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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Laseroberflächenbearbeiten
einer zylinderförmigen Bohrung
eines Bauteils, insbesondere eines Aluminium-Zylinderkurbelgehäuses einer
Brennkraftmaschine, mit einer Pulverzuführung, einem einen Laserstrahl
abgebenden Laser und einer den Laserstrahl in die Bohrung führenden
Umlenkoptik, wobei die Umlenkoptik um eine Umlenkoptiklängsachse
als Drehachse drehbar bzgl. der Bohrung ausgebildet ist, gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum
Laseroberflächenbearbeiten
einer zylinderförmigen
Bohrung eines Bauteils, insbesondere eines Aluminium-Zylinderkurbelgehäuses einer
Brennkraftmaschine, wobei mittels einer um eine Drehachse rotierenden
Umlenkoptik ein Laserstrahl in die Bohrung eingeführt wird und
mittels einer Pulverzuführung
Legierungspulver an einen Bearbeitungsort transportiert wird, gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 9.
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Die
für Zylinderkurbelgehäuse vorwiegend eingesetzten
untereutektischen Aluminium-Silizium-Legierungen
sind aufgrund des zu geringen Anteils der verschleißfesten
Siliziumphase für
die tribologische Beanspruchung des Systems Kolben-Kolbenring-Zylinderlaufbahn
ungeeignet. Übereutektische
Legierungen, z.B. die Legierung AlSil7Cu4Mg, besitzen einen ausreichenden Anteil
an Siliziumkristalliten. Dieser harte, verschleißbeständige Gefügebestandteil wird durch chemische
und/oder mechanische Bearbeitungsstufen gegenüber der aus dem Aluminiummischkristall
bestehenden Matrix hervorgehoben und bildet einen erforderlichen
Tragflächenanteil.
Nachteilig wirkt sich jedoch die gegenüber den untereutektischen und
naheutektischen Legierungen mangelhafte Vergießbarkeit, die schlechte Bearbeitbarkeit
und die hohen Kosten für
diese Legierung aus.
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Eine
Möglichkeit
zur Umgehung dieses Nachteils ist das Eingießen von Laufbuchsen aus verschleißbeständigem Material
wie z.B. Grauguß. Problematisch
ist hier jedoch die Verbindung zwischen Buchse und Umguß, welcher
alleine durch eine mechanische Verzahnung gewährleistet wird. Durch Einsatz
eines porösen
keramischen Buchsenwerkstoffs ist es möglich, beim Gießprozeß diesen
zu infiltrieren und zu einer stofflichen Verbindung zu gelangen.
Dazu ist eine langsame Formfüllung
sowie die Anwendung von hohem Druck erforderlich, was die Wirtschaftlichkeit
des Verfahrens erheblich herabsetzt.
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Alternativ
werden unter- und naheutektischen Legierungen als galvanische Beschichtungen direkt
auf die Laufbahnen aufgebracht. Dies ist jedoch teuer und tribochemisch
nur ungenügend
beständig.
Eine weitere Alternative bilden thermische Spritzschichten, welche
ebenfalls direkt auf die Laufflächen
appliziert werden. Die Haftfestigkeit dieser Schichten ist jedoch
aufgrund einer alleinigen mikromechanischen Verklammerung nur ungenügend.
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Es
wurde daher bereits vorgeschlagen, die Oberflächenmodifikationen Umschmelzen,
Einlegieren, Dispergieren und Beschichten durch den Einsatz eines
Lasers auszuführen,
wie beispielsweise aus der
DE
196 43 029 A1 oder der
EP 0 950 461 A2 bekannt. Hierbei wird ein
zu bearbeitender Hohlkörper, welcher
zylinderförmig
mit einer rotationssymmetrischen Zylinderachse ausgebildet ist,
ortsfest gehalten und eine Umlenkoptik für den Laserstrahl sowie eine
Zuführung
für Legierungspulver
rotiert und gleichzeitig entlang der Zylinderachse vorgeschoben.
Der auf die Oberfläche
des zu bearbeitenden Körpers
fallende Laserstrahl erzeugt an der Zylinderwand im Bereich einer
Kolbenlauffläche
ein Schmelzbad, in welches hier vorzugsweise Silizium oder andere
Hartstoffe eingebracht werden, um eine verschleißfeste, tribologisch geeignete
Lauffläche
zu erhalten.
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Es
stellt sich bei derartigen Anlagen mit rotierender Pulverzuführung häufig als
problematisch heraus, das Legierungspulver gleichmäßig an einen
Bearbeitungsort, an dem der Laserstrahl auf die Innenfläche der
Bohrung trifft, zu fördern.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung
und ein Verfahren der obengenannten Art zur Verfügung zu stellen, die auf einfache
und kostengünstige
Weise eine gleichmäßige Pulververteilung
und Pulverausbringung sicherstellen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine
Vorrichtung der o.g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten
Merkmalen und durch ein Verfahren der o.g. Art mit den in Anspruch
9 gekennzeichneten Merkmalen gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Dazu
ist es bei einer Vorrichtung der o.g. Art erfindungsgemäß vorgesehen,
dass an einem aus der Bohrung herausragenden Ende der rotierenden Umlenkoptik
ein mit der Umlenkoptik rotierender Pulverbehälter sowie wenigstens eine
bzgl. der Bohrung stationäre
Pulverdosieranlage angeordnet ist, welche wenigstens zwei separate
in den Pulverbehälter
geführte
Pulverleitungen aufweist.
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Dies
hat den Vorteil, daß eine
gleichmäßige und
pulsationsfreie Pulverzuführung
mit gleichbleibend konstantem Volumenstrom bei gleichzeitig einfachem
Aufbau zur Verfügung
steht. Auch bei rotierendem Lasersystem ergeben sich keine Druckschwankungen
beim Pulveraustrag.
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Eine
gute Vermischung von zwei oder mehr Zusatzstoffen zu gewünschten
prozentualen Anteilen wird dadurch sichergestellt, dass ein Boden
des Pulverbehälters
bzgl. einer Senkrechten zur Drehachse einen vorbestimmten Winkel
aufweist und an einer in Schwerkraftrichtung tiefsten Stelle in
ein Pulveraustragsrohr mündet,
welches eine Pulveraustragsöffnung
aufweist, welche zum Ausbringen von Pulver in den Laserstrahl in
Richtung einer vom Laserstrahl bearbeiteten Stelle einer Innenfläche der
Bohrung benachbart zum Laserstrahl angeordnet ist.
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Zum
Anpassen an unterschiedliche Pulverarten und Betriebsbedingungen
sind jeweilige, den Boden bildende Einlegeteile für den Pulverbehälter vorgesehen,
welche unterschiedliche Winkel α ausbilden.
Beispielsweise sind diese Einlegeteile jeweils im Pulverbehälter verstiftet
oder es ist eine zentrierende Verbindung zwischen Pulverbehälter und
Einlegeteil vorgesehen.
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Zum
Einleiten bzw. Fördern
des Pulvers in den Pulverbehälter
sowie durch das Pulveraustragsrohr umfaßt die Dosieranlage einen Fördergasstrom.
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Zweckmäßigerweise
ist zwischen Pulverdosieranlage und Pulverleitungen ein Pulververteiler angeordnet.
Bevorzugt umgibt der Pulverbehälter
die Umlenkoptik in einem vorbestimmten Abschnitt mantelförmig.
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Ferner
ist es bei einem Verfahren der o.g. Art erfindungsgemäß vorgesehen,
dass das Pulver an einem aus der Bohrung herausragenden Ende der Umlenkoptik
an wenigstens zwei separaten Stellen zugeführt, koaxial zur Drehachse
in Rotation versetzt und entlang der Umlenkoptik zum Bearbeitungsort geleitet
wird.
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Dies
hat den Vorteil, dass eine gleichmäßige und pulsationsfreie Pulverzuführung mit
gleichbleibend konstantem Volumenstrom bei gleichzeitig einfachem
Aufbau zur Verfügung
steht. Ferner ist eine Vermischung von zwei oder mehreren Zusatzstoffen zu
den gewünschten
prozentualen Anteilen sichergestellt. Auch bei rotierendem Lasersystem
ergeben sich keine Druckschwankungen beim Pulveraustrag.
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Zum
Sicherstellen einer ausreichenden Durchmischung und konstantem Volumenstrom
wird das Pulver einem an der Umlenkoptik angeordneten Pulverbehälter derart
zugeführt,
daß ein
Füllgradwinkel
einen maximalen Winkel αmax nicht überschreitet.
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Weitere
Merkmale, Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung
ergeben sich aus den abhängigen
Ansprüchen,
sowie aus der nachstehenden Beschreibung der Erfindung anhand der
beigefügten
Zeichnungen. Diese zeigen in
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1 eine
bevorzugte Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
in schematischer Schnittansicht,
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2 in
Aufsicht,
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3 ein
Einlegeteil für
einen Pulverbehälter
der Vorrichtung gemäß 1 in
Aufsicht und
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4 in
Seitenansicht.
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Die 1 und 2 veranschaulichen
eine in einer zylinderförmigen
Bohrung 10 angeordnete Umlenkoptik 12, welche
einen Laserstrahl 14 in die Bohrung 10 führt und
mittels eines Umlenkspiegels 16 auf eine Innenfläche 18 der
Bohrung 10 richtet. Mit 20 ist eine Umlenkoptiklängsachse
der Umlenkoptik 12 bezeichnet, wobei diese Längsachse 20 mit
einer Zylinderlängsachse
der Bohrung 10 fluchtet. Sowohl die Bohrung 10 als
auch ein wesentlicher Abschnitt der Umlenkoptik 12 sind
rotationssymmetrisch um die Längsachse 20 ausgebildet.
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Der
von einem nicht dargestellten, stationären Laser ausgehende Laserstrahl 14 wird
von einem stationären
Spiegel 21 in die Umlenkoptik 12 hinein abgelenkt
und nach Reflexion am Umlenkspiegel 16 trifft der Laserstrahl 14 auf
die Innenfläche 18 der Bohrung 10,
wobei die Anordnung derart getroffen ist, da sich ein Laserfokus 24 möglichst
genau auf der Innenfläche 18 der
Bohrung 10 befindet.
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Mittels
der in 1 und 2 dargestellten Anordnung erfolgt
eine Oberflächenbehandlung
der Innenfläche 18 der
Bohrung 10 derart, dass der Laserstrahl 14 einen
Abschnitt der Innenfläche 18 aufschmilzt,
so daß ein
Schmelzbad entsteht, und diesem Schmelzbad ein entsprechendes Legierungspulver
zugeführt
wird. Eine entsprechende Vorrichtung zum Zuführen von Legierungspulver 22 transportiert
ggf. unter Zuhilfenahme eines Schutzgasstromes das Legierungspulver 22 zu
einem Bearbeitungsort am Laserfokus 24. Je nach Intensität der Laserstrahles 14 wird
nur eine Oberfläche
der Innenfläche 18 aufgeschmolzen
(Auftragsschweißen)
oder eine vorbestimmte Eindringtiefe des Laserstrahles 14 in
die Innenfläche 18 erzielt,
so dass das Schmelzbad über
eine vorbestimmte Strecke in die Innenfläche 18 hineinreicht
(Auflegieren).
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Die
Bohrung 10 ist beispielsweise in einem ansonsten nicht
näher dargestellten
Aluminium-Zylinderkurbelgehäuse
ausgebildet, wobei mittels der Laserbehandlung (Laser-Pasmabeschichtung)
an der Zylinderwand 18 eine tribologisch geeignete Kolbenlauffläche mit
entsprechend bzgl. reinem Aluminium höherer mechanischer Festigkeit
hergestellt wird. Dabei wird beispielsweise eine Kolbenlauffläche mit Eintrag
von Siliziumpulver hergestellt. Um eine entsprechende Fläche als
Kolbenlauffläche
herzustellen, muß der
Laserstrahl 14 eine entsprechende Fläche an der Innenfläche 18 der
Bohrung 10 überstreichen.
Hierzu wird die Umlenkoptik 12 entsprechend gedreht, so
daß der
Laserstrahl 14 sukzessive andere Abschnitte der Innenfläche 18 der
Bohrung 10 überstreicht.
Zusätzlich
zu der Drehung erfolgt ein entsprechender Vorschub der Umlenkoptik 12 in
die Bohrung 10 hinein.
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Die
Vorrichtung zum Zuführen
von Legierungspulver 22 umfaßt eine Zuleitung 26 von
einer nicht dargestellten Dosieranlage zu einem Pulververteiler 28,
von dem aus mehrere Pulverleitungen 30 zu einem Pulverbehälter 32 führen. Der
Pulverbehälter 32 ist
mit der rotierenden Umlenkoptik 12 verbunden, so dass der
Pulverbehälter 32 mit
der Umlenkoptik 12 zusammen um die Drehachse 20 rotiert.
Aus den z.B. vier Pulverleitungen 30 tritt das Legierungspulver 22 an
verschiedenen Stellen in den Pulverbehälter 32 aus. Wie insbesondere
aus 2 ersichtlich, sind die Austrittsstellen der Pulverleitungen 30 innerhalb
des sich drehenden Pulverbehälters 32 an
den Ecken eines Rechteckes angeordnet. Die Pulverleitungen 30 sind
bezüglich
der Bohrung 10 stationär
sind, wobei das aus den Pulverleitungen 30 in den sich
drehenden Behälter 32 fallende
Pulver 22 entsprechend koaxial um die Drehachse 20 beschleunigt
wird.
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Der
Pulverbehälter 32 weist
einen Boden 34 auf, welcher bezüglich einer Senkrechten 36 zur Drehachse 20 einen
vorbestimmten Winkel α 38 einschließt. Der
Boden 34 und der Pulverbehälter 32 bilden eine Öffnung 40 aus,
an der ein Pulveraustragsrohr 42 mit einer Pulveraustragsöffnung 44 angeordnet
ist. Aus der Pulveraustragsöffnung 44 tritt
das Legierungspulver 22 benachbart zum Laserstrahl 14 in Richtung
des Behandlungsortes am Laserfokus 24 aus. Der Transport
des Legierungspulvers 22 durch die Zuführung 26, den Pulververteiler 28,
die Pulverleitungen 30 und das Pulveraustragsrohr 42 erfolgt ggf.
mittels eines Schutzgasstromes. Wie insbesondere anschaulich aus 2 ersichtlich,
nähert
sich die Öffnung 40 bei
der Rotation des Pulverbehälters 32 sukzessive
den Öffnungen
der Pulverleitungen 30 und entfernt sich wieder von diesen.
Durch die um die Drehachse herum gleichmäßige Anordnung der Enden der
Pulverleitungen 30 ist jedoch die Öffnung 40 nie besonders
weit von wenigstens einem Ende einer der Pulverleitungen 30 entfernt,
so daß sich
durch die Bewegung der Öffnung 40 bzgl.
der Enden der Pulverleitungen 30 keine Pulsationen bei
der Förderung und
dem Austrag des Pulvers mittels des Rohres 42 ergibt.
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Der
Pulverbehälter 32 ist
in einem oberen Abschnitt der Umlenkoptik 12 mantelförmig um
diese herum angeordnet. Die Dosierung der Pulverzuführung über die
Pulverleitungen 30 erfolgt derart, daß ein maximaler Füllgradwinkel αmax 46 nicht überschritten
wird. Durch die Rotation des Pulverbehälters 32 und damit
des in diesen eingeleiteten Legierungspulvers 22 erfolgt
einerseits eine gute Durchmischung von ggf. verschiedenen Komponenten
des Legierungspulvers 22 sowie andererseits ein pulsfreier Austrag
durch das Pulveraustragsrohr 42 und die Pulveraustragsöffnung 44 an
dem Behandlungsort am Laserfokus 24, trotz rotierenden
Umlenkoptik 12 bzw. trotz Rotation des Pulveraustragsrohres 42.
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Dies
gewährleistet
eine gleichmäßige Pulververteilung
sowie Pulverausbringung, wobei gleichzeitig eine Vermischung von
zwei oder mehreren Zusatzstoffen zu gewünschten prozentuellen Anteilen
sichergestellt ist. Zudem tritt das Pulver an der Pulveraustragsöffnung 44 in
gewünschten
Anteilen ohne Druckschwankungen (Pulsationen) auch bei rotierendem
Lasersystem 12 kontinuierlich, pulsationsfrei und mit gleichbleibendem,
konstantem Volumenstrom aus.
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Gegebenenfalls
sind mehrere Dosieranlagen und mehr als vier Pulverleitungen 30 vorgesehen, was
anschaulich mehrere Zusatzstoffe zuläßt und zu einer weiteren Reduktion
von Pulsationen an der Pulveraustragsöffnung 44 führt.
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Bedingt
durch die Rotation (Fliehkraft) des mit dem Winkel α 38 konisch
angeformten Pulverbehälters 32 und
nur einer Pulveraustrittsöffnung 40, wird
eine gleichmäßige Vermischung
und ein gleichmäßiger Abfluß gewährleistet.
Durch das stationär angeordnete
Verteilersystem und den vier oder mehr Verbindungen 30 zum
rotierenden Pulverbehälter 32 werden
Pulsationen des Pulverförderstroms
eliminiert, wodurch ein gleichmäßiger Volumenaustrag ohne
Verstopfungsgefahr sichergestellt ist.
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Die
Winkel α 38 und αmax 46 sind
auf das Fördervolumen
der Dosieranlage sowie auf das zu fördernde Medium, deren Zusammensetzung,
der Pulvergröße und dem
Pulvergewicht (Partikelgewicht) abzustimmen. Hierbei sind der Winkel α 38 bzw.
der Winkel αmax 46 Funktionen folgender Parameter:
Fördervolumen
der Dosieranlage, Größe des Pulvers, Verhältnis Pulver-/Partikelgewicht,
Drehzahl des Pulverbehälters 32,
Querschnitt der Austrittsöffnung 44, Böschungswinkel
des jeweiligen Pulvers bzw. der Zusammensetzung. Beim Einsatz unterschiedlicher Pulver 22,
die unterschiedliche Winkel α 38 funktionell
benötigen,
wird die Notwendigkeit verschiedener Pulverbehälter mit verschieden schräg angeordneten Böden 34 dadurch
vermieden, daß zusätzliche
Einlegeteile 48, wie aus 3 und 4 ersichtlich,
vorgesehen sind. Diese Einlegeteile 48 sind derart ausgebildet,
daß sie
einen jeweiligen Winkel α 38 einstellen.
Damit diese Einlegeteile 48 positioniert sind, wird eine
zentrierende Verbindung zwischen dem Pulverbehälter 32 und dem Einlegeteil 48 eingesetzt.
Verschiedene Einlegeteile 48 bilden dabei verschiedene Winkel α 38 aus.
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- 10
- Bohrung
- 12
- Umlenkoptik
- 14
- Laserstrahl
- 16
- Umlenkspiegel
- 18
- Innenfläche
- 20
- Umlenkoptiklängsachse
- 21
- stationärer Spiegel
- 22
- Legierungspulver
- 24
- Laserfokus
- 26
- Zuführung
- 28
- Pulververteiler
- 30
- Pulverleitungen
- 32
- Pulverbehälter
- 34
- Boden
- 36
- Senkrechten
zur Drehachse
- 38
- Winkel α
- 40
- Öffnung
- 42
- Pulveraustragsrohr
- 44
- Pulveraustragsöffnung
- 46
- Winkel αmax
- 48
- Einlegeteil