DE102023135701A1

DE102023135701A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Laserbeschichten

Info

Publication number: DE102023135701A1
Application number: DE102023135701.8A
Authority: DE
Inventors: Dmytro Dzivenko; Kevin Franz; Johannes Lintner
Original assignee: Nagel Maschinen und Werkzeugfabrik GmbH
Current assignee: Nagel Maschinen und Werkzeugfabrik GmbH
Priority date: 2023-12-19
Filing date: 2023-12-19
Publication date: 2025-06-26

Abstract

Bei einem Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Werkstücks wird an wenigstens einer Oberfläche (115) des Werkstücks (110) unter Verwendung von Laserstrahlung eine Beschichtung aufgebracht. Dazu wird ein auf die Oberfläche gerichteter erster Laserstrahl erzeugt, indem von einer Laserquelle emittierte Laserstrahlung durch eine Strahlformungsoptik eines Laserbearbeitungskopfs auf eine erste Auftreffzone auf der Oberfläche geführt wird. Ein vorzugsweise pulverförmiger Zusatzwerkstoffs wird zum ersten Laserstrahl derart zugeführt, dass der Zusatzwerkstoff in einer Wechselwirkungszone durch Laserstrahlung des ersten Laserstrahls erhitzt und/oder wenigstens teilweise aufgeschmolzen wird und sich im Bereich der ersten Auftreffzone (225-1) mit dem erwärmten Material an der Oberfläche verbindet. Zwischen dem Werkstück (110) und dem Laserbearbeitungskopf wird eine Relativbewegung derart erzeugt, dass sich die erste Auftreffzone in einer Vorschubrichtung mit einer Vorschubgeschwindigkeit entlang einer Vorschubbahn bewegt und dahinter eine Spur (228) mit Beschichtungsmaterial entsteht. Weiterhin wird wenigstens ein auf die Oberfläche gerichteter zweiter Laserstrahl zur Nachbehandlung des Beschichtungsmaterials erzeugt, indem von einer Laserquelle emittierte Laserstrahlung durch eine Fokussieroptik der Strahlformungsoptik des Laserbearbeitungskopfs auf eine in Vorschubrichtung gegenüber der ersten Auftreffzone nacheilende zweite Auftreffzone (225-2) geführt wird und auf die Spur mit Beschichtungsmaterial einwirkt.

Description

ANWENDUNGSGEBIET UND STAND DER TECHNIK
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Werkstücks, worin an wenigstens einer Oberfläche des Werkstücks unter Verwendung von Laserstrahlung eine Beschichtung aufgebracht wird, sowie eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung.
Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet ist die Herstellung beschichteter Bremsscheiben. Der Herstellungsprozess einer beschichteten Bremsscheibe umfasst eine oder mehrere Beschichtungsoperationen zur Beschichtung der Oberflächen des Bremsabschnitts einer Bremsscheibe mit einer Funktionsschicht, die aufgrund relativ großer mechanischer Härte eine verschleißmindernde Funktion haben kann. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine korrosionshemmende Wirkung vorliegen. Oft bestehen solche Funktionsschichten im Wesentlichen aus Metall oder einem Metall-Keramik-Verbund, sie können eine Einzellage oder mehrere Lagen unterschiedlicher Eigenschaften aufweisen.
Funktionsschichten bzw. Beschichtungen an Bremsscheiben und anderen Bauteilen werden heutzutage häufig mittels Laserauftragsschweißens hergestellt. Beim Laserauftragsschweißen wird eine Oberfläche eines Bauteils mittels eines Laserstrahls aufgeschmolzen und dem dabei ausgebildeten Schmelzbad wird ein vorzugsweise pulverförmiger Zusatzwerkstoff zugeführt. Das Pulver wird im Schmelzbad ebenfalls aufgeschmolzen, so dass sich nach dem Erstarren des aufgeschmolzenen Pulvermaterials und der Oberfläche eine stoffschlüssig verbundene, insbesondere schmelzmetallurgisch verbundene, Materialschicht bildet. Wenn metallisches Material aufgetragen wird, wird das Auftragsverfahren auch als „Laser Metal Deposition“ (LMD) bezeichnet. Das Laserauftragsschweißen wird auch im Bereich der Reparatur- und Verbindungstechniken eingesetzt.
Zur Erzielung hoher Auftragsleistungen wird heutzutage häufig das Verfahren „Extreme High-Speed Laser Material Deposition“ (EHLA) eingesetzt. Dabei handelt es sich um eine Variante des Laserauftragsschweißens, bei dem das Schmelzen des Auftragspulvers nicht auf der Oberfläche des zu beschichtenden Körpers (z.B. Bremsscheibe) erfolgt, sondern bevor das Material die Oberfläche erreicht. Dadurch lassen sich mit relativer hoher Geschwindigkeit relativ dünne Schichten erzeugen. Dieses Verfahren wurde am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT und der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen (RWTH Aachen) entwickelt (vgl. DE 10 2011 100 456 A1 ).
Abhängig vom Beschichtungsprozess und dem Beschichtungsmaterial können die freien Oberflächen der fertigen Funktionsschichten unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. Die Funktionsschichten sind in der Regel mechanisch relativ hart und nach dem Beschichten oberflächlich relativ rau. In der Regel ist eine Nachbehandlung erforderlich, um die für den bestimmungsgemäßen Gebrauch geforderte Oberflächenqualität zu erreichen. Bei Bremsscheiben kann durch einen nachgeschalteten Schleifprozess an der Beschichtung eine hinreichend ebene und für die Bremsfunktion optimierte Oberfläche erzeugt werden.
Es ist auch bekannt, durch Laserauftragschweißen erzeugte Beschichtungen mittels Laserstrahlung nachzubehandeln. Die Patentschrift DE 10 2020 106 822 B4 beschreibt eine Vorrichtung zum Laserauftragschweißen mit einer Laserauftragschweißeinheit mit einem darauf angeordneten Laserauftragschweißkopf zum Auftragen von Material in Form einer Auftragschweißspur auf eine Oberfläche eines Bauteils, einer oder mehrerer Materialquellen zur Versorgung des Laserauftragschweißkopfs mit dem aufzutragenden Material und einer Laserstrahlquelle zur Versorgung des Laserauftragschweißkopfes mit Laserlicht zur Durchführung des Laserauftragschweißens. Die Vorrichtung umfasst des Weiteren eine Materialglättungseinheit, die dazu vorgesehen ist, mittels eines auf die Oberfläche gerichteten Laserstrahls aus der Oberfläche herausragende Strukturen des aufgetragenen Materials zu glätten, wobei der glättende Laserstrahl einen Laserfokus und eine Laserenergie besitzt, die so eingestellt sind, dass die Strukturen im Laserstrahl verdampfen und gleichzeitig eine Temperatur der Oberfläche außerhalb der Strukturen unterhalb einer Verdampfungstemperatur des aufgetragenen Materials bleibt. Dadurch soll ein weniger verschleißintensiver Nachbearbeitungsaufwand ermöglicht werden.
AUFGABE UND LÖSUNG
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein gattungsgemäßes Verfahren und eine gattungsgemäße Vorrichtung so zu verbessern, dass mit relativ geringem technologischen Aufwand qualitativ hochwertige Funktionsschichten bzw. Beschichtungen erzeugt werden können.
Zur Lösung dieser Aufgabe stellt die Erfindung ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 bereit. Weiterhin wird eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 10 bereitgestellt.
Bevorzugte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird bei einem Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Werkstücks an wenigstens einer Oberfläche des Werkstücks unter Verwendung von Laserstrahlung eine Beschichtung bzw. eine Funktionsschicht aufgebracht. Bei diesem lasergestützten Beschichtungsprozess wird ein auf die Oberfläche gerichteter erster Laserstrahl erzeugt, indem von einer Laserquelle emittierte Laserstrahlung durch eine Strahlformungsoptik eines Laserbearbeitungskopfs auf eine erste Auftreffzone auf der Oberfläche geführt wird. Das Werkstückmaterial wird dadurch im Bereich der Auftreffzone durch die eingetragene Laserenergie lokal begrenzt erwärmt. Die Temperatur des Werkstückmaterials kann dabei unterhalb seiner Schmelztemperatur bleiben, so dass das Werkstückmaterial nicht aufschmilzt und - anders als beim traditionellen Laserauftragsschweißen - durch den ersten Laserstrahl kein Schmelzbad erzeugt wird. Es ist jedoch auch möglich, die Energie des ersten Laserstrahls so einzustellen, dass dadurch ein lokal begrenztes Schmelzbad mit Werkstückmaterial erzeugt wird.
Das Verfahren umfasst weiterhin das Zuführen bzw. eine Zufuhr wenigstens eines Zusatzwerkstoffs zum ersten Laserstrahl derart, dass der Zusatzwerkstoff in einer Wechselwirkungszone durch Laserstrahlung des ersten Laserstrahls erhitzt und/oder wenigstens teilweise aufgeschmolzen wird und sich im Bereich der ersten Auftreffzone mit dem erwärmten Werkstückmaterial verbindet. Vorzugsweise wird ein pulverförmiger Zusatzwerkstoff verwendet. Pulverpartikel geraten in den Bereich des ersten Laserstrahls und werden dadurch aufgeheizt, überwiegend bis zur Schmelztemperatur oder auch darüber, so dass die Pulverpartikel wenigstens zum Teil in die schmelzflüssige Phase überführt werden.
Die Wechselwirkungszone umfasst meist den Fokusbereich des ersten Laserstrahls und/oder Bereiche erhöhter Leistungsdichte des Laserstrahls in der Nähe des Fokusbereichs. Der Fokusbereich kann dabei ähnlich wie beim traditionellen Laserauftragsschweißen im Bereich der Oberfläche liegen, so dass der zugeführte Zusatzwerkstoff zu überwiegenden Anteilen erst im Schmelzbad aufschmilzt. Es ist auch möglich, dass - ähnlich wie beim EHLA-Verfahren - die Wechselwirkungszone und/oder der Fokusbereich in einem gewissen Abstand vor der Oberfläche liegt, so dass wenigstens ein Anteil des Zusatzwerkstoffs bereits vor Kontakt mit dem Werkstück wenigstens teilweise aufgeschmolzen wird und im diesem geschmolzenen Zustand auf die Werkstückoberfläche und/oder - sofern ein Schmelzbad vorliegt - im Schmelzbad schmilzt.
Bei dem Verfahren wird eine Relativbewegung zwischen dem Werkstück und dem Laserbearbeitungskopf derart erzeugt, dass sich die erste Auftreffzone in einer Vorschubrichtung mit einer Vorschubgeschwindigkeit entlang einer Vorschubbahn bewegt und dahinter eine Spur mit Beschichtungsmaterial entsteht. Die Relativbewegung kann dabei ausschließlich durch Bewegung des Werkstücks, beispielsweise durch Rotation um eine Rotationsachse, bei stationärem Laserbearbeitungskopf bewirkt werden. Es ist auch möglich, das Werkstück stillzusetzen und den Laserbearbeitungskopf zu bewegen. Auch eine Kombination von Bewegungen von Laserbearbeitungskopf und Werkstück ist möglich, beispielsweise bei der Beschichtung rotationssymmetrischer Oberflächen, indem das Werkstück um eine Rotationsachse rotiert und der Laserbearbeitungskopf gleichzeitig radial zur Rotationsachse so bewegt wird, dass ein spiralförmiger Verlauf der Spur mit Beschichtungsmaterial entsteht.
Bei dem Verfahren wird zusätzlich zum ersten Laserstrahl wenigstens ein auf die Oberfläche gerichteter zweiter Laserstrahl erzeugt, um das Beschichtungsmaterial nachzubehandeln. Eine solche Nachbehandlung kann die Schichteigenschaften aufgrund des Energieeintrags der Laserstrahlung aus den zweiten Laserstrahl im Vergleich zu einem Materialauftragsprozess ohne lasergestützte Nachbehandlung verbessern.
Eine gattungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung eines beschichteten Werkstücks durch Aufbringen einer Beschichtung auf wenigstens einer Oberfläche des Werkstücks unter Verwendung von Laserstrahlung enthält entsprechende Einrichtungen zur Realisierung der Verfahrensschritte. Dazu gehört wenigstens eine Werkstückaufnahmeeinrichtung zum Aufnehmen eines zu beschichtenden Werkstücks sowie mindestens ein Laserbearbeitungskopf mit einer Strahlformungsoptik zum Empfangen von Laserstrahlung einer Laserquelle und zum Erzeugen eines auf die Oberfläche des aufgenommenen Werkstücks gerichteten ersten Laserstrahls derart, dass der erste Laserstrahl auf eine erste Auftreffzone auf der Oberfläche führbar ist, um das Werkstück im Bereich der ersten Auftreffzone zu erwärmen. Weiterhin sind Einrichtungen zum Zuführen wenigstens eines Zusatzwerkstoffs in den Bereich des ersten Laserstrahls vorgesehen, die derart ausgebildet sind, dass der Zusatzwerkstoff in einer Wechselwirkungszone durch Laserstrahlung des ersten Laserstrahls erhitzt und oder ganz oder wenigstens teilweise aufgeschmolzen werden kann und im Bereich der ersten Auftreffzone auf die erwärmte Oberfläche trifft, um sich dort mit dem Material der Oberfläche zu verbinden. Weiterhin ist ein Bewegungssystem zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen dem Laserbearbeitungskopf und dem Werkstück vorhanden, dass derart konfiguriert ist, dass sich die erste Auftreffzone in einer Vorschubrichtung mit einer Vorschubgeschwindigkeit entlang der Oberfläche bewegt und im Beschichtungsbetrieb dahinter eine Spur mit Beschichtungsmaterial entsteht. Weiterhin weist die Vorrichtung Einrichtungen zum Erzeugen wenigstens eines auf die Oberfläche gerichteten zweiten Laserstrahls zur Nachbehandlung des Beschichtungsmaterials auf.
Eine Besonderheit von Verfahren und Vorrichtungen gemäß der beanspruchten Erfindung besteht in der Art und Weise, wie der zweite Laserstrahl geführt wird. Der wenigstens eine auf die Oberfläche gerichtete zweite Laserstrahl wird nämlich (im Betrieb der Vorrichtung) derart geführt, dass von einer Laserquelle emittierte Laserstrahlung durch die Fokussieroptik der Strahlformungsoptik des Laserbearbeitungskopfs auf eine in Vorschubrichtung gegenüber der ersten Auftreffzone nacheilende zweite Auftreffzone geführt wird und auf die Spur mit Beschichtungsmaterial einwirkt.
Gemäß diesem Vorschlag wird also ein- und dieselbe Fokussieroptik genutzt, um sowohl den ersten Laserstrahl als auch den zweiten Laserstrahl in die zugehörigen Auftreffzonen zu führen. Die Fokussieroptik ist dabei derjenige mit Brechkraft wirkende Teil der Strahlführungsoptik des Laserbearbeitungskopfs, der der Bearbeitungsebene des Laserbearbeitungskopfes und im Betrieb der Werkstückoberfläche am nächsten liegt. Es kann ggf. noch eine transparente Schutzplatte vorgeschaltet sein. Die Fokussieroptik kann aus einer einzigen Fokussierlinse bestehen oder aus einer Linsengruppe mit zwei oder mehr Linsen, die insgesamt fokussierend wirken. In konstruktiver Hinsicht kann dadurch eine eigene Fokussieroptik für den zweiten Laserstrahl eingespart werden.
In verfahrenstechnischer Hinsicht kann dadurch erreicht werden, dass die erste Auftreffzone und die zweite Auftreffzone sehr nahe beieinander bzw. hintereinander liegen oder sich sogar zum Teil überlappen können. Dadurch kann der zweite Laserstrahl unmittelbar bei und/oder nach Entstehung des zur Verbindung führenden Kontakts zwischen dem erhitzten Beschichtungsmaterial und dem Werkstück auf das Beschichtungsmaterial der Beschichtungsmaterialspur einwirken. Dabei ist es dadurch, dass beide Laserstrahlen durch dieselbe Fokussieroptik des Laserbearbeitungskopfs geführt werden, systematisch sehr einfach, ohne besonderen Aufwand dafür zu sorgen, dass der zweite Auftreffbereich bei Bedarf immer gut zur Spur des Beschichtungsmaterials ausgerichtet, z.B. zentriert ist. Aufgrund des geringen Abstands zwischen erstem und zweitem Laserstrahl bzw. zwischen den Zentren der ersten und zweiten Auftreffzone kann es bei entsprechender Ausdehnung der Auftreffzonen sein, dass die Wärmeeinflusszonen der beiden Auftreffzonen einander überlappen.
Unter anderem kann während des Beschichtungsprozesses ggf. erreicht werden, dass die Abkühlkurve des Beschichtungsmaterials unmittelbar nach Beginn der Verbindungserzeugung im Bereich der ersten Auftreffzone mit geringerer Abkühlrate verläuft als im Falle konventioneller Systeme ohne nacheilenden zweiten Laserstrahl. Dadurch können häufig günstigere Bedingungen für die Erstarrung des Beschichtungsmaterials geschaffen werden. Gegebenenfalls kann auch erreicht werden, dass das Beschichtungsmaterial im Vergleich zu konventionellen Verfahren längerer Zeit in schmelzflüssigen Zustand verbleibt, so dass sich eine innigere Verbindung zum darunter liegenden Material ergibt.
So haben die Erfinder beobachtet, dass bei ansonsten ähnlichen Bearbeitungsbedingungen im Bereich des ersten Laserstrahls die Nachbehandlung durch den zweiten Laserstrahl zu signifikant glatteren Beschichtungsoberflächen führen kann und dass im Beschichtungsmaterial auch weniger Risse und/oder nur noch kleinere Risse und/oder Poren bleiben als im Falle einer ähnlichen Beschichtungsspur ohne Nachbehandlung durch einen zweiten Laserstrahl. Außerdem scheint die Neigung zur Delamination geringer als bei herkömmlichen Verfahren zu sein. Durch den Wärmeeintrag mittels des zweiten Laserstrahls unmittelbar nach Erzeugung der Beschichtungsspur kann nach den Erkenntnissen der Erfinder auch dem Aufbau von Schichtspannungen wirksam entgegengewirkt werden, so dass auch Schichtablösungen aufgrund von Schichtspannungen wesentlich seltener beobachtet werden konnten als im Falle ähnlicher Bearbeitungsbedingungen ohne Nachbehandlung mittels eines zweiten Laserstrahls.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich im Hinblick auf den Schutz des Beschichtungsmaterials gegen Oxidation und/oder andere störende Einflüsse der Umgebungsatmosphäre. Bei vielen Ausführungsformen wird zu diesem Zweck ein Schutzgas in den Bereich der Entstehung der Beschichtung geleitet. Ein Schutzgas, wie z.B. Argon, kann beispielsweise durch ein Gehäuse der Strahlführungsoptik geleitet werden und durch Strahlaustrittsöffnungen für die Laserstrahlen austreten, um eine Schutzgaswolke oder -glocke zu bilden, die den heißen Entstehungsort der Beschichtung umhüllt. Dadurch, dass die beiden Laserstrahlen eng beieinanderliegen, können die Auftreffzonen innerhalb derselben Schutzgaswolke liegen, so dass im Zeitintervall zwischen der Entstehung der Beschichtung und der Einwirkung des zweiten Laserstrahls eine Oxidation des heißen Beschichtungsmaterial unterbunden wird. Das trägt zur Steigerung der Beschichtungsqualität bei.
Dadurch, dass der erste Laserstrahl und der zweite Laserstrahl durch dieselbe Fokussieroptik desselben Laserbearbeitungskopfs geführt werden, können die erste und die zweite Auftreffzone sehr nah beieinanderliegen. Gemäß einer Weiterbildung ist ein Mittenabstand zwischen der ersten Auftreffzone und der zweiten Auftreffzone weniger als zehnmal so groß, insbesondere weniger als fünfmal so groß, wie ein Maximaldurchmesser der ersten oder der zweiten Auftreffzone. Der Mittenabstand kann ggf. auch kleiner als der Maximaldurchmesser der ersten oder zweiten Auftreffzone sein, so dass sich die Auftreffzonen gegebenenfalls teilweise überlappen. Insbesondere wenn sich die erste und die zweite Auftreffzone teilweise überlappen, kann eine in Vorschubrichtung langgestreckte Wärmeeinflusszone entstehen, die besonders günstige Abkühlbedingungen für das Beschichtungsmaterial bietet.
Gemäß einer Weiterbildung ist der Mittenabstand zwischen der ersten Auftreffzone und der zweiten Auftreffzone über einen gewissen Verstellbereich einstellbar, und zwar vorzugsweise kontinuierlich bzw. stufenlos. Dadurch lässt sich u.a. das Abkühlverhalten feinfühlig beeinflussen und an die sonstigen Bearbeitungsparameter anpassen. Diese Variante bieten somit einen weiteren Freiheitsgrad der Prozesskontrolle. Der Mittenabstand kann bei manchen Varianten so weit reduziert werden, dass sich die Auftreffzonen teilweise oder vollständig überlappen.
Die Größe einer Auftreffzone wird im Wesentlichen durch die Querschnittsgröße des Laserstrahls und die Lage der Fokuszone in Bezug auf die Werkstückoberfläche bzw. auf die zu beschichtende Oberfläche bestimmt. Die Fokuszone bzw. der Fokusbereich ist ein in Strahlrichtung sich erstreckender Bereich, in dem eine Taille des Strahlquerschnitts vorliegt. Liegt dieser Bereich minimalen Durchmessers der Fokuszone bzw. des Fokusbereichs in der Werkstückoberfläche, so ergeben sich minimal große Auftreffzonen. Werden die Laserstrahlen dagegen defokussiert, so dass beispielsweise der Fokusbereich mit Abstand oberhalb der Werkstückoberfläche liegt, so werden die Auftreffzonen entsprechend größer und die lokale Leistungsdichte im Bereich der Auftreffzonen sinkt. Die Durchmesser der Auftreffzonen können beispielsweise im Bereich von 1 mm bis 10 mm liegen, insbesondere im Bereich von 2 mm bis 5 mm.
Eine Verfahrensvariante, die in vielen Fällen zu fest auf dem Werkstück haftenden Beschichtungen mit hoher Materialdichte und relativ glatter Oberfläche führt, zeichnet sich dadurch aus, dass der zweite Laserstrahl derart auf das Beschichtungsmaterial der Spur wirkt, dass im Wesentlichen ohne Materialabtrag eine diffusionsgesteuerte Umverteilung von Beschichtungsmaterial zur Reduzierung einer Oberflächenrauheit und/oder zum Schließen von Rissen und/oder Poren führt. Bei dieser Verfahrensvariante besteht eine wesentliche Wirkung des zweiten Laserstrahls darin, dass er dafür sorgt, dass die Temperatur in der frisch entstehenden Beschichtung über einen längeren Zeitraum relativ hoch ist, so dass eine im Wesentlichen über Oberflächendiffusion gesteuerte, effiziente Umverteilung von Beschichtungsmaterial erfolgen kann, vorzugsweise ohne dass das Beschichtungsmaterial nochmals aufschmilzt und/oder verdampft.
Gemäß einer Weiterbildung werden die Arbeitsbedingungen so eingestellt, dass eine Maximaltemperatur des Beschichtungsmaterials im Bereich des zweiten Auftreffbereichs durchgehend geringer ist als die Verdampfungstemperatur des Beschichtungsmaterials, so dass kein Beschichtungsmaterial verloren geht und nicht die Notwendigkeit einer gesonderten Absaugung von Materialdampf besteht.
Gemäß einer Weiterbildung ist ein Verhältnis der Leistungsdichten des ersten und des zweiten Laserstrahls im Bereich der jeweiligen Auftreffzonen einstellbar. Ein Leistungsdichteverhältnis LV zwischen einer ersten Leistungsdichte L1 im Bereich der ersten Auftreffzone und einer zweiten Leistungsdichte L2 im Bereich der zweiten Auftreffzone kann z.B. im Bereich von 0,1 bis 10 liegen, insbesondere im Bereich von 0,3 bis 3. In der Regel gilt L1 > L2, was aber nicht zwingend ist.
Manche Verfahrensvarianten zeichnen sich dadurch aus, dass eine Leistungsdichte des zweiten Laserstrahls so eingestellt wird, dass durch Wärmeeintrag mittels des zweiten Laserstrahls eine Abkühlrate des Beschichtungsmaterials nach Austritt aus dem ersten Auftreffbereich gegenüber einer Bearbeitung ohne zweiten Laserstrahl verringert ist. Da der zweite Laserstrahl zeitlich und räumlich unmittelbar nach Entstehung der Beschichtung im Bereich der ersten Auftreffzone auf die Beschichtungsmaterialspur trifft, kann die wesentliche Wirkung des zweiten Laserstrahls darin liegen, die Abkühlung des Beschichtungsmaterials zu verlangsamen, ohne dass dieses zunächst stärker abkühlt und danach durch einen zweiten Laserstrahl wieder aufgeheizt wird. Der Prozess kann so gefahren werden, dass der zweite Laserstrahl nicht zu einer Erhöhung der lokalen Temperatur der sich abkühlenden Beschichtungsspur führt, sondern nur zu einer langsameren Abkühlung. Gegebenenfalls kann das Beschichtungsmaterial auch länger als bei herkömmlichen Verfahren schmelzflüssig gehalten werden, wodurch sich u.a. die Schichthaftung zum Untergrund verbessern lässt.
Es ist möglich, zwei unterschiedliche Laserquellen für die Erzeugung des ersten Laserstrahls und für die Erzeugung des zweiten Laserstrahls zu verwenden. Damit ist es möglich, in der zweiten Auftreffzone mit anderer Laserstrahlung zu arbeiten als in der ersten Auftreffzone, beispielsweise bei einer anderen Wellenlänge und/oder im Pulsbetrieb anstelle eines kontinuierlichen Strichbetriebs oder dergleichen. Insgesamt ergibt sich hohe Flexibilität für die Optimierung der Prozessparameter. Es entsteht dann allerdings erhöhter konstruktiver Aufwand zur Strahlführung bis zur Einkopplung in die Strahlformungsoptik des Laserbearbeitungskopfs.
Bei anderen Ausführungsformen wird zur Erzeugung des ersten und des zweiten Laserstrahls dieselbe Laserquelle genutzt. Dadurch ergibt sich unter anderem ein vereinfachter Aufbau der Gesamtvorrichtung.
Gemäß einer Weiterbildung durchlaufen derjenige Anteil der Laserstrahlung, der den ersten Laserstrahl bildet, und derjenige Anteil der Laserstrahlung, der den zweiten Laserstrahl bildet, nicht nur die Fokussieroptik des Laserbearbeitungskopfs, sondern die gesamte Strahlformungsoptik des Laserbearbeitungskopfs. Die Einkopplung der Laserstrahlung wird dadurch besonders einfach.
Es gibt Varianten, bei denen ein von der Laserquelle kommender Laserstrahl innerhalb der Strahlformungsoptik des Laserbearbeitungskopfs in den ersten und den zweiten Laserstrahl aufgeteilt wird. Dazu kann ein geeigneter Strahlteiler vorgesehen sein. Gemäß einer Weiterbildung weist die Strahlformungsoptik im Bereich zwischen einer Kollimationsoptik und einer Fokussieroptik einen geometrischen Strahlteiler auf, der das von der Kollimationsoptik weitgehend parallelisierte Laserlicht in zwei Teilstrahlen aufteilt, wobei einer den ersten Laserstrahl und der andere den zweiten Laserstrahl bildet, die dann durch dieselbe Fokussieroptik in die gegeneinander versetzten Auftreffzonen geführt werden.
Andere Varianten zeichnen sich dadurch aus, dass der zweite Laserstrahl im Bereich zwischen einer Kollimationsoptik und der Fokussieroptik der Strahlformungsoptik eingekoppelt wird und die Strahlformungsoptik im Bereich zwischen der Kollimationsoptik und der Fokussieroptik ein Einkoppelelement, insbesondere einen Umlenkspiegel aufweist, welches den zweiten Laserstrahl in Richtung der Fokussierlinse umlenkt. Es kann eine Einstelleinrichtung zur, vorzugsweise stufenlosen, Einstellung eines Umlenkwinkels vorgesehen sein. Damit kann der Abstand zwischen den Auftreffzonen verändert bzw. eingestellt werden.
Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass eine Verteilung der Laserenergie zwischen dem ersten Laserstrahl und dem zweiten Laserstrahl variabel einstellbar ist bzw. auf ein geeignetes Verhältnis eingestellt wird. Die Einstellung kann vorzugsweise stufenlos erfolgen. Hierdurch ist es möglich, die kombinierte Wirkung des ersten und des zweiten Laserstrahls optimal an die sonstigen Prozessparameter anzupassen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Vorteile und Aspekte der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die nachfolgend anhand der Figuren erläutert sind.

1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Laser-Beschichtungsmaschine zum Beschichten von Werkstücken in Form von Bremsscheiben;
2 zeigt eine schematische Draufsicht auf die rotierende Bremsscheibe während einer Beschichtungsoperation;
3 zeigt eine schematische Ansicht der dem Werkstück zugewandten Austrittsseite des Laserbearbeitungskopfs;
4 zeigt eine schematische Seitenansicht der Strahlführung im Laserbearbeitungskopf und der Entstehung der Beschichtung während einer Beschichtungsoperation;
5 zeigt ein schematisches Temperatur-Zeit-Diagramm mit unterschiedlichen Abkühlkurven;
6A, 6B zeigen Schliffbilder beschichteter Bremsscheiben nach Abschluss eines konventionellen Beschichtungsprozesses (6A) und nach Abschluss eines Beschichtungsprozesses gemäß einem Ausführungsbeispiel (6A).
7 zeigt schematisch Komponenten einer Strahlformungsoptik und Einrichtungen zur stufenlosen Einstellung des Mittenabstands zwischen Auftreffzonen der Laserstrahlen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Die 1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 100 zur Herstellung eines beschichteten Werkstücks durch Aufbringen einer Beschichtung auf wenigstens einer Oberfläche des Werkstücks unter Verwendung von Laserstrahlung. Die Vorrichtung 100 ist als Beschichtungsmaschine zum Beschichten von Werkstücken 110 in Form von Bremsscheiben konfiguriert.
Der Begriff „Beschichtung“ bezeichnet in der Regel etwas Gegenständliches, nämlich eine durch den Akt des Beschichtens (coating) aufgebrachte Funktionsschicht, die eine einzelne oder mehrere übereinanderliegende Lagen aufweisen kann. Der Akt bzw. der Verfahrensschritt des Beschichtens wird gelegentlich ebenfalls als Beschichtung bezeichnet.
Eine Bremsscheibe hat einen zum Beispiel aus Grauguss bestehenden Grundkörper 112 mit einem zentralen Nabenabschnitt, der der Befestigung der Bremsscheibe an einer Fahrzeugachse dient, sowie einen kreisringförmigen Bremsabschnitt 115, der den Nabenabschnitt umschließt. Die Massenverteilung des Grundkörpers ist insgesamt rotationssymmetrisch zur Rotationsachse 114 der Bremsscheibe. Der Bremsabschnitt hat zwei axial gegenüberliegende, zueinander parallele Oberflächen 116, 117. Diese sollen jeweils mit einer in Bezug auf die Rotationsachse rotationssymmetrischen Beschichtung bzw. Funktionsschicht versehen werden, deren freie Oberfläche nach einer nachgeschalteten Schleifbearbeitung schließlich als Reibfläche der Bremsscheibe dienen soll.
Im Beispielsfall sollen die kreisringförmigen Bremsflächen auf beiden Seiten mithilfe einer Modifikation des Hochgeschwindigkeits-Laserauftragsschweißens beschichtet werden.
Die Vorrichtung weist für jede Bremsscheibe eine Werkstückaufnahmeeinrichtung 120 in Form einer Werkstückspindel auf, die mittels eines Spindelantriebs um eine vertikale Spindelrotationsachse 122 rotiert werden kann. Die Drehzahl der Werkstückspindel ist stufenlos einstellbar. Auch die Drehrichtung ist über die Steuerung einstellbar.
Eine Bremsscheibe wird in horizontaler Ausrichtung, d.h. mit vertikal ausgerichteter Rotationsachse („Plattenspieler-Anordnung“) auf der Werkstückspindel aufgenommen und drehfest so eingespannt, dass die Rotationsachse 114 der Bremsscheibe koaxial zur Spindelrotationsachse liegt. Es gibt auch Ausführungsformen, bei denen die Werkstückrotationsache horizontal oder schräg zur Vertikalen orientiert ist.
Die Vorrichtung umfasst einen Laserbearbeitungskopf 200, der eine fokussierende Strahlformungsoptik 210 enthält, die Laserstrahlung von einer Laserquelle empfängt und daraus Laserstrahlung formt, die in mehr oder weniger fokussierter Form auf die Oberfläche 116 des aufgenommenen Werkstücks auftrifft und dieses lokal erwärmt.
Der von der Laserquelle emittierte Laserstahl wird über ein Lichtwellenleiterkabel 211 einem Lichtaustritt 216 zugeführt. Der dort divergent austretende Laserstrahl wird mittels einer Kollimationslinse 212 parallelisiert. Die kollimierte Laserstrahlung durchläuft ein abschnittsweise hülsenförmiges Bauteil 213. Innerhalb dieses Bauteils 213 ist eine Fokussierlinse bzw. eine Fokussieroptik 215 zur Bündelung der Laserstrahlung angeordnet. Die Fokussieroptik kann nach Art eines f-Theta-Objektivs ausgelegt sein. Nach dem Passieren der Fokussieroptik durchläuft die Laserstrahlung u.a. noch einen austrittsseitigen Abschnitt des Bauteils 213. Die gesamte Baugruppe mit Lichtaustritt, Kollimationslinse 212 und Bauteil 213 ist mittels eines Linearantriebs unter Verwendung eines elektrischen Motors linear verlagerbar (Doppelpfeil). Der Laserbearbeitungskopf kann (wie in der schematischen 1) parallel zur Rotationsachse ausgerichtet sein oder um einen einstellbaren Kippwinkel schräg zur Rotationsachse angestellt werden.
Die Vorrichtung 100 umfasst weiterhin Einrichtungen 230 zum Zuführen wenigstens eines pulverförmigen Zusatzwerkstoffs in den Bereich der austretenden Laserstrahlung in der Weise, dass der in Form von Pulverstrahlen 233 zugeführte Zusatzwerkstoff in einer Wechselwirkungszone 222 durch Laserstrahlung erhitzt und/oder wenigstens teilweise geschmolzen werden kann und in diesem Aggregatzustand auf die durch die Laserstrahlung erwärmte Oberfläche 116 trifft. Zu den Einrichtungen gehört ein Pulverförderer 232 zur Förderung von pulverförmigem Zusatzwerkstoff. Im Pulverförderer 232 wird das Pulver mit einem Gas, insbesondere einem Inertgas wie Stickstoff oder Argon, versetzt, um einen Pulvergasstrom zur Förderung des Pulvers zu erzeugen. In einem Verteilerbauteil 234 wird der Pulvergasstrom in mehrere Zuführschläuche 235 verteilt, danach in den austrittsseitigen Abschnitt des Bauteils eingeströmt. Dieser weist eine Vielzahl von Pulverführungskanälen 236 auf, deren Längsachsen auf einer gemeinsamen Kegelmantelfläche liegen, deren Kegelspitze mit der optischen Achse der Strahlformungsoptik 210 zusammenfällt (vgl. 3). Dort treten im Betrieb Pulverstrahlen 233 aus. Alternativ kann auch eine Ringdüse vorgesehen sein, die Pulver von allen Seiten in Richtung des ersten Laserstrahls leitet.
Weiterhin weist der Laserbearbeitungskopf nicht dargestellte Schutzgaszuführeinrichtungen zum Zuführen von Schutzgas in den Bereich der ersten Auftreffzone auf. Das Schutzgas, z.B. Argon, kann z.B. im oberen Bereich in das Gehäuse der Strahlformungsoptik eingeleitet werden und durch die Strahlaustrittsöffnungen für die Laserstrahlen oder eine beiden Laserstrahlen gemeinsame, z.B. langlochförmige Strahlaustrittsöffnung nach unten in Richtung der Entstehung der Beschichtungsspur austreten, um dort eine Schutzgasglocke zu bilden, die den heißen Bereich der Wechselwirkung zwischen den beiden Laserstrahlen und dem Beschichtungsmaterial einschließt und Oxidation des Beschichtungsmaterials unterbindet.
Eine Besonderheit des Laserbearbeitungskopfs besteht darin, dass er so aufgebaut ist, dass ausgehend von der am Lichtaustritt 216 austretenden Laserstrahlung zwei räumlich separate Laserstrahlen erzeugt werden können, die jeweils durch dieselbe Fokussierungsoptik 215 fokussiert werden und auf der Ebene der Werkstückoberfläche in zwei lateral gegeneinander versetzten Auftreffzonen auftreffen. Dazu wird die von derselben Laserquelle kommende Laserstrahlung in einen ersten Laserstrahl 220-1 und einen zweiten Laserstrahl 220-2 aufgeteilt. Der erste Laserstrahl trifft im Bereich einer ersten Auftreffzone 225-1 auf die Werkstückoberfläche 116, während der zweite Laserstrahl 220-2 im Bereich einer zweiten Auftreffzone 225-2 lateral versetzt zur ersten Auftreffzone auf die Oberfläche auftrifft.
Die Pulverzufuhr erfolgt über Pulverstrahlen 233 im Wesentlichen konzentrisch zum ersten Laserstrahl 220-1, so dass der Zusatzwerkstoff zum ersten Laserstrahl derart zugeführt wird, dass der Zusatzwerkstoff in einer Wechselwirkungszone 222 durch die Laserstrahlung des ersten Laserstrahls 220-1 erhitzt und/oder teilweise oder vollständig aufgeschmolzen wird und sich dann im Bereich der ersten Auftreffzone 225-1 mit dem erwärmten Material in der Oberfläche des Werkstücks verbindet. Abweichend von der schematischen Darstellung in 4 befindet sich die Wechselwirkungszone meist mit Abstand (z.B. im Bereich einiger Millimeter) oberhalb der zu beschichtenden Oberfläche.
Die Schutzgaszuführeinrichtungen des Laserbearbeitungskopfes sind derart ausgebildet, dass die erste und die zweite Auftreffzone innerhalb einer gemeinsamen Schutzgasglocke liegen.
Der Laserbearbeitungskopf ist in Bezug auf die Rotationsrichtung des Werkstücks gegenüber diesem so orientiert, dass bei der rotativen Relativbewegung zwischen dem Werkstück und dem Laserbearbeitungskopf die erste Auftreffzone 225-1 in einer Vorschubrichtung (Pfeil 237) mit einer Vorschubgeschwindigkeit entlang einer Vorschubbahn bewegt wird und dahinter eine Spur 228 mit Beschichtungsmaterial auf der Werkstückoberfläche entsteht. Der zweite Laserstrahl 220-2 trifft dagegen in der zweiten Auftreffzone 225-2 auf, die der ersten Auftreffzone 225-1 in Vorschubrichtung gesehen nacheilt, so dass der zweite Laserstrahl 220-2 mit geringem Abstand hinter dem ersten Laserstrahl 220-1 auf die gerade entstehende Beschichtungsmaterialspur trifft.
Die vom zweiten Laserstrahl 220-2 erwärmte zweite Auftreffzone 225-2 entsteht in sehr kurzem Abstand hinter der durch den ersten Laserstrahl erzeugten ersten Auftreffzone 225-1. Typische mittlere Durchmesser der Auftreffzonen können beispielsweise in der Größenordnung von 2 mm bis 5 mm liegen. Ein in Vorschubrichtung gemessener Mittenabstand 226 zwischen den beiden Auftreffzonen ist in der Regel weniger als fünfmal so groß oder weniger als zweimal so groß wie der größere der beiden Durchmesser, also der Maximaldurchmesser, der Auftreffzonen.
Bei typischen Vorschubgeschwindigkeiten entlang der (im Wesentlichen spiralförmig verlaufenden) Relativbewegung zwischen Werkstück und Laserstrahlen trifft die Laserstrahlung des zweiten Laserstrahls 220-2 somit zeitlich unmittelbar nach der Entstehung der Beschichtung im Bereich der ersten Auftreffzone 225-1 auf die noch heiße und gegebenenfalls noch nicht oder nicht vollständig erstarrte Spur aus Beschichtungsmaterial. Bei einer Vorschubgeschwindigkeit in der Größenordnung von 200 m/min entspricht ein Mittenabstand von z.B. 4 mm einen zeitlichen Versatz zwischen dem Auftreffen des ersten und des zweiten Laserstrahls in der Größenordnung von ca. 1,2 Millisekunde (ms).
Die im Bereich der zweiten Auftreffzone 225-2 auf die Beschichtungsmaterialspur auftreffende Laserenergiedichte bzw. Laserfluenz ist dabei so bemessen, dass durch den zweiten Laserstrahl 220-2 kein Beschichtungsmaterial verdampft oder auf andere Weise abgetragen wird. Der Wärmeeintrag führt aber dazu, dass der Erstarrungsvorgang des Beschichtungsmaterials einen anderen zeitlichen Verlauf nimmt als bei konventionellen Beschichtungsverfahren ohne diese Nacherwärmung. Insbesondere führt die unmittelbare Nacherwärmung dazu, dass im Vergleich zu konventionellen Verfahren die Abkühlraten des im Bereich der ersten Auftreffzone 225-1 entstehenden Beschichtungsmaterials deutlich geringer sind als im konventionellen Verfahren.
Zur Veranschaulichung des Einflusses des zweiten Laserstrahls 220-2 auf die Abkühlrate zeigt 5 ein schematisches Temperatur-Zeit-Diagramm, bei dem die Temperatur T des Beschichtungsmaterials in Abhängigkeit von der Zeit t aufgetragen ist. Die Pfeile repräsentieren den ersten Laserstrahl 220-1 bzw. den zweiten Laserstrahl 220-2 und auf der Zeitachse diejenigen Zeitpunkte t₁ und t₂, in denen der erste bzw. der zweite Laserstrahl in ihren entsprechenden Auftreffzonen auf das Beschichtungsmaterial treffen. Der räumliche Abstand der Zentren der Auftreffzonen beträgt hier einige Millimeter, beispielsweise 2 mm bis 4 mm, der zeitliche Abstand Δt liegt im Bereich einer Millisekunde. Im Bereich der ersten Auftreffzone, d.h. dort wo der erste Laserstrahl und die davon aufgeschmolzenen Partikel auf die Werkstückoberfläche treffen, liege die Temperatur T oberhalb der Schmelztemperatur T_s des metallischen Anteils des pulverförmigen Zusatzwerkstoffs.
Die gestrichelte Kurve AK1 zeigt schematisch die Abkühlkurve des Beschichtungsmaterials in der Beschichtungsspur 228 nach Verlassen der ersten Auftreffzone beim konventionellen Verfahren ohne Nachwärmen. Die durchgezogene Linie AK2 repräsentiert im Vergleich dazu schematisch einen angenommenen Verlauf der Abkühlkurve mit Nachwärmen in der zweiten Auftreffzone. Sobald sich die mit Beschichtungsmaterial belegte Oberfläche in den Bereich der zweiten Auftreffzone 225-2 bewegt, wird durch den entsprechenden Wärmeeintrag die Abkühlung verlangsamt, so dass die Abkühlkurve AK2 einen flacheren Verlauf nimmt als die Abkühlkurve AK1 bei einem konventionellen Verfahren. Dies wirkt sich u.a. auf die Erstarrungsgeschwindigkeit des aufgeschmolzenen metallischen Anteils des Beschichtungsmaterials verlangsamend aus, so dass auch ein anderes Gefüge entsteht. Da nach der anfänglichen Phase der Abkühlung das Temperaturniveau noch über einen längeren Zeitraum höher bleibt als bei konventionellen Verfahren, kann auch eine wirkungsvolle Umverteilung von Material durch Diffusionsvorgänge ablaufen. Die Abkühlkurve AK3 repräsentiert eine Prozessführung, bei der die Laserenergiedichten der beiden Laserstrahlen so eingestellt sind, das das Beschichtungsmaterial im Vergleich zum Stand der Technik länger im Temperaturbereich über der Schmelztemperatur bleibt, wodurch eine festere schmelzmetallurgische Verbindung zwischen Beschichtungsmaterial und dem darunterliegenden Material (Grundkörper oder vorher aufgebrachte Beschichtung) entsteht.
Es hat sich gezeigt, dass aufgrund des lasergestützten Nachwärmens das erstarrte Beschichtungsmaterial nach Abkühlung wesentlich weniger Risse und/oder Poren aufweist als Beschichtungsmaterial, welches unter ansonsten gleichen Prozessparametern ohne die unmittelbare Nacherwärmung aufgebracht wurde. Unter anderem konnte in vielen Fällen eine erhebliche Reduzierung der Oberflächenrauheit der fertigen Beschichtung im Vergleich zu konventionell hergestellten Beschichtungen ohne diese Nacherwärmung festgestellt werden. Die 6A und 6B zeigen zur Veranschaulichung zwei Schliffbilder von beschichteten Bremsscheiben, bei denen die aus Grauguss bestehenden Grundkörper 112 jeweils mit einer zweilagigen Beschichtung 240 beschichtet wurden, die eine im Wesentlichen aus Edelstahl bestehende Haftschicht 241 umfasst, auf der eine verschleißfeste Verschleißschicht 242 aufgebracht wurde, die verschleißresistente Karbid-Partikel in einer Edelstahlmatrix aufweist.
6A zeigt das Schliffbild einer konventionell hergestellten Beschichtung. Die freie Oberfläche der Verschleißschicht weist im Beispielsfall eine mittlere Rautiefe R_a (Mittenrauwert) im Bereich von 6 µm bis 10 µm auf. Neben einer gewissen makroskopischen Welligkeit gibt es auch über die Oberfläche verteilt kleine Ausrisse und/oder über die Oberfläche hinausstehende Beschichtungsmaterialreste und/oder Poren.
In 6B ist das Schliffbild einer vergleichbaren Bremsscheibe gezeigt, die nach einem erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahren mit nacheilendem zweitem Laserstrahl erzeugt wurde. Mit dem bloßen Auge ist erkennbar, dass die freie Oberfläche der Verschleißschutzschicht kaum noch die in 5A gut zu erkennende Welligkeit aufweist. Außerdem finden sich fast keine herausstehenden Partikel. Weiterhin sind größere Poren oder Risse nicht erkennbar. Die mittlere Rautiefe R_a bzw. der Mittenrauwert der freien Oberflächen beträgt in diesem Beispielsfall ca. 4 µm bis 6µm, was im Vergleich zur konventionellen Vorgehensweise eine signifikante Reduzierung der Oberflächenrauheit bedeutet.
Die mit laserstrahlungs-unterstütztem Nachwärmen hergestellten Funktionsschichten zeigen auch eine geringere Neigung zu Delamination als herkömmlich hergestellte Beschichtungen. Es ergibt sich also eine verbesserte Schichthaftung zwischen Substrat und Beschichtung.
Für die technische Realisierung des Nachwärmens mithilfe eines nacheilenden zweiten Laserstrahls 220-2 gibt es zahlreiche Möglichkeiten. Anhand von 7 wird ein Beispiel erläutert, mit dem es unter anderem möglich ist, den Mittenabstand 226 zwischen den Auftreffzonen der beiden Laserstrahlen stufenlos zu verändern. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind für gleiche oder ähnliche Komponenten wie bei den anderen Ausführungsbeispielen die gleichen Bezugszeichen verwendet.
7 zeigt schematisch Komponenten einer Strahlformungsoptik 210 mit einer Kollimationslinse 212 und einer mit Abstand dahinter angeordneten Fokussieroptik 215 in Form einer f-Theta-Objektivs, das das letzte optische Element mit Brechkraft vor der Bearbeitungsebene 211 des Laserbearbeitungskopfs darstellt. Die Bearbeitungsebene 211 ist diejenige Ebene, in der die Wirkung der fokussierten Laserstrahlung und der auftreffenden Zusatzwerkstoff-Partikel eintreten soll. Die Werkstückoberfläche 116 wird zur Bearbeitung in oder in der Nähe der Bearbeitungsebene angeordnet. Die Kollimationslinse 212 und die Fokussieroptik 215 definieren die optische Achse 213 dieses Teils der Strahlformungsoptik. Die Laserstrahlung zur Bildung des ersten Laserstrahls 220-1 trifft zentriert zur optischen Achse divergent auf die Kollimationslinse, welche daraus parallelisierte Strahlung erzeugt, die dann von der Fokussierlinse zu einem ersten Laserfokus fokussiert wird, der in der Oberfläche oder in deren Nähe (zum Beispiel kurz oberhalb) angeordnet ist. Dort befindet sich die erste Auftreffzone 225-1.
Zwischen der Kollimationslinse 212 und der Fokussieroptik 215 ist im Bereich der optischen Achse ein verstellbarer Umlenkspiegel 230 angeordnet, der über eine geeignete Einstellrichtung stufenlos um eine senkrecht zur optischen Achse gerichtete Kippachse verkippt werden kann. Der als Einkoppeleinrichtung dienende Umlenkspiegel ist im Beispielsfall so orientiert, dass er den senkrecht zur optischen Achse eingestrahlten zweiten Laserstrahl 220-2 so umlenkt, dass dieser schräg zur optischen Achse in Richtung Fokussieroptik läuft und von dieser im Bereich der zweiten Auftreffzone 225-2 fokussiert wird. Durch Verstellung des Kippwinkels kann der Anstellwinkel W des schrägen Strahlanteils in Bezug auf die optische Achse 213 verstellt werden, wodurch sich auch der Abstand (Mittenabstand) zwischen den Auftreffzonen stufenlos verstellen lässt. Der verstellbare Umlenkspiegel 213 schattet gleichzeitig einen kleinen Anteil der in der Nähe der optischen Achse propagierenden Strahlung ab, so dass bei leichter Defokussierung des ersten Laserstrahls 220-1 in der Auftreffzone die Strahlungsintensität des Laserstrahls im Zentralbereich im Vergleich zu Varianten ohne zentrale Abschattung reduziert ist. Dies kann zur Vergleichmäßigung der örtlichen Verteilung der Laserenergie in der ersten Auftreffzone 225-1 und damit zu einer Verbesserung der Schichtentstehung beitragen.
Bei dieser Variante kann der zweite Laserstrahl 220-1 von einer zweiten Laserquelle stammen, die zusätzlich zu einer ersten Laserquelle vorgesehen ist, die den ersten Laserstrahl 220-1 erzeugt. Es ist jedoch auch möglich, nur eine einzige Laserquelle zu verwenden und einen Anteil von dessen Strahlung durch geeignete Strahlteilung abzuzweigen und dann in der dargestellten Art zwischen Kollimationslinse und Fokussieroptik einzukoppeln.
Eine Aufteilung der auftreffenden Laserstrahlung in zwei Teilstrahlen kann auch mithilfe wenigstens eines diffraktiven optischen Elements (DOE) erreicht werden.
Es ist möglich, den Laserbearbeitungskopf zur Durchführung anderer Verfahrensvarianten eines Beschichtungsprozesses zu nutzen. Dazu kann z.B. die Drehrichtung der Beschichtungseinheit über einen Schalter oder Button an der Bedieneinheit der Beschichtungsmaschine umgekehrt werden. Dann wird das Werkstückmaterial unmittelbar vor Eintritt in den Bereich des ersten Laserstrahls mittels des zweiten Laserstrahls aufgeheizt bzw. angewärmt, wodurch erreicht werden kann, dass das später aufgebrachte Beschichtungsmaterial besser auf dem zu beschichtenden Material haftet als ohne Vorwärmen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10 2011 100 456 A1 [0004]
DE 10 2020 106 822 B4 [0006]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Werkstücks, worin an wenigstens einer Oberfläche des Werkstücks unter Verwendung von Laserstrahlung eine Beschichtung aufgebracht wird, mit folgenden Schritten: - Erzeugen eines auf die Oberfläche gerichteten ersten Laserstrahls, indem von einer Laserquelle emittierte Laserstrahlung durch eine Strahlformungsoptik eines Laserbearbeitungskopfs auf eine erste Auftreffzone auf der Oberfläche geführt wird; - Zuführen wenigstens eines, vorzugsweise pulverförmigen, Zusatzwerkstoffs zum ersten Laserstrahl derart, dass der Zusatzwerkstoff in einer Wechselwirkungszone durch Laserstrahlung des ersten Laserstrahls erhitzt und/oder wenigstens teilweise aufgeschmolzen wird und sich im Bereich der ersten Auftreffzone mit dem erwärmten Material an der Oberfläche verbindet; - Erzeugen einer Relativbewegung zwischen dem Werkstück und dem Laserbearbeitungskopf derart, dass sich die erste Auftreffzone in einer Vorschubrichtung mit einer Vorschubgeschwindigkeit entlang einer Vorschubbahn bewegt und dahinter eine Spur mit Beschichtungsmaterial entsteht, und - Erzeugen wenigstens eines auf die Oberfläche gerichteten zweiten Laserstrahls zur Nachbehandlung des Beschichtungsmaterials, dadurch gekennzeichnet, dass - der wenigstens eine auf die Oberfläche gerichtete zweite Laserstrahl erzeugt wird, indem von einer Laserquelle emittierte Laserstrahlung durch eine Fokussieroptik der Strahlformungsoptik des Laserbearbeitungskopfs auf eine in Vorschubrichtung gegenüber der ersten Auftreffzone nacheilende zweite Auftreffzone geführt wird und auf die Spur mit Beschichtungsmaterial einwirkt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Laserstrahl derart geführt werden, dass ein Mittenabstand zwischen der ersten Auftreffzone und der zweiten Auftreffzone weniger als zehnmal so groß, insbesondere weniger als fünfmal so groß ist wie ein Maximaldurchmesser der ersten oder zweiten Auftreffzone und/oder dass ein Mittenabstand zwischen der ersten Auftreffzone und der zweiten Auftreffzone innerhalb eines Verstellbereichs variabel, insbesondere stufenlos, eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Auftreffzonen erzeugt werden, die Maximaldurchmesser im Bereich von 1 mm bis 10 mm, insbesondere im Bereich von 2 mm bis 5 mm aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schutzgas in den Bereich der Entstehung der Beschichtung geleitet wird und dass die erste Auftreffzone und die zweite Auftreffzone innerhalb derselben Schutzgaswolke liegen, so dass im Zeitintervall zwischen der Entstehung der Beschichtung und der Einwirkung des zweiten Laserstrahls eine Oxidation des heißen Beschichtungsmaterials unterbunden wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch Wärmeeintrag mittels des zweiten Laserstrahls eine Abkühlrate des Beschichtungsmaterials nach Austritt aus der ersten Auftreffzone gegenüber einer Bearbeitung ohne zweiten Laserstrahl verringert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Laserstrahl derart auf das Beschichtungsmaterial der Spur mit Beschichtungsmaterial wirkt, dass im Wesentlichen ohne Materialabtrag eine diffusionsgesteuerte Umverteilung von Beschichtungsmaterial zur Reduzierung einer Oberflächenrauheit und/oder zum Schließen von Rissen und/oder Poren führt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Arbeitsbedingungen so eingestellt werden, dass eine Maximaltemperatur des Beschichtungsmaterials im Bereich der zweiten Auftreffzone durchgehend geringer ist als die Verdampfungstemperatur des Beschichtungsmaterials.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Leistungsdichteverhältnis LV zwischen einer ersten Leistungsdichte L1 im Bereich der ersten Auftreffzone und einer zweiten Leistungsdichte L2 im Bereich der zweiten Auftreffzone einstellbar ist, wobei vorzugsweise das Leistungsdichteverhältnis LV im Bereich von 0,1 bis 10 liegt, insbesondere im Bereich von 0,3 bis 3, wobei vorzugsweise die Bedingung L1 > L2 gilt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung des ersten Laserstrahls und des zweiten Laserstrahls dieselbe Laserquelle genutzt wird, wobei vorzugsweise ein von der Laserquelle kommender Laserstrahl innerhalb der Strahlformungsoptik des Laserbearbeitungskopfs in den ersten und den zweiten Laserstrahl aufgeteilt wird.
Vorrichtung (100) zur Herstellung eines beschichteten Werkstücks durch Aufbringen einer Beschichtung (228) auf wenigstens einer Oberfläche des Werkstücks (110) unter Verwendung von Laserstrahlung umfassend: - eine Werkstückaufnahmeeinrichtung (120) zum Aufnehmen eines zu beschichtenden Werkstücks (110); - einen Laserbearbeitungskopf (200) mit einer Strahlformungsoptik (210) zum Empfangen von Laserstrahlung einer Laserquelle und zum Erzeugen eines auf die Oberfläche des aufgenommenen Werkstücks gerichteten ersten Laserstrahls (220-1) derart, dass der erste Laserstrahl auf eine erste Auftreffzone (225-1) auf der Oberfläche führbar ist, um das Werkstück im Bereich der ersten Auftreffzone zu erwärmen; - Einrichtungen (230) zum Zuführen wenigstens eines, vorzugsweise pulverförmigen, Zusatzwerkstoffs in den Bereich des ersten Laserstrahls (220-1) derart, dass der Zusatzwerkstoff in einer Wechselwirkungszone (222) durch Laserstrahlung des ersten Laserstrahls (220-1) erhitzbar und/oder wenigstens teilweise aufschmelzbar ist und im Bereich der ersten Auftreffzone (225-1) auf die erwärmte Oberfläche trifft; - einem Bewegungssystem zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen dem Laserbearbeitungskopf (200) und dem Werkstück (110) derart, dass sich die erste Auftreffzone (225-1) in einer Vorschubrichtung mit einer Vorschubgeschwindigkeit entlang der Oberfläche bewegt und dahinter eine Spur (228) mit Beschichtungsmaterial entsteht, und - Einrichtungen zum Erzeugen wenigstens eines auf die Oberfläche gerichteten zweiten Laserstrahls (220-2) zur Nachbehandlung des Beschichtungsmaterials, dadurch gekennzeichnet, dass - die Einrichtungen zum Erzeugen des zweiten Laserstrahls (220-2) derart ausgebildet ist, dass der zweite Laserstrahl (220-2) durch eine Fokussieroptik (215) der Strahlformungsoptik (210) des Laserbearbeitungskopfs auf eine in Vorschubrichtung gegenüber der ersten Auftreffzone (225-1) nacheilende zweite Auftreffzone (225-2) führbar ist, um auf die Spur (228) mit Beschichtungsmaterial einzuwirken.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mittenabstand (226) zwischen der ersten Auftreffzone (225-1) und der zweiten Auftreffzone (225-2) weniger als zehnmal so groß, insbesondere weniger als fünfmal so groß ist wie ein Maximaldurchmesser der ersten oder zweiten Auftreffzone und/oder dass ein Mittenabstand (226) zwischen der ersten Auftreffzone (225-1) und der zweiten Auftreffzone (225-2) innerhalb eines Verstellbereichs einstellbar ist, insbesondere stufenlos einstellbar.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung derart konfiguriert ist, dass zur Erzeugung des ersten Laserstrahls (220-1) und des zweiten Laserstrahls (220-2) dieselbe Laserquelle nutzbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlformungsoptik (200) im Bereich zwischen einer Kollimationsoptik (212) und der Fokussieroptik (215) ein optisches Element zur Erzeugung und/oder Führung des zweiten Laserstrahls (220-2) aufweist, wobei vorzugsweise das optische Element ein Strahlteiler, ein diffraktives optisches Element und/oder ein Umlenkspiegel ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserbearbeitungskopf Schutzgaszuführeinrichtungen zum Zuführen von Schutzgas in den Bereich der ersten Auftreffzone aufweist, wobei die Schutzgaszuführeinrichtungen derart ausgebildet ist, dass die erste und die zweiten Auftreffzone innerhalb einer gemeinsamen Schutzgasglocke liegen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Werkstückaufnahmeeinrichtung (120) in Form einer Werkstückspindel aufweist, die mittels eines Spindelantriebs um eine vorzugsweise vertikale Spindelrotationsachse (122) drehbar ist, wobei vorzugsweise die Drehzahl der Werkstückspindel und/oder die Drehrichtung der Werkstückspindel über die Steuereinrichtung einstellbar.
Beschichtetes Werkstück mit wenigstens einer Oberfläche, auf der unter Verwendung von Laserstrahlung eine Beschichtung aufgebracht ist, insbesondere beschichtete Bremsscheibe, dadurch gekennzeichnet, dass es durch Anwendung des Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 und/oder unter Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15 erhältlich oder hergestellt ist.