbeitsabstand verkleinert (bzw. vergrößert), da hier die Nachregelung zunächst in der falschen Richtung erfolgte. Im letzteren Fall erfolgte die Nachregelung in der richtigen Richtung, so dass der Arbeitsabstand hier weiter vergrößert (bzw. verkleinert) wird.
-
Um einer mit der Betreuung der Pulverbeschichtungsmaschine 13 betrauten Person das Einrichten oder Programmieren der Maschine für die Beschichtung einer Vielzahl von gleichartigen Werkstücken, die Überwachung der Beschichtungsprozesse und gegebenenfalls die Überprüfung der Maschineneinstellungen zu erleichtern, ist zur Darstellung eines von der Empfängeranordnung aufgenommenen bearbeitenden oder nichtbearbeitenden Bildes ein Bildschirm 31 vorgesehen, der die Bildsignale entweder direkt von der Empfängeranordnung 24 oder, wie durch die gestrichelte Linie angedeutet, von der Auswerteschalteschaltung 25 erhält. Desweiteren kann vorgesehen werden, dass der Bildschirm 31 zur Darstellung eines zeitlichen Verlaufs des zumindest einen geometrischen Parameters vorgesehen wird.
-
In 6 ist eine schematische Skizze einer weiteren Vorrichtung zur Regelung eines Pulverbeschichtungsprozesses entsprechend der Erfindung dargestellt. Der wesentliche Unterschied zu der in 5 dargestellten Vorrichtung besteht in der Verwendung einer externen, dem Pulverbeschichtungskopf 1 benachbarten Kamera 32, die den Wechselwirkungsbereich 5 während des Pulverbeschichtungsprozesses beobachtet. Die Kamera leitet analog zu der in 5 beschriebenen Empfängeranordnung 24 ein Signal an die Auswertevorrichtung 25.
-
In dem Ausführungsbeispiel in 6 weist der Pulverbeschichtungskopf 1 statt einer transmissiven Optik eine reflexive Optik auf. Hierbei wird statt des planaren ersten Umlenkspiegels 16, wie er in dem Ausführungsbeispiel in 5 verwendet wurde, ein abbildender Umlenkspiegel 33 verwendet.
-
Die Art der Beobachtung des Wechselwirkungsbereichs mittels externer oder integrierter Kamera ist unabhängig von der Art der für den Arbeitsstrahlengang vorgesehenen Optik. So kann beispielsweise auch die in 6 dargestellte reflexive Optik von einer integrierten Kamera mit genutzt werden, während auch bei der in 5 gezeigten Vorrichtung eine externe Kamera eingesetzt werden könnte.