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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten eines Substrats mit Hilfe eines Lasers nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
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Aus dem allgemeinen Stand der Technik ist es bekannt, dass ein Substrat mit Hilfe eines Lasers beschichtet werden kann, wobei durch den vom Laser erzeugten Laserstrahl das Substrat entlang einer Spur aufgeschmolzen wird. Ein pulverförmiger Zusatzwerkstoff wird zu dem Substrat im Bereich der aufgeschmolzenen Spur gefördert und verschmilzt zumindest teilweise mit dem aufgeschmolzenen Bereich des Substrats zur Erzeugung der gewünschten Beschichtung. Derartige Beschichtungen können beispielsweise im Bereich der Beschichtung von Ventilsitzen in Zylinderköpfen eingesetzt werden. Dabei kann eine Beschichtung mit einem kupfer- und/oder nickelhaltigen Pulver auf Aluminium oder einer Aluminiumlegierung als Substrat erfolgen. Als Beispiel kann hierzu die deutsche Offenlegungsschrift
DE 102 18 563 A1 genannt werden.
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Bei derartigen Laserbeschichtungsverfahren mit einem bestimmten zu erreichenden Auftragsvolumen ist es nun insbesondere am Anfang und am Ende der Beschichtung so, dass das Schmelzbad des aufgeschmolzenen Substrats typischerweise nicht optimal an den jeweiligen Pulvermassenstrom angepasst ist. Hierdurch entsteht die Gefahr von Quer- und/oder Längsrissen in der Beschichtung bzw. im Anbindungsbereich zu dem Substratwerkstoff.
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Dabei gibt es verschiedene Ursachen für derartige Fehlstellen in einer Beschichtung. Im Wesentlichen lassen sich zwei hauptsächliche Ursachen ausmachen. Zum einen ist bei einer zu geringen Laserleistung und damit einem ungenügend großen Schmelzbad bezogen auf einen bestimmten Pulvermassenstrom die Anbindung der Beschichtung an das Substrat ungenügend. Zum anderen kann bei zu viel Laserleistung das erzeugte Schmelzbad des aufgeschmolzenen Substrats zu groß werden, was je nach Art des Werkstoffs, welcher zur Beschichtung eingesetzt wird, infolge einer chemischen Aufmischung der Beschichtung mit dem Substratwerkstoff zu spröden intermetallischen Phasen führen kann. Das Verhältnis zwischen Laserleistung und Pulvermassenstrom muss daher zur Vermeidung von Quer- und/oder Längsrissen genau aufeinander abgestimmt werden.
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In diesem Zusammenhang ergeben sich jedoch bei den herkömmlichen Beschichtungsverfahren diverse Probleme. Zum einen variiert die Zeit zwischen dem Start des Pulvermassenstroms und dem Zeitpunkt, an dem das Pulver auf dem Substrat auftrifft, und zum anderen baut sich der Pulvermassenstrom in Abhängigkeit des jeweils eingesetzten Fördersystems für das Pulver typischerweise nur mit Schwankungen gegenüber einem optimalen beispielsweise linearen Anstieg zu dem konstanten und homogenen Pulvermassenstrom, welcher über den größten Teil der Lauflänge der Spur benötigt wird, auf. Ferner ist die Ausdehnung und die Temperaturverteilung des auf dem Substrat erzeugten Schmelzbads nicht nur von der Laserleistung und dem Durchmesser des Laserstrahls abhängig, sondern insbesondere auch von der Wärmeleitfähigkeit des jeweiligen Substrats, der Geometrie des Substrats und selbstverständlich der Prozessgeschwindigkeit. So kann beispielsweise die Wärme in der zur Prozessrichtung entgegengesetzten Richtung durch den Vorwärmeffekt der bereits beschichteten Bereiche aufgestaut sein. Entsprechend weicht die Ausdehnung des Schmelzbads insbesondere in dieser Richtung von den Abmessungen des Laserstrahls ab. Da es aber letztendlich das Schmelzbad ist, welches optimal an den Pulvermassenstrom angepasst werden muss, sind beim Einstellen der für die Kombination aus Substrat und Pulvermassenstrom optimalen Parameter des Lasers diese sehr komplexen Wechselwirkungen zu berücksichtigen.
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Dies ist insbesondere bei sich verändernden Prozessparametern am Beschichtungsanfang und am Beschichtungsende nur sehr schwer zu realisieren. Eine optimale Anpassung gelingt in der Praxis daher sehr selten, auch wenn dies häufig versucht wird, wie beispielsweise in der
DE 10 2006 001 688 B4 beschrieben. In der Realität gibt es immer lokal eine leichte Abweichung zwischen der optimalen Laserleistung bezogen auf den jeweiligen Pulvermassenstrom. Bei herkömmlichen Beschichtungsverfahren sind daher Quer- und/oder Längsrisse, insbesondere bei sehr harten und damit spröden Werkstoffen, am Beschichtungsanfang und am Beschichtungsende nahezu unvermeidlich.
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Um dieser Problematik entgegenzuwirken schlägt die
JP 2010-201430 A vor, im Bereich des Beschichtungsanfangs den Pulvermassenstrom und die Laserleistung entlang einer vorgegebenen Funktion zu variieren. Auch dieses Verfahren ist ähnlich wie das in der zuvor genannten Schrift beschriebene Verfahren vergleichsweise sensitiv gegenüber Fehlanpassungen und führt bei variierenden Randbedingungen sehr schnell zu unbefriedigenden Ergebnissen mit Quer- und/oder Längsrissen im Bereich des Anfangs und des Endes der beschichteten Spur.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Verfahren bereitzustellen, welches weniger sensitiv auf etwaige Fehlanpassungen zwischen der optimalen Laserleistung und dem jeweiligen Pulvermassenstrom reagiert und hierdurch eine bessere Qualität der Beschichtung ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie bevorzugte Verwendungen des Verfahrens ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es vorgesehen, dass in Abhängigkeit des Substratwerkstoffs und des Werkstoffs des Pulvers, also des Beschichtungswerkstoffs, eine maximal zu erwartende lokale Verschiebung zwischen der Funktion der Laserleistung und der Funktion des Pulvermassenstroms mit Bezug zur Spurstrecke bestimmt wird. Danach wird eine Sollsteigung der Funktion des Pulvermassenstroms berechnet, und zwar so, dass bei der maximal zu erwartenden lokalen Verschiebung das relative Verhältnis zwischen dem Pulvermassenstrom und der Laserleistung über einen Bereich von mindestens 70% der Variation des Pulvermassenstroms größer als 0,4 ist. Eine solche Größe des relativen Verhältnisses zwischen dem Pulvermassenstrom und der Laserleistung über den größten Teil des Spuranfangs bzw. des Spurendes würde eine sehr gute Anbindung des Beschichtungswerkstoffs an das Substrat garantieren. Entsprechend wird auf Basis dieser berechneten Sollsteigung die Variation des Pulvermassenstroms und/oder der Laserleistung entsprechend hierzu mit einer Steigung vorgegeben, welche zumindest zu Beginn und/oder zum Ende der Variation der berechneten Sollsteigung entspricht. Das Entsprechen zumindest zum Beginn der Variation ist dabei für den Spuranfang sinnvoll, das Entsprechen der Steigung zur Sollsteigung am Ende der Variation dementsprechend für das Spurende. Der Beginn bzw. das Auslaufen der Spur wird also entsprechend der berechneten Steigung so beschichtet, dass über den größten Teil des Spuranfangs bzw. des Spurendes das relative Verhältnis zwischen dem Pulvermassenstrom und der Laserleistung größer als 0,4 ist. Hierdurch ergibt sich eine sehr gute Anbindung. Quer- und/oder Längsrisse werden weitgehend vermieden. Unter dem relativen Verhältnis im Sinne des hier beschriebenen Verfahrens ist dabei das Verhältnis der jeweiligen Einzelgröße bezogen auf ihren Maximalwert zu verstehen, wobei diese relativen auf den jeweiligen Maximalwert bezogenen Werte dann ins Verhältnis zueinander gesetzt werden.
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In einer besonders günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Berechnung der Sollsteigung dabei so, dass das Verhältnis über einen Bereich von mindestens 80% der Variation des Pulvermassenstroms größer als 0,5 ist. Durch diese weitere Verschärfung der Berechnungsvorschrift ergeben sich in der Umsetzung des Verfahrens nochmals weitere Verbesserungen.
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In einer besonders günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann dabei nicht nur die Variation des Pulvermassenstroms oder der Laserleistung, sondern insbesondere die Variation des Pulvermassenstroms und der Laserleistung in der beschriebenen Art und Weise erfolgen, um so weitere Unsicherheiten zu eliminieren.
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Die Funktion des Pulvermassenstroms und auch die Funktion der Laserleistung sind dabei im Prinzip beliebig. Besonders einfach und effizient lässt sich das Verfahren bei der Verwendung einer linearen Funktion, also einer Rampe, durchführen. Im Prinzip sind jedoch auch andersartige Funktionen, beispielsweise ein exponentieller Anstieg der Laserleistung und/oder des Pulvermassenstroms möglich.
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Die für das erfindungsgemäße Verfahren nutzbare maximale lokale Verschiebung lässt sich auf verschiedene Arten erfassen. Gemäß einer besonders günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Ermittlung dadurch, dass der Maximalweg des Abstandes zwischen der Funktion des Pulvermassenstroms und der Funktion der Laserleistung ermittelt wird, welcher dann unmittelbar der Maximal zu erwartenden Verschiebung entspricht. Außerdem ist es möglich, die Verschiebung durch Messung eines Zeitintervalls, welches das Pulver von einem Pulverfördersystem zum Ort des aufgeschmolzenen Substrats benötigt zu ermitteln, wobei die Standardabweichung dieses Zeitintervalls bestimmt und in Abhängigkeit einer Prozessgeschwindigkeit in eine Wegstrecke umgerechnet wird. Die Wegstrecke entspricht dann der maximalen zu erwartenden Verschiebung. Ergänzend oder alternativ dazu kann die maximale zu erwartende Verschiebung durch Einstellen einer Soll-Pulverfunktion an dem Pulverfördersystem bestimmt werden, wonach am Ort des aufgeschmolzenen Substrats oder in Richtung des Pulvermassenstroms kurz davor die Ist-Funktion des Pulvermassenstroms gemessen wird, wobei eine ermittelte maximale Soll-Ist-Abweichung der maximal zu erwartenden Verschiebung entspricht. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Schmelzbadgröße zu bestimmen und deren maximale Abweichung vom Durchmesser des Laserstrahls, insbesondere in zur Prozessrichtung entgegengesetzter Richtung, zu ermitteln. Die maximale Abweichung entspricht dann der maximal zu erwartenden Verschiebung. Diese einzelnen Verfahren können alternativ zueinander oder auch parallel zueinander durchgeführt werden. Wird lediglich eines der Verfahren eingesetzt, ergibt sich die maximal zu erwartende Verschiebung direkt. Werden zwei oder mehr Verfahren eingesetzt, dann wird, gemäß einer besonders günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens, die zu erwartende maximale Verschiebung aus dem Maximum der zuvor bestimmten Einzelwerte ermittelt.
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Eine weitere Verbesserung bei der Qualität der Beschichtung ergibt sich gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens dadurch, dass für den Spuranfang zu Beginn der Beschichtung eine Steigung gewählt wird, welche kleiner als die Sollsteigung ist, wobei die Steigung über die Spurstrecke in der Art ansteigt, dass die mittlere Steigung des Spuranfangs der Sollsteigung entspricht. Hierdurch werden eine weitere Verbesserung in der Qualität und eine weitere Verringerung von Quer- und/oder Längsrissen erzielt. Vergleichbares lässt sich selbstverständlich auch beim Spurende realisieren, wobei hier die Steigung größer als die Sollsteigung startet und zum Auslaufen des Spurendes hin entsprechend kleiner wird, ebenfalls mit der Vorgabe, dass die mittlere Steigung wiederum der Sollsteigung entspricht.
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Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zum Beschichten eines Substrats aus Aluminium oder aus einer aluminiumhaltigen Legierung, beispielsweise mit einem Pulver auf der Basis von Kupfer. Es ist insbesondere dafür geeignet, thermische und/oder mechanisch beanspruchte Bereiche, insbesondere die Ventilsitze, in einem Bauteil, insbesondere dem Zylinderkopf, einer Brennkraftmaschine zu beschichten. Bei diesen Anwendungen sind eine hohe Qualität und eine sehr geringe Neigung zur Rissbildung von entscheidender Bedeutung, sodass das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere bei diesen Anwendungen seine besonderen Vorteile ausspielen kann.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich ferner aus den restlichen abhängigen Ansprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert wird.
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Dabei zeigen:
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1 eine prinzipmäßig angedeutete Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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2 ein Diagramm des Verhältnisses von Pulvermassenstrom und Laserleistung über der Spurstrecke bei einem herkömmlichen Verfahren gemäß dem Stand der Technik;
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3 ein Diagramm des Verhältnisses von Pulvermassenstrom und Laserleistung über der Spurstrecke bei dem erfindungsgemäßen Verfahren in einer ersten möglichen Ausführungsform;
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4 ein Diagramm des Verhältnisses von Pulvermassenstrom und Laserleistung über er Spurstrecke bei dem erfindungsgemäßen Verfahren in einer zweiten möglichen Ausführungsform;
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5 eine Darstellung eines konkreten Ausführungsbeispiels analog zur Darstellung in 2; und
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6 eine Darstellung eines konkreten Ausführungsbeispiels analog zur Darstellung in 3.
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In der Darstellung der 1 ist ein stark schematisierter Aufbau zur Beschichtung eines Substrats 1 mit Hilfe eines Lasers 2 zu erkennen. Im dem Laser 2 wird ein Laserstrahl 3 erzeugt, welcher das Substrat auf einer vorgegebenen Spur lokal aufschmilzt. Aus einem Pulverfördersystem 4 wird über eine Förderleitung 5 und eine Düse 6 ein Pulver in den Bereich des aufgeschmolzenen Substrats 1 zugeführt, welches in diesem Bereich zumindest teilweise mit dem aufgeschmolzenen Substrat 1 zu einer Beschichtung 7 verschmilzt. Dies ist soweit aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt und wird beispielsweise zur Beschichtung von mechanisch und/oder thermisch hochbelasteten Bereichen in Zylinderköpfen, beispielsweise zur Beschichtung von Ventilsitzen oder für andersartige Beschichtungsaufgaben, eingesetzt.
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In der Darstellung der 2 ist nun in einem Diagramm am Beispiel des Spuranfangs, die Spurstrecke LS über dem Pulvermassenstrom dm, der Laserleistung PL sowie dem Verhältnis des Pulvermassenstroms dm zur Laserleistung PL aufgetragen. Die mit dm bezeichnete durchgezogene Linie zeigt den Aufbau des Pulvermassenstroms dem entlang einer Pulverrampe, also einer linearen Funktion, bis dieser einen konstanten Wert erreicht, was im Falle der Darstellung der 1 bei der Spurstrecke LS1 der Fall ist. Parallel dazu aber früher startet die Laserleistung PL, welche über den Laserstrahl 3 auf das Substrat 1 einwirkt, und dieses entsprechend aufschmilzt.
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In der Darstellung der 2 sind außerdem drei Bereiche zu erkennen. Im unteren quer schraffierten Bereich ist das Verhältnis des Pulvermassenstroms dm zur Laserleistung PL so, dass zu wenig Pulver vorhanden ist und deshalb eine schlechte Beschichtung 7 entsteht. Im darüber befindlichen schräg schraffierten Bereich ist das Verhältnis von Pulvermassenstrom dm zu Laserleistung PL hinsichtlich der Aufmischung kritisch. Im darüberliegenden Abschnitt ist das Verhältnis von Pulvermassenstrom dm zu Laserleistung PL günstig und im obersten dargestellten Bereich wird bei dem dort auftretenden Verhältnis von Pulvermassenstrom dm zu Laserleistung PL typischerweise eine schlechte Anbindung der Beschichtung 7 erreicht. Dieser Bereich ist längs schraffiert dargestellt.
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Das Verhältnis des Pulvermassenstroms dm zur Laserleistung PL ist dabei in der gesamten Beschreibung immer als das relative Verhältnis der auf den jeweiligen Maximalwert dmmax, PL,max bezogenen Größen zu verstehen. Das Verhältnis schwankt dabei zwischen 0 am unteren Ende und 1 am oberen Ende der Darstellung. In der Darstellung der 2 ist nun außerdem in strichpunktierter Linie dieses Verhältnis graphisch eingezeichnet. Es ist zu erkennen, dass von der Spurstrecke des Spuranfangs ΔLS etwa 60% dieses Bereichs das Verhältnis des Pulvermassenstroms dm zur Laserleistung PL in den beiden unteren schraffierten und ungünstigen Bereichen liegt, und lediglich 40% in dem als günstig bekannten Bereich des Verhältnisses. Diese Werte starten bei etwa 0,4 bis 0,5. Zur Erläuterung der Erfindung und zur Bezugnahme auf die nachfolgenden Darstellungen ist in der Darstellung der 2 außerdem eine Verschiebung S zwischen der Rampe der Laserleistung PL und der Rampe des Pulvermassenstroms dm eingezeichnet.
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Wird die Rampe des Beschichtungsaufbaus nun verlängert, aber alle anderen Parameter werden gleich belassen, so ergibt sich analog zur Darstellung in 2 die in 3 dargestellte Situation. Dort wird der Bereich der Rampe des Beschichtungsaufbaus, in dem aufgrund der relativen Verschiebung S zwischen der Pulvermassenstromrampe dm und der Laserrampe PL entweder die chemische Aufmischung der Beschichtung mit dem Substratwerkstoff infolge der zu hohen Laserleistung zu groß ist bzw. der Massenstrom zu gering ist, deutlich zum Spuranfang hin verschoben. Es bleiben lediglich noch 10% des Spuranfangs ΔLS innerhalb der längs und schräg schraffierten ungünstigen Bereiche, während 90% innerhalb des sehr günstigen Verhältnisses des Pulvermassenstroms dm zur Laserleistung PL liegen, wie es anhand der Kurve dm/PL zu erkennen ist. Bei einer flacheren Rampe für die Laserleistung PL und den Pulvermassenstrom dm kann so bei einer Verschiebung S zwischen den beiden Rampen gewährleistet werden, dass das relative Verhältnis dm/PL zwischen Pulvermassenstrom dm und Laserleistung PL in einem wesentlich größeren Bereich nicht unterhalb eines kritischen Werts von 0,4 bis 0,5 liegt. Die Neigung zur Quer- und/oder Längsrissbildung kann so erheblich minimiert werden.
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Um dies zu erreichen, wird eine Steigung der Funktion der Laserleistung PL und insbesondere des Pulvermassenstroms dm in Abhängigkeit vom Substratwerkstoff und dem Werkstoff des Pulvers ermittelt werden. Hierzu wird zuerst die maximal zu erwartende lokale Verschiebung S, beispielsweise durch Ermitteln des maximalen Wegabstands zwischen der Funktion der Laserleistung PL und der Funktion des Pulvermassenstroms dm in einem Diagramm analog der 2 und 3 ermittelt wird, wonach eine Soll-Steigung des Pulvermassenstroms dm berechnet wird, welche bei einer Verschiebung um S zwischen der Laserrampe und dem Pulvermassenstrom das relative Verhältnis zwischen dem Pulvermassenstrom dm und der Laserleistung PL mindestens über einen Bereich von 70% oder vorzugsweise 80% oder mehr größer als 0,4 oder vorzugsweise 0,5 ist. Die Steigung des Pulvermassenstroms dm und idealerweise eine Anpassung der Laserleistung PL an diesen Pulvermassenstrom dm erfolgt dann so, dass die Variation des Pulvermassenstroms dm und der entsprechenden Laserleistung PL mit einer Steigung erfolgt, welche wenigstens im Anfangsbereich dieser berechneten Soll-Steigung entspricht. Idealerweise entspricht sie während der gesamten Spurlänge des Spuranfangs bzw. Spurendes dieser berechneten Soll-Steigung. Eine solche Optimierung liegt dem in 2 dargestellten Diagramm zugrunde.
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Neben der reinen Ermittlung des Abstands der Funktionen von Pulvermassenstrom dm und Laserleistung PL ist es ergänzend oder alternativ dazu möglich, die Verschiebung in konkreten Aufbauten anhand verschiedener Einflussgrößen zu bestimmen. Dies kann beispielsweise in einer der nachfolgend beschriebenen Arten erfolgen:
- a: Bestimmen der maximal zu erwartenden Verschiebung S durch Messung des Zeitintervalls, den das Pulver benötigt, um von dem Pulverfördersystem 4 zum Bearbeitungsort, also zum aufgeschmolzenen Substrat 1 zu gelangen. Aus dem Zeitintervall wird dann die Standardabweichung bestimmt und in Abhängigkeit der Prozessgeschwindigkeit in eine Wegstrecke umgerechnet. Diese Wegstrecke entspricht der maximalen Verschiebung S.
- b: Das Einstellen einer gewünschten Pulverrampe bzw. Funktion des Pulvermassenstroms dm am Pulverfördersystem 4. Die Pulverrampe bzw. die Funktion des Pulvermassenstroms dm wird dann am Bearbeitungsort oder kurz davor, beispielsweise im Bereich der Düse 6, gemessen, wobei die maximale zu erwartende Verschiebung S der maximalen Abweichung der Ist-Pulverrampe von der Soll-Pulverrampe entspricht.
- c: Die Bestimmung der Schmelzbadgröße und deren maximale Abweichung vom Durchmesser des Laserstrahls 3, insbesondere in entgegengesetzter Richtung zu der in 1 mit R bezeichneten Prozessrichtung. Die maximale Abweichung entspricht dann der maximal zu erwartenden Verschiebung S.
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Somit stehen alternativ zu der oben beschriebenen Auswertung drei weitere Methoden zur Verfügung. Von diesen vier Methoden können jeweils eine oder mehrere oder alle gemeinsam durchgeführt werden. Werden mehr als zwei der Methoden parallel durchgeführt, dann kann zur Bestimmung der maximalen Verschiebung S das Maximum der über die Einzelmethoden ermittelten Werte genutzt werden.
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Die Funktion der Laserleistung PL und/oder die Funktion des Pulvermassenstroms dm muss dabei nicht zwangsläufig als Rampe ausgebildet sein und linear ansteigen. Es kann vielmehr ein beliebiger Kurvenverlauf bzw. eine beliebige Funktion der Variation des Pulvermassenstroms dm und der Laserleistung PL zugrunde liegen. Wie bereits erwähnt, sollte die Steigung der Kurve jedoch, falls es sich um eine Kurve handelt, zumindest im Anfangsbereich des Beschichtungsanfangs kleiner oder gleich der nach dem oben beschriebenen Verfahren berechneten Sollsteigung sein und im weiteren Kurvenverlauf so gewählt werden, dass das Verhältnis von Pulvermassenstrom dm und Laserleistung PL das zuvor genannte Kriterium eines Verhältnisses von mehr als 0,4 oder vorzugsweise mehr als 0,5 über den größten Teil des Bereichs des Spuranfangs erfüllt. Für das Spurende gilt dies analog, wobei die Funktionen dabei selbstverständlich in umgekehrter Richtung verlaufen, also nicht zu Beginn, sondern zum Ende hin kleiner oder gleich einer berechneten Sollsteigung sein müssen.
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Auch die Funktion der Laserleistung PL muss dabei nicht zwangsläufig linear und auch nicht zwangsläufig parallel zur Funktion des Pulvermassenstroms dm verlaufen. Sie kann beispielsweise exponentiell eingestellt werden, insbesondere da die Absorption im Substrat 1 und im Pulver über die Pulverrampe hinweg variiert. Am Anfang fällt der Laserstrahl 3 ausschließlich auf das Substrat 1, später mit zunehmendem Pulvermassenstrom dm wird der Laserstrahl 3 teilweise von dem Pulver absorbiert, sodass eine exponentielle Erhöhung der Leistung hier durchaus sinnvoll ist. Die Funktion der Variation der Laserleistung sollte also einem solchen Verhalten idealerweise angepasst werden.
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Der Beschichtungsanfang oder umgekehrt dazu das Beschichtungsende kann ferner dadurch optimiert werden, dass zum Start der Beschichtung eine noch kleinere Steigung gewählt wird, als die in dem beschriebenen Verfahren bestimmte Sollsteigung und dass diese Steigung über die Spurlänge LS hinweg ansteigt. Beispielsweise kann eine solche Variation der Steigung so gewählt werden, dass die Durchschnittssteigung der berechneten Sollsteigung entspricht. So kann der kritische Bereich der Beschichtung der für Quer- und/oder Längsrisse besonders anfällig ist, noch weiter in einen Bereich verschoben werden, indem der Beschichtungsaufbau noch sehr gering ist. Der wesentliche Teil der Beschichtung erfolgt somit mit einer möglichen Verschiebung S zwischen der Laserrampe und der Pulvermassenstromrampe, welche ein optimales Verhältnis zwischen Laserleistung PL und Pulvermassenstrom dm gewährleistet. Dies ist an dem Beispiel in der Darstellung der 4 zu erkennen.
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Die Funktion der Laserleistung PL und/oder die Funktion des Pulvermassenstroms dm kann dabei durch eine stetige Funktion ausgebildet oder durch eine Stufenfunktion entsprechend angenähert werden, wobei jeweils darauf zu achten ist, dass das Verhältnis zwischen dem Pulvermassenstrom dm und der Laserleistung PL bei einer eventuellen Verschiebung S zwischen beiden Rampen über den beschriebenen wesentlichen Bereich der Beschichtung, z. B. 80% der Spurrampe, in der Darstellung der 2 oberhalb des kritischen Verhältnisses des Pulvermassenstroms dm zur Laserleistung PL liegt.
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Nachfolgend soll anhand der 5 und 6 analog zur Darstellung in den 2 und 3 das Verfahren nochmals anhand konkreter Ausführungsbeispiele beschrieben werden. Die Verschiebung S kann dabei über eine Messung der Standardabweichung des Zeitintervalls erfolgen, den das Pulver benötigt, um vom Pulverfördersystem 4 zum Bearbeitungsort zu gelangen. Bei einer Standardabweichung von 200 ms und einer Anstiegszeit Rampe des Pulvermassenstroms dm von 400 ms und einer Prozessgeschwindigkeit von 600 mm/min ergibt sich die in 5 dargestellte Situation. Wie es dort schraffiert unterlegt ist, liegt in dieser Situation bei einem wesentlichen Teil des Spuranfangs ein Verhältnis zwischen der Laserleistung PL und dem Pulvermassenstrom dm vor, welcher unterhalb des Verhältnisses von 0,5 liegt und damit kritisch hinsichtlich der Rissbildung und/oder einer schlechten Anbindung zu sehen ist. Verlängert man nun die Rampe des Pulvermassenstroms dm auf eine Anstiegszeit von 1,1 s, verändert also dessen Steigung, so ergibt sich eine Situation, wie sie in der Darstellung der 6 zu erkennen ist. Der Bereich des Spuranfangs, bei dem eine Rissbildung und/oder eine schlechte Anbindung der Beschichtung 7 an das Substrat 1 begünstigt wird, verschiebt sich in den äußersten Bereich des Spuranfangs und beträgt nur noch einen Bruchteil des Beschichtungsanfangs im Vergleich zur Darstellung in 5.
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Bei einer geschlossenen Beschichtung, welche beispielsweise in einer Kreisgeometrie als Ventilsitz in einem Zylinderkopf ausgebildet ist, ist dies vollkommen unkritisch, da die Beschichtungsenden und der Beschichtungsanfang sich entsprechend überlappt und beim Schließen der Spur über den Spuranfang hinaus im Überlapp ein erneutes Aufschmelzen der Oberfläche der bereits beschichteten Spur erfolgt, sodass der Bereich, welcher in der Darstellung der 6 für Risse und eine schlechte Anbindung kritisch ist, nochmals umgeschmolzen wird, sodass diese Problematik weiter sinkt.
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Eine solche sich schließende Spur ist insbesondere bei der bereits angedeuteten Kreisgeometrie interessant. Die Beschichtung erfolgt dann entlang der Spur eines Kreises, beispielsweise mit einem Spurdurchmesser von 25 mm. Die Rampe des Pulvermassenstroms dm würde dabei einen Winkelbereich von wenigstens 50° des Kreises einnehmen oder könnte bei einer noch größeren Verschiebung um zwei Standardabweichungen der gemessenen Zeit einen Winkel von etwa 73° einnehmen. Dann wäre erreicht, dass 90% der Spur im Verhältnis von Pulvermassenstrom dm zu Laserleistung PL erzeugt werden, welches 0,5 nicht überschreitet. Hierdurch wäre eine qualitativ noch hochwertigere Beschichtung mit minimalen Risiken hinsichtlich der Ausbildung von Quer- und/oder Längsrissen und einer schlechten Anhaftung im Bereich des Spurendes und/oder des Spuranfangs gegeben.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10218563 A1 [0002]
- DE 102006001688 B4 [0006]
- JP 2010-201430 A [0007]
