DE19909390C1 - Bearbeitungskopf und Verfahren zur Oberflächenbearbeitung von Werkstücken mittels Laserstrahl - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft 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 ein Dispergieren einer Randzone des Grundmaterials mit Pulverpartikeln durchgeführt werden kann. Mit der Erfindung soll es dabei möglich werden, den zugeführten Pulvermassenstrom auch richtungsabhängig nahezu konstant zu halten, wobei ein gleichförmiger Pulver-Hohlstrahl ausgebildet werden soll. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß in einem Gehäuse des Bearbeitungskopfes eine Verwirbelungskammer ausgebildet ist, in die ein Pulver-Gasstrom zumindest über eine Einströmöffnung eingeführt und der Pulver-Gasstrom durch einen konischen Ringspalt, als koaxialer Hohlstrahl, wie auch der durch das Gehäuse geführte Laserstrahl auf eine Werkstückoberfläche gerichtet ist und zwischen der Verwirbelungskammer und dem Ringspalt parallel zur Längsachse des Laserstrahls ausgerichtete Beruhigungskanäle in radialsymmetrischer Anordnung vorhanden sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Bearbeitungskopf sowie ein Verfahren zur Oberflächenbearbeitung von Werk­ stücken mittels Laserstrahl, bei dem unter Verwendung eines zugeführten pulverförmigen Zusatzwerkstoffes, eine Beschichtung, eine Auflegierung im oberflächen­ nahen Bereich oder ein Dispergieren einer Randzone des Grundmaterials mit Pulverpartikeln durchgeführt werden kann, so daß die Geometrie und/oder die Ober­ flächeneigenschaften eines Werkstückes gezielt beein­ flußt werden können. Die Erfindung ist dabei insbe­ sondere für Anwendungen geeignet, bei denen zwischen dem verwendeten Laserstrahl und dem Werkstück eine Relativbewegung durchgeführt wird und diese Relativ­ bewegung häufig wechselnde Richtungen aufweist. Die erfindungsgemäße Lösung kann zum Beschichten, Regene­ rieren von Werkzeugen und Bauteilen, wie z. B. für die Gießereitechnik, der Metallformung, der Schneidtech­ nik sowie im Motoren- und Turbinenbau Verwendung fin­ den. Außerdem ist sie für die unter die Oberbegriffe "Rapid Prototyping" und Rapid Tooling" fallenden Be­ arbeitungsverfahren geeignet.

Von E. Beyer und K. Wissenbach ist in "Oberflächenbe­ handlung mit Laserstrahlung"; Springer-Verlag; 1998, Seiten 300 und 301 auf Möglichkeiten zur pneumati­ schen Förderung von Pulvern und u. a. auch auf soge­ nannte koaxiale Düsen hingewiesen worden, wobei ein Laserstrahl durch eine solche zum Teil hohle Düse auf ein Werkstück zu dessen Oberflächenerwärmung gerich­ tet und ein Pulver-Gasstrom durch eine solche Düse als sich konisch verjüngender Hohlstrahl ebenfalls auf die Oberfläche eines Werkstückes gerichtet werden kann.

Daneben ist aus US 4,724,299 ein entsprechender Be­ arbeitungskopf bekannt, der ein zweigeteiltes Gehäuse aufweist. Die beiden Teile dieses Gehäuses können teleskopförmig in bezug zueinander verschoben werden, um eine Möglichkeit zu schaffen, die Fokuslage eines Pulverstrahls auf die Fokuslage des Laserstrahls ab­ zustimmen, so daß dieser Pulverstrahl bereits vor dem Auftreffen auf der Oberfläche eines Werkstückes er­ wärmt wird. Dabei müssen sowohl der Pulverstrahl, wie auch der Laserstrahl gemeinsam durch eine düsenför­ mige Öffnung. Hierfür ist jedoch ein entsprechender Durchmesser einer solchen düsenförmigen Öffnung er­ forderlich und dementsprechend wird ein zylinderför­ miger Pulverstrahl mit entsprechender Größe auf die Oberfläche eines Werkstückes gerichtet, so daß das Pulver im Überschuß zugeführt wird und entsprechend hohe Pulververluste zu verzeichnen sind.

In US 5,418,350 ist eine Pulverzuführung in Verbin­ dung mit einem Laserbearbeitungskopf beschrieben, bei dem eine Düse verwendet wird, über die Pulver durch mindestens einen konischen Ringspalt auf die Oberflä­ che eines Substrates geführt und dort mittels eines Laserstrahles aufgeschmolzen wird.

Bei dieser Lösung wird das Pulver mit einem Gasstrom über Pulvereinlässe eingeführt und es gelangt über in einer Lochscheibe ausgebildete Bohrungen in eine relativ großformatige Kammer. In der Kammer treten Verwirbelungen auf, die insbesondere bei Pulvern, deren Einzelbestandteile unterschiedliche Dichten aufweisen, zur Entmischung führen können. Aus dieser Kammer gelangt das Pulver unmittelbar in einen koni­ schen Ringspalt, durch dessen Querschnittsver­ ringerung eine Erhöhung der Fördergeschwindigkeit auftritt, die sich ungünstig auf die Pulverausnutzung und den Schichtbildungsvorgang auswirkt. Infolge der Verwirbelung in der Kammer können wechselnde Druck­ verhältnisse und demzufolge auch wechselnde Förderge­ schwindigkeiten auftreten, so daß sich die geförderte Pulverrate zeitlich ändern kann, wobei sich dies ins­ besondere beim Aufbringen von Schichten oder der Aus­ bildung von gewünschten Konturen auf solchen Werk­ stücken negativ auswirkt.

An der dort beschriebenen Vorrichtung ist außenseitig ein Kühlsystem angesetzt, mit dem jedoch nicht unbe­ dingt die besonders kritischen Bereiche ausreichend gekühlt werden können und außerdem zwischen Kühlmit­ tel und Innerem, die vollständige Wandung des Gehäu­ seteiles liegt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit zu schaffen, mit der eine Oberflächenbearbeitung mittels Laserstrahlen durchgeführt werden kann, bei der ein Pulver zugeführt wird, wobei der zugeführte Pulver­ massenstrom auch richtungsunabhängig nahezu konstant und der Pulver-Hohlstrahl gleichförmig gehalten wer­ den kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungs­ formen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich mit den in den untergeordneten Ansprüchen enthaltenen Merkmalen.

Ein erfindungsgemäßer Bearbeitungskopf kann relativ zu einer Werkstückoberfläche in mindestens zwei Achs­ richtungen eine Relativbewegung in bezug zum Werk­ stück durchführen, wobei einmal ein solcher Bearbei­ tungskopf allein, das Werkstück allein oder Bearbei­ tungskopf und Werkstück gemeinsam entsprechend bewegt werden können, so daß eine schnelle und lokal geziel­ te Oberflächenbearbeitung durch legen von Spuren, auch mit häufigem Richtungswechsel, möglich ist.

Der Bearbeitungskopf ist dabei so aufgebaut, daß durch ihn ein Laserstrahl, einen einstellbaren Strahlfleck auf der Oberfläche eines Werkstückes aus­ bildend, geführt werden kann. Hierfür ist ein Gehäuse entsprechend ausgebildet, so daß ein Hohlraum, par­ allel zur Längsachse des Laserstrahls vorhanden ist, durch den der Laserstrahl entsprechend fokussiert auf die Werkstückoberfläche gerichtet werden kann.

Innerhalb des Gehäuses ist eine Verwirbelungskammer um den Hohlraum, durch den der Laserstrahl geführt wird, rotationssymmetrisch ausgebildet, in den ein Pulver-Gasstrom durch mindestens eine Einström­ öffnung, bevorzugt im oberen Teil der Verwirbelungs­ kammer, eingeführt wird. In der Verwirbelungskammer erfolgt eine gleichmäßige Verteilung des Pulvers in Form einer sich koaxial zum Laserstrahl ausbildende Pulverwolke sowie eine intensive Vermischung des Pul­ vers. Die Verwirbelungskammer mündet in ihrem unteren Bereich, bevorzugt über einen sich konisch verjüngen­ den Einlauftrichter in mehrere parallel zur Längsach­ se des Laserstrahls angeordnete Beruhigungskanäle, die radialsymmetrisch und in gleichem Abstand, über den Umfang verteilt, angeordnet sind. Die Beruhi­ gungskanäle münden dann in einen sich konisch in Richtung auf die Oberfläche des Werkstoffes verjün­ genden Ringspalt, in dem keinerlei Stege oder andere Verwirbelungselemente enthalten sind. Das Pulver tritt dann aus dem Ringspalt, als sich ebenfalls ko­ nisch verjüngender Pulver-Hohlstrahl aus, wobei der Fokuspunkt dieses konisch verjüngenden Pulver-Hohl­ strahls außerhalb des Gehäuses und demzufolge auch außerhalb des Bearbeitungskopfes liegt. Günstigerwei­ se wird der Ringspalt so ausgebildet und weist ent­ sprechende Neigungswinkel auf, daß er unter Berück­ sichtigung des Abstandes zur Oberfläche des Werk­ stückes einen sich konisch verjüngenden Pulver-Hohl­ strahl ausbildet, dessen Fokuspunkt unmittelbar auf der Werkstückoberfläche liegt.

Die Größe des Fokuspunktes des Pulver-Hohlstrahls sollte dabei, zumindest annähernd der Größe des Strahlfleckes des Laserstrahls auf der Oberfläche des Werkstückes entsprechen, so daß eine optimale Pulver­ ausnutzung erreicht werden kann.

Mit den zwischen der Verwirbelungskammer und dem Ringspalt angeordneten Beruhigungskanälen, insbeson­ dere durch deren parallele Ausrichtung zur Längsachse des Laserstrahls und auch deren Form und Abmessungen kann eine gleichmäßige Pulverförderung mit sehr klei­ nen Pulvermassenstromschwankungen unterhalb 5% er­ reicht werden, so daß bei einer entsprechenden Ober­ flächenbearbeitung eines Werkstückes im wesentlichen auf zusätzliche Maßnahmen, wie z. B. eine Steuerung der Laserleistung verzichtet werden kann und trotzdem ein gezielter Schichtaufbau bzw. eine gezielte Beein­ flussung von Oberflächenbereichen durch Legieren bzw. Dispergieren an einem Werkstück erreicht werden kön­ nen.

Die Beruhigungskanäle sollten eine Länge von minde­ stens 10 mm aufweisen, um den gewünschten Effekt zu erreichen.

Vorteilhafterweise können an der Verwirbelungskammer auch zwei Einströmöffnungen vorhanden sein, die be­ vorzugt, an sich radial gegenüberliegenden Seiten der Verwirbelungskammer angeordnet sind. Hierdurch ist es auch möglich, Pulver verschiedener Zusammensetzung zu verwenden, die dann in der Verwirbelungskammer homo­ gen vermischt und dann als homogene Mischung über die Beruhigungskanäle und den Ringspalt auf die Oberflä­ che gerichtet werden kann.

Die Beruhigungskanäle werden günstigerweise so dimen­ sioniert, daß die Summe ihrer freien Querschnitte zumindest nicht kleiner als der freie Querschnitt der einen bzw. mehrerer Einströmöffnungen ist. Dies führt dazu, daß in der Verwirbelungskammer, den Beruhi­ gungskanälen und im Ringspalt nahezu konstante Druck­ verhältnisse und Strömungsgeschwindigkeiten erreicht werden können, die, wie bereits erwähnt, zu einer gleichmäßigen Förderung des Pulvers führen.

Vorteilhaft ist es außerdem, wenn das Gehäuse aus zwei Teilen gebildet ist, die entlang der Längsachse des Laserstrahls relativ, wie bei einem Teleskop, zu­ einander verschoben werden können. Dabei bilden die beiden Teile auch den Ringspalt, durch entsprechend konisch sich verjüngend ausgebildete Wandungen aus. Erfolgt nun eine entsprechende Relativbewegung der beiden Teile des Gehäuses, kann die lichte Weite des Ringspaltes variiert werden, wobei der Konuswinkel beibehalten wird. Durch diese Variation der lichten Weite des Ringspaltes kann Einfluß auf den momentanen geförderten Pulverstrom und den Durchmesser und die Querschnittsfläche des Pulverstrahls auf der Werk­ stückoberfläche genommen werden. Dabei kann eine re­ lativ kleine Zeitkonstante erreicht werden, die we­ sentlich kleiner ist, als dies bei einer Steuerung des in die Verwirbelungskammer eingeführten Pulver- Gasstromes der Fall ist.

Die beiden Teile eines solchen Gehäuses können mit­ tels herkömmlicher Gewinde verbunden sein, wobei bei entsprechend kleiner Steigung eines solchen Gewindes eine sehr genaue Einstellbarkeit der lichten Weite des Ringspaltes möglich ist. Am einfachsten kann eine eingestellte Position der beiden Teile eines Gehäuses mittels herkömmlicher Kontermutter festgestellt wer­ den.

Es besteht aber auch die Möglichkeit, einen zusätzli­ chen Drehantrieb vorzusehen, mit dem eine Einstellung der lichten Weite des Ringspaltes auch während der Bearbeitung möglich ist. Diese Einstellung kann sich günstig auswirken, wenn eine Bewegung in nahezu ent­ gegengesetzter Richtung, also an solchen Umkehrpunk­ ten, durchgeführt wird oder es kann die Pulverförde­ rung sehr schnell unterbrochen werden, wenn Totwege, d. h. Bereiche einer Werkstückoberfläche überschritten werden, die unbeeinflußt bleiben sollen, zurückgelegt werden.

Anstelle eines solchen Drehantriebes kann auch ein entsprechend geeigneter Linearantrieb verwendet wer­ den, mit dem diese Relativbewegung der beiden Teile des Gehäuses durchgeführt werden kann.

In einfachster Form kann hierfür auch ein Elektroma­ gnet verwendet werden, der jedoch bevorzugt dann ein­ gesetzt werden soll, wenn lediglich eine Öffnungs- und eine Schließbewegung des Ringspaltes erforderlich ist.

Wird der Ringspalt mit einer der obengenannten Varianten geschlossen oder der Pulverstrom auf die Oberfläche des Werkstückes, z. B. durch Verschließen des Laserbearbeitungskopfes an seiner zur Werkstück­ oberfläche weisenden Seite gesperrt, ist es günstig, gleichzeitig die Pulverzufuhr zu sperren. Hierzu kann ein vor der/den Einströmöffnung(en) angeordnetes Ven­ til geschlossen werden. Günstiger ist es jedoch, an die Verwirbelungskammer einen Pulver-Gas-Auslaßkanal anzuschließen, der bei normalem Betrieb mit einem Ventil verschlossen ist. Wird aber der Ringspalt ge­ schlossen, sollte nahezu gleichzeitig dieses Ventil geöffnet werden, um einen Druckanstieg und eine er­ höhte Pulveransammlung in der Verwirbelungskammer zu vermeiden. Der Pulver-Gas-Auslaßkanal ist vorteilhaft mit dem Pulvervorratsbehälter verbunden, aus dem das Pulver im Regelfall in die Verwirbelungskammer ge­ langt und so Pulververluste vermieden werden können.

Günstigerweise sollte das Gehäuse zumindest überwie­ gend aus einem Material mit guter Wärmeleitung beste­ hen, so daß auch ein Langzeitbetrieb eines erfin­ dungsgemäßen Bearbeitungskopfes möglich ist. Das Ge­ häuse kann beispielsweise aus Kupfer und/oder einer Kupfer-Legierung, wie Messing bestehen. Dabei können die beiden Teile eines Gehäuses ohne weiteres aus unterschiedlichen Materialien bestehen, wobei jedoch deren Wärmeausdehnungskoeffizienten beachtet werden sollten.

Vorteilhaft ist es außerdem, wenn das Gehäuse bzw. die beiden Teile eines solchen Gehäuses mit einer verschleißfesten Beschichtung versehen ist/sind, wie dies beispielsweise bei Nickel oder Nickel-Legierun­ gen der Fall ist. Eine solche Beschichtung kann wei­ ter den Vorteil haben, daß sie eine höhere Reflexion für die Laserstrahlung aufweist und zusätzlich even­ tuelle Spritztropfen schlechter anhaften.

Der unerwünschten Erwärmung eines erfindungsgemäßen Bearbeitungskopfes, die sicher bei einem Langzeitbe­ trieb, bei der Bearbeitung größerer bzw. komplex ge­ formter Werkstücke auftritt, ist im Gehäuse ein Küh­ lung integriert. Hierfür sind Ringkanäle, als Kühlka­ näle ausgebildet, durch die z. B. entsprechend tempe­ riertes Wasser im Kreislauf und vorteilhaft außerhalb des Bearbeitungskopfes über einen Wärmetauscher ge­ führt wird.

Durch Integration der Kühlkanäle und deren Anordnung in besonders kritischen Bereichen, also auch in der Nähe des Ringspaltes, kann eine gute Wärmeabführung erreicht werden, so daß eine verringerte Erwärmung zu verzeichnen ist.

Am Teil des Gehäuses, der in Richtung auf die Ober­ fläche des Werkstückes weist, kann eine zusätzliche Schutzschicht ausgebildet oder eine entsprechende Schutzscheibe angeordnet sein. Auch hierbei sollten die Reflexionseigenschaften und die Oberflächeneigen­ schaften bei Spritzern Beachtung finden.

Vorteilhaft kann es außerdem sein, wenn die besonders beanspruchten Teile eines erfindungsgemäßen Bearbei­ tungskopfes austauschbar sind. Dies ist z. B. eine entsprechende Düsenspitze, die hohl gebohrt und durch die der Laserstrahl auf die Oberfläche des Werkstüc­ kes gerichtet ist. Dabei kann die äußere Mantelfläche einer solchen Düsenspitze die Innenwandung des Ring­ spaltes bilden.

Entsprechend kann auch eine, bevorzugt konisch ausge­ bildete Außendüse verwendet werden, wobei ein Konus sowohl an der Außenseite dieser Außendüse, wie auch an der inneren Mantelfläche ausgebildet ist. Die in­ nere Mantelfläche dieser Außendüse bildet dann die äußere Wandung des Ringspaltes. Da bekanntermaßen an den Wandungen des Ringspaltes durch die Pulverbewe­ gung und die dort sicher höheren Temperaturen ein erhöhter Verschleiß zu erwarten ist, können diese Teile relativ einfach und schnell bei Bedarf ausge­ tauscht werden.

Mit der Erfindung können sowohl Einzelspur-, wie auch Flächenbeschichtungen, wie dies insbesondere auch bei Freiformflächen der Fall ist, als Verschleiß- und Korrosionsschutz ausgebildet werden. Außerdem sind Reparaturbeschichtungen, wie sie beispielsweise bei Umformwerkzeugen infolge von Bruch oder Verschleiß erforderlich sind, durchgeführt werden. Es können aber auch einfache und formkomplizierte Körper gene­ riert werden, wobei dichte Körper mit hoher mechani­ scher und thermischer Belastbarkeit erhalten werden können. Dies ist beispielsweise bei Verfahren des Rapid-Prototyping und Rapid Tooling der Fall. Mit der Erfindung kann ein Einschicht-, aber auch ein mehr­ schichtiger Strukturaufbau mit mehreren hundert ver­ tikal auch horizontal überlappenden Einzelspuren durchgeführt werden. Da solche Verfahren ununterbro­ chene Strahleingriffzeiten erforderlich machen, die einen Zeitaufwand von mehreren Stunden erfordern, wirkt sich die Ausbildung mit der entsprechenden Werkstoffauswahl und der integrierten Kühlung beson­ ders günstig aus.

Durch die hohe Präzision, mit der die Pulverzuführung erreicht werden kann, kann eine hohe geometrische Genauigkeit der einzelnen Spuren (Breite, Höhe, To­ leranzen entlang der Spur) eingehalten werden, die zu einer hohen Formtreue und kleinen Toleranzen bei Be­ schichtungen an Konturen führt. Außerdem können form­ getreue Hohl- und Volumenkörper mit entsprechend ho­ her Maßhaltigkeit erhalten werden.

Außerdem kann auch die Materialzusammensetzung in einem so hergestellten Körper oder einer entsprechen­ den Beschichtung relativ einfach und gezielt einge­ stellt werden. Hierfür können verschiedene Pulver oder Pulvermischungen mit unterschiedlichen Mischungsverhältnissen ohne weiteres zur Verfügung gestellt werden. So kann beispielsweise über einen bestimmten Zeitraum lediglich ein Pulver der Verwir­ belungskammer zugeführt werden und für die Beeinflus­ sung bestimmter lokaler Bereiche eines Werkstückes kann zeitweise, beispielsweise zumindest ein zweites Pulver in die Verwirbelungskammer eingeführt werden.

Da die Pulverzufuhr koaxial zum Laserstrahl erfolgt, spielen Richtungsänderungen bei der Relativbewegung Bearbeitungskopf-Werkstück keine Rolle. In gleicher Weise wirkt sich auch die homogene Pulververteilung über den Querschnitt des Pulver-Hohlstrahls aus.

Bei verschiedenen Verfahren kann es erforderlich sein, durch Bewegung des Bearbeitungskopfes in ver­ tikaler Richtung, den Abstand zwischen Bearbeitungs­ kopf und Werkstückoberfläche konstant zu halten, so daß der Fokuspunkt des Pulver-Hohlstrahls und auch die Größe des Laserstrahlfleckes auf der Oberfläche des Werkstückes konstant gehalten werden kann. Dabei kann der Bearbeitungskopf beispielsweise mit einem hierfür geeigneten Manipulator, wie z. B. einem Indu­ strieroboter, bevorzugt einem Gelenkarmroboter ver­ bunden sein. Ein Industrieroboter ermöglicht dabei eine Bewegung des Bearbeitungskopfes in den drei zu­ mindest erforderlichen Freiheitsgraden.

Mit den zwischen der Verwirbelungskammer und dem Ringspalt angeordneten Beruhigungskanälen wird er­ reicht, daß das Pulver nach der Zwangsführung in den Beruhigungskanälen beruhigt bleibt und mit definier­ ter Strömungsrichtung und -geschwindigkeit in den sich konisch verjüngenden Ringspalt, dessen lichte Weite günstigerweise auch einstellbar ist, eintreten kann. Mit dem Ringspalt kann ein kegelförmiger Pul­ ver-Hohlstrahl mit einem minimalen Durchmesser bis zu 1 mm geformt werden. Der Ringspalt bildet dann das Ende des Strömungskanals, so daß der Pulverstrom durch keine weiteren Düsenelemente beeinträchtigt wird. Der Fokuspunkt des Pulver-Hohlstrahls liegt dabei generell außerhalb des Bearbeitungskopfes und dadurch kann der kleinste Querschnitt dieses Pulver- Hohlstrahls unmittelbar genutzt werden. Durch die Gestaltung des Ringspaltes zwischen der Düsenspitze und einer Außendüse kann eine Verteilung sämtlicher Pulverteilchen in einem Kernstrahl in konzentrierter Form erreicht und Pulverstreuungen am Düsenausgang weitestgehend vermieden werden. Daraus ergibt sich eine hohe Ausnutzung des zugeführten Pulvers und die Prozeßstabilität kann erhöht werden, da unkontrol­ liert gestreutes Pulver weitestgehend vermieden wird.

Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft beschrie­ ben werden.

Dabei zeigen:

Fig. 1 eine Schnittdarstellung eines Beispiels eines erfindungsgemäßen Bearbeitungskopfes und

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie A-A, des in Fig. 1 gezeigten Beispiels.

Bei dem in der Fig. 1 gezeigten Beispiel eines er­ findungsgemäßen Bearbeitungskopfes, wird ein aus zwei Teilen 4 und 5 gebildetes Gehäuse verwendet, die mit einem Gewinde 9 miteinander verbunden sind, wobei eine Feststellmöglichkeit in einer bestimmten Stel­ lung durch eine zusätzliche Kontermutter 10 gegeben ist. Mit dem Gewinde 9 können die beiden Teile 4 und 5 des Gehäuses relativ zueinander verschoben werden, so daß eine teleskopförmige Verschiebung parallel zur Längsachse eines Laserstrahls 7 erreicht werden kann.

Der Laserstrahl 7 kann unter Verwendung einer hier nicht dargestellten Strahlführungs- und gegebenen­ falls auch einer Strahlformungseinheit durch das Ge­ häuseteil 4 auf die Oberfläche eines schematisch an­ gedeuteten Werkstückes gerichtet werden. Dabei wird die Fokussierung des Laserstrahls 7 so eingestellt, daß eine bestimmte Strahlfleckgröße auf der Oberflä­ che des Werkstückes erreicht werden kann, die in etwa mit der Größe eines Fokuspunktes eines Pulver-Hohl­ strahls übereinstimmt. Dabei kann, wie in Fig. 1 erkennbar, der Fokus des Laserstrahls 7 auch inner­ halb des Gehäuses des Bearbeitungskopfes angeordnet sein.

In nicht dargestellter Form kann zusätzlich zum La­ serstrahl 7 durch das Gehäuseteil 4 auch ein inertes Gas auf die Oberfläche des Werkstückes gerichtet wer­ den, was zum einen eine verbesserte Kühlung ermög­ licht und zum anderen von der Oberfläche aufspritzen­ de Tröpfchen am Eindringen in das Gehäuse hindern kann.

Sowohl das Teil 4, wie auch das Teil 5 des Gehäuses, sind bei diesem Beispiel rotationssymmetrisch um die Längsachse des Laserstrahls 7 ausgebildet. Zwischen Teil 4 und Teil 5 des Gehäuses ist eine das Teil 4 des Gehäuses umgebende Verwirbelungskammer 1 ausge­ bildet, in die sich radial gegenüberliegende Ein­ strömöffnungen 11 im oberen Bereich der Verwirbe­ lungskammer 1 einmünden. Durch die Einströmöffnungen 11 kann jeweils ein Pulver-Gasstrom in die Verwirbe­ lungskammer 1 geführt werden, wobei im Inneren der Verwirbelungskammer 1 eine Vermischung, der gegebe­ nenfalls verschiedenen Pulverkomponenten erfolgen kann. Die Verwirbelungskammer 1 ist in ihrem unteren Teil sich konisch verjüngend ausgebildet, wobei ein Neigungswinkel des Konus gewählt werden sollte, der ein Anhaften von Pulverpartikeln an der Innenwandung vermeidet.

Bei diesem Beispiel mündet die Verwirbelungskammer 1 in einen Einlauftrichter 8, an dem wiederum Ein­ trittsöffnungen für Beruhigungskanäle 2 vorhanden sind. Die Beruhigungskanäle 2 sind, wie in Fig. 1 erkennbar, parallel zur Längsachse des Laserstrahls 7 ausgerichtet und wie insbesondere in Fig. 2 erkenn­ bar, radialsymmetrisch über den Umfang mit konstantem Abstand voneinander angeordnet. Das Pulver mit dem Trägergas gelangt dann durch die zylindrischen Beru­ higungskanäle 2 in einen sich in Richtung auf die Oberfläche des Werkstückes konisch verjüngenden Ring­ spalt 14. Der Konuswinkel des Ringspaltes 14 sollte dabei so gewählt werden, daß der aus dem Ringspalt 14 austretende koaxiale Pulver-Hohlstrahl mit kleinem Durchmesser, bevorzugt in dessen Fokuspunkt, auf die Oberfläche des Werkstückes trifft.

Am Gehäuseteil 4 ist eine austauschbare Düsenspitze 6 vorhanden, die hier mit einem Gewinde mit dem Gehäu­ seteil 4 verbunden ist. Dabei bildet zumindest ein Teil der äußeren Mantelfläche der Düsenspitze 6 die innere Wandung des Ringspaltes 14.

Am Gehäuseteil 5 ist an dessen zur Oberfläche des Werkstücks weisenden Seite eine konisch ausgebildete Außendüse 3 vorhanden bzw. ausgebildet. Auch diese Außendüse 3 kann austauschbar gestaltet sein. Die innere Mantelfläche der Außendüse 3 bildet dann die äußere Wandung des Ringspaltes 14. Mit dieser Kon­ struktion kann die lichte Weite des Ringspaltes 14 durch entsprechende Drehung der beiden Gehäuseteile 4 und 5 variiert werden, wobei eine entsprechend des jeweiligen Drehwinkels mehr oder weniger große Rela­ tivbewegung der Gehäuseteile 4 und 5 in bezug zur Längsachse des Laserstrahls 7 erreicht werden kann.

Am Teil 5 des Gehäuses und außerdem am Teil 4 sind ein oder mehrere miteinander verbundene Kühlkanäle 12, 12' und 13 ausgebildet, durch die ein Kühlmittel, bevorzugt Wasser, insbesondere in den kritischen Teil des Bearbeitungskopfes gelangen kann. Der ringförmige Kühlkanal 13 kann insbesondere das innere Teil 4 mit Düsenspitze 6 kühlen. Der Kühlkanal 12' beeinflußt insbesondere den Bereich der Außendüse 3. Mit dieser integrierten Kühlung kann auch die bei einer Lang­ zeitbearbeitung kritische Erwärmung ohne weiteres beherrscht werden.

Mit einem solchen erfindungsgemäßen Bearbeitungskopf können z. B. verschlissene Werkzeuge wieder einsatz­ fähig gemacht werden. Dabei können geschädigte Werk­ zeugbereiche, auch Freiformflächen mit komplexer Geo­ metrie, wieder hergestellt werden. Der Werkstoffauf­ trag auf solche Oberflächenbereiche erfordert aber höchste Präzision, die mit dem erfindungsgemäßen Be­ arbeitungskopf erreicht werden kann.

Bei einem verschlissenen Schmiedegesenk-Werkzeug kann in einem ersten Arbeitsschritt die verschlissene Ist- Kontur der Gesenkgravur mittels eines Digitalisie­ rungssystems erfaßt und die Differenz zur bekannten Soll-Kontur ermittelt werden. Nachfolgend werden das ermittelte Differenzvolumen in eine Vielzahl horizon­ taler Ebenen zerlegt und mittels eines Postprocessors das NC-Programm zur Steuerung von Laser, Bearbei­ tungsmaschine mit Laserbearbeitungskopf und Pulver­ förderung generiert sowie die Strategie für den Werk­ stoffauftrag festlegt.

In einem weiteren Arbeitsschritt erfolgt dann die eigentliche Reparaturschweißung. Hierfür ist es er­ forderlich, den Werkstoff entsprechend, der vorab berechneten horizontalen Ebenen mit höchster Präzi­ sion aufzuschweißen und so das fehlende Werkstoffvo­ lumen Schicht für Schicht wieder aufzubauen.

Dabei kann durch Defokussierung des Laserstrahls 7 (Z-Position der Fokussieroptik in bezug zur Werk­ stückoberfläche) ein Strahlfleck von etwa 2 mm Durchmesser auf der Werkstückoberfläche eingestellt werden. Im Anschluß daran wird der Bearbeitungskopf und hier insbesondere die Position des Ringspaltes 14 in bezug zur Oberfläche des Werkstückes so einge­ stellt, daß der Fokuspunkt des Hohlpulverstrahls auf der Werkstückoberfläche liegt, so daß eine sehr gute Richtungsunabhängigkeit auch bei schnellen Bewegungen und Richtungsänderungen und eine hohe Pulverausnut­ zung erreicht werden können.

So kann bei einem solchen Schmiedegesenk-Werkzeug eine Auftragschweißung mit einem Pulver, z. B. Stellit 21, mit einer Förderrate von 8 g/min eingesetzt wer­ den. Um die ebenen und gleichmäßigen Auftragsraupen zu erzielen, kann eine Laserleistung von 900 W und eine Vorschubgeschwindigkeit von 600 mm/min, unter Verwendung eines CO₂-Lasers, eingestellt werden. Un­ ter diesen Bedingungen betragen die Breite einer Ein­ zelraupe 1,6 mm und es ist ein Höhenzuwachs von Lage zu Lage in einer Ebene von 0,3 mm erreichbar.

Der erfindungsgemäße Bearbeitungskopf ermöglicht ei­ ne, wie bereits erwähnt, homogene Pulververteilung koaxial zum Laserstrahl 7 und es kann ein gleichmäßi­ ger Werkstoffauftrag realisiert werden, der auch nach hunderten von Einzelraupen fehlerfrei ist. Es treten keine Schichtüberhöhungen an schroffen Geometrieüber­ gängen auf. Auch unter Verzicht von zerspanenden Zwi­ schenbearbeitungen kann eine sehr gute Konturgenau­ igkeit erreicht werden. Das neugebildete Gefüge ist fehlerfrei, vollständig dicht und die einzelnen Lagen in den verschiedenen übereinander ausgebildeten Ebe­ nen sind fest miteinander verbunden. Durch die kon­ struktive Gestaltung des Bearbeitungskopfes, mit der erreichbaren intensiven Kühlung, können ununterbro­ chene Bearbeitungszeiten von mehreren Stunden, in stabiler Form, ohne weiteres realisiert werden.

Claims (24)

1. Bearbeitungskopf zur Oberflächenbearbeitung mit­ tels Laserstrahl, der ein Gehäuse, in dem eine Verwirbelungskammer ausgebildet ist, in die ein Pulver-Gasstrom über mindestens eine Ein­ strömöffnung eingeführt und der Pulver-Gasstrom durch einen konischen Ringspalt, als koaxialer Hohlstrahl, der, wie auch der durch das Gehäuse geführte Laserstrahl, auf eine Werkstückoberflä­ che gerichtet ist, aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Verwirbelungskammer (1) und Ring­ spalt (14) parallel zur Längsachse des Laser­ strahls (7) zylindrische Beruhigungskanäle (2) in radialsymmetrischer Anordnung angeordnet sind.

2. Bearbeitungskopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verwirbelungs­ kammer (1) über einen Einlauftrichter (8) in die Beruhigungskanäle (2) mündet.

3. Bearbeitungskopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrischen Beruhigungskanäle (2) eine Länge von mindestens 10 mm aufweisen und über den Umfang des Einlauf­ trichters (8) in gleichmäßigen Abständen ver­ teilt sind.

4. Bearbeitungskopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Einströmöff­ nungen (11), sich radial gegenüberliegend, an der Verwirbelungskammer (1) vorhanden sind.

5. Bearbeitungskopf nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Summe der freien Querschnittsflächen der Beruhigungskanäle (2) gleich groß oder größer als die freie Quer­ schnittsfläche der Einströmöffnung(en) (11) ist.

6. Bearbeitungskopf nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Konuswinkel des Ringspaltes (14) sichert, daß der Fokuspunkt des sich konisch verjüngenden Pulver-Hohlstrahls außerhalb des Bearbeitungskopfes liegt.

7. Bearbeitungskopf nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Bearbeitungskopf so angeordnet oder geführt ist, daß der Fokus­ punkt des koaxialen Pulver-Hohlstrahls auf der Oberfläche des Werkstückes liegt.

8. Bearbeitungskopf nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse zwei­ geteilt ist; und die beiden Teile (4, 5) des Gehäuses relativ zueinander verschiebbar sind, wobei die beiden Teile (4, 5) des Gehäuses einen Ringspalt (14) variabler lichter Weite bilden.

9. Bearbeitungskopf nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Teile (4, 5) des Gehäuses mit einem Gewinde verbunden sind.

10. Bearbeitungskopf nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Teile (4, 5) des Gehäuses mit einem Linear- oder Drehan­ trieb relativ zueinander verschiebbar sind.

11. Bearbeitungskopf nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Teile (4, 5) des Gehäuses mittels Elektromagneten tele­ skopförmig verschiebbar sind.

12. Bearbeitungskopf nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse überwiegend aus einem Material guter Wärmeleit­ fähigkeit besteht.

13. Bearbeitungskopf nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse aus Kup­ fer und/oder einer Kupfer-Legierung besteht.

14. Bearbeitungskopf nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse mit Nickel oder einer Nickel-Legierung beschichtet ist.

15. Bearbeitungskopf nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß im Gehäuse Kühl­ kanäle (12, 13) ausgebildet sind.

16. Bearbeitungskopf nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß an der zur Ober­ fläche des Werkstückes weisenden Seite des Be­ arbeitungskopfes eine Schutzschicht ausgebildet oder eine Schutzscheibe angeordnet ist.

17. Bearbeitungskopf nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß an einem Teil (4) des Gehäuses, durch das der Laserstrahl (7) gerichtet ist, eine austauschbare Düsenspitze (6), deren äußere Mantelfläche die Innenwandung des Ringspaltes (14) bildet, befestigt ist.

18. Bearbeitungskopf nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere Teil (5) des Gehäuses in Richtung auf das Werkstück in einer konischen Außendüse (3) endet, deren innere Mantelfläche die äußere Wandung des Ring­ spaltes (14) bildet.

19. Bearbeitungskopf nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß im inneren Teil (4) des Gehäuses zur Kühlung ein umlaufender Ringkanal (13) ausgebildet ist.

20. Bearbeitungskopf nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß an der Verwirbe­ lungskammer (1) ein mit einem Ventil verschließ­ barer Pulver-Gas-Auslaßkanal angeschlossen ist.

21. Verfahren zur Oberflächenbearbeitung mittels Laserstrahl, mit einem Bearbeitungskopf nach einem der Ansprüche 1 bis 20, bei dem

• - ein Laserstrahl (7) durch ein Gehäuse auf die Oberfläche eines Werkstückes gerichtet,
• - in eine im Gehäuse ausgebildete Verwirbe­ lungskammer (1) ein Pulver-Gasstrom einge­ führt und durch Verwirbelung vermischt und homogen in Bezug zur Längsachse des Laser­ strahls (7) verteilt wird und durch einen konischen Ringspalt (14) so geführt wird, daß der Fokuspunkt des sich konisch verjün­ genden Pulver-Hohlstrahls außerhalb des Bearbeitungskopfes liegt,

dadurch gekennzeichnet, daß

• - das vermischte Pulver parallel zur Längs­ achse des Laserstrahls (7) über zylindri­ sche Beruhigungskanäle (2) in den konischen Ringspalt (14) gelangt.

22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der auf die Oberflä­ che des Werkstückes gerichtete Pulver-Volumen­ strom durch Variation der lichten Weite des Ringspaltes (14) gesteuert wird.

23. Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, daß die lichte Weite des Ringspaltes (14) durch Relativbewegung zweier Teile (4, 5) des Gehäuses variiert wird.

24. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des Fokus­ punktes des sich konisch verjüngenden Pulver- Hohlstrahls entsprechend der Größe des Strahl­ fleckes des Laserstrahls (7) auf der Oberfläche des Werkstückes eingestellt wird.