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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Materialbearbeitung mithilfe eines Faserlasersystems.
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Beim Laserstrahlbohren oder Laserstrahlschweißen werden zunehmend die konventionellen, blitzlampengepumpten Strahlquellen durch neue, diodengepumpte Faserlaser abgelöst, da diese kostengünstiger sind und Vorteile, wie zum Beispiel eine bessere Strahlqualität, haben. Bei den konventionellen, blitzlampengepumpten Strahlquellen werden die Durchmesser der Perkussionsbohrungen bzw. die Dicken der Schweißnähte – neben der Systemtechnik wie zum Beispiel der Brennweite – über die Energie bzw. die mittlere Leistung der Laserstrahlung eingestellt. Bei größerer Energie wird der Strahldurchmesser größer, was zu einem größeren Fokusdurchmesser führt. So können die Durchmesser der Bohrungen bzw. Dicken der Schweißnähte eingestellt werden ohne die Systemtechnik ändern zu müssen.
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Bei den neuen, diodengepumpten Faserlasern wird die Laserstrahlung innerhalb der Faser erzeugt und transportiert. Bei Vergrößerung der Energie bzw. der mittleren Leistung der Laserstrahlung bleibt der Strahldurchmesser gleich, so dass der Fokusdurchmesser annähernd konstant ist. Dadurch bleiben die Eintrittsdurchmesser der Bohrungen bzw. Dicken von Schweißnähten ebenfalls konstant und können nicht durch eine Variation der Verfahrensparameter eingestellt werden. Bei der Verwendung von Faserlasern wird zurzeit die Systemtechnik offline geändert um Bohrungsdurchmesser bzw. Schweißnahtdicken einzustellen. Hierzu werden zum einen unterschiedlich dicke Fasern mittels Faserkoppler eingesetzt oder die gesamte Optik mit unterschiedlichen Kollimator- und Fokussierlinsen ausgetauscht. Während des Ein- und Ausbaus der Systemtechnik kann die Anlage nicht betrieben werden.
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Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine vorteilhafte Vorrichtung und ein vorteilhaftes Verfahren zur Materialbearbeitung mithilfe eines Faserlasersystems zur Verfügung zu stellen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Materialbearbeitung gemäß Patentanspruch 1 und ein Verfahren zur Materialbearbeitung gemäß Patentanspruch 9 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten weitere, vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Materialbearbeitung umfasst ein Faserlasersystem mit einem Laserstrahlausgang. Bei dem Laserstrahlausgang kann es sich um ein Faserende handeln. Die Vorrichtung umfasst weiterhin ein Zoom-Optiksystem, welches in Stahlrichtung des Laserstahls des Faserlasersystems zwischen dem Laserstrahlausgang, zum Beispiel dem Faserende, und einem Materialbearbeitungsbereich, zum Beispiel einer Arbeitsfläche, angeordnet ist.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat den Vorteil, dass mithilfe des Zoom-Optiksystem der Durchmesser und der Fokus des Laserstrahls eingestellt werden kann. Damit ist eine variable Einstellung der Verfahrensparameter möglich. Die Systemtechnik muss also nicht mehr offline geändert werden um Bohrungsdurchmesser bzw. Schweißnahtdicken einzustellen. Durch einen Ein- und Ausbaus der Systemtechnik bisher hervorgerufene Stillzeiten der Anlage werden vermieden. Es wird somit im Ergebnis auch die Effizienz der Materialbearbeitungsanlage gesteigert und Kosten reduziert.
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Bevorzugt umfasst das Zoom-Optiksystem mindestens ein Linsensystem. Dabei kann jedes Linsensystem mindestens eine Linse umfassen. Vorteilhafterweise können mindestens ein Linsensystem und/oder mindestens eine Linse in Strahlrichtung des Lasers verschiebbar angeordnet sein.
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Das Zoom-Optiksystem kann zum Einstellen einer Fokusposition und/oder eines Fokusdurchmessers und/oder eines Divergenzwinkels des Laserstahls ausgelegt sein. Dies hat den Vorteil, dass mithilfe des Zoom-Optiksystems am Materialbearbeitungsbereich bzw. an der Materialbearbeitungsoberfläche Verfahrensparameter, wie zum Beispiel die Fokusposition und/oder der Fokusdurchmessers und/oder der Divergenzwinkels des Laserstahls variabel eingestellt werden können. Grundsätzlich kann das Zoom-Optiksystem manuell oder automatisch einstellbar ausgestaltet sein.
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Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Bohren oder Schweißen eines Bauteils ausgelegt, insbesondere zum Bohren oder Schweißen einer Turbinenkomponente, zum Beispiel einer Gasturbinenkomponente oder einer Dampfturbinenkomponente. Die Vorrichtung kann allgemein zur Erstellung einer Turbinenkomponente, insbesondere zur Herstellung und/oder zur Reparatur und/oder zur Bearbeitung einer Turbinenkomponente ausgelegt sein.
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Bei der Turbinenkomponente kann es sich zum Beispiel um eine Turbinenschaufel, insbesondere eine Leitschaufel oder eine Laufschaufel handeln. Gasturbinenkomponenten oder Dampfturbinenkomponenten sind typischerweise starken mechanischen, thermischen und chemischen Belastungen ausgesetzt. Sowohl die Herstellung als auch die Wiederaufarbeitung von Turbinenkomponenten, insbesondere Turbinenschaufeln ist daher von erheblicher wirtschaftlicher Bedeutung. Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich sowohl zur Herstellung als auch die Wiederaufarbeitung von Turbinenkomponenten, insbesondere Turbinenschaufeln. Ein Anwendungsbeispiel ist das Erstellen von Bohrungen in Gasturbinenkomponenten.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Materialbearbeitung erfolgt mithilfe einer zuvor beschriebenen Vorrichtung. Im Rahmen des Verfahrens wird ein durch das Faserlasersystem erzeugter Laserstrahl zunächst durch das Zoom-Optiksystem hindurchgestrahlt und anschließend für die Materialbearbeitung verwendet. Das erfindungsgemäße Verfahren hat grundsätzlich dieselben Vorteile wie die zuvor beschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann das Bearbeiten des Materials umfassen. Zum Beispiel kann das zu bearbeitende Material mit Hilfe des Laserstahls gebohrt und/oder geschweißt werden.
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Bevorzugt werden im Rahmen des erfindungsgemäßen Materialbearbeitungsverfahrens die Fokusposition und/oder der Fokusdurchmessers und/oder der Divergenzwinkel des Laserstahls mithilfe des Zoom-Optiksystems eingestellt. Es ist also eine variable Einstellung der Verfahrensparameter möglich. Die Systemtechnik muss nicht mehr offline geändert werden um Bohrungsdurchmesser bzw. Schweißnahtdicken einzustellen. Ein Einbau und Ausbaus der Systemtechnik ist zur Veränderung der Verfahrensparameter nicht erforderlich, wodurch insgesamt die Effizienz des Materialbearbeitungsverfahrens erhöht wird und Kosten gesenkt werden.
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Mittels des Verfahrens kann insbesondere eine Turbinenkomponente erstellt werden. Die Turbinenkomponente kann beispielsweise hergestellt oder repariert werden. Bei der Turbinenkomponente kann es sich um eine Turbinenschaufel, insbesondere eine Laufschaufel oder eine Leitschaufel, handeln. Es kann also zum Beispiel eine Turbinenschaufel erstellt werden. Grundsätzlich kann es sich bei der Turbinenkomponente um eine Komponente einer Gasturbine oder einer Dampfturbine handeln.
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Prinzipiell kann das im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendete Zoom-Optiksystem ein verstellbares Linsensystem umfassen oder aus einem solchen bestehen. Mit dem verstellbaren Linsensystem kann zum einen der Divergenzwinkel und Fokusdurchmesser geändert werden. Zum anderen kann die Fokusposition in Strahlrichtung geändert werden. Dadurch kann zum Beispiel der Fokusdurchmesser vergrößert oder verkleinert werden, während die Fokusposition konstant ist. Eine manuelle oder automatische, zum Beispiel motorisierte, Ausführung der Zoomoptik ist möglich.
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Mittels der Zoomoptik können unterschiedliche Bohrungsdurchmesser bzw. Schweißdicken bei Verwendung von Faserlasern realisiert werden, ohne die Systemtechnik offline ändern zu müssen. Dadurch können innerhalb eines Bauteils unterschiedliche Bohrungsdurchmesser mittels Perkussion oder unterschiedliche Schweißnahtdicken erzielt werden.
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Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher beschrieben. Alle bisher und im Folgenden beschriebenen Merkmale sind dabei sowohl einzeln als auch in einer beliebigen Kombination miteinander vorteilhaft. Die im Folgenden beschriebenen Ausführungsvarianten stellen lediglich Beispiele dar, welche den Gegenstand der Erfindung jedoch nicht beschränken.
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1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Materialbearbeitung.
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2 zeigt schematisch eine Gasturbine.
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3 zeigt schematisch eine Leitschaufel einer Gasturbine in einer perspektivischen Ansicht.
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4 zeigt schematisch eine Laufschaufel einer Gasturbine in einer perspektivischen Ansicht.
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Die 1 zeigt schematisch einen Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Materialbearbeitung. Die Vorrichtung umfasst ein Faserlasersystem 8 mit einem Laserstrahlausgang 9. Bei dem Laserstrahlausgang kann es sich um ein Faserende handeln. Der Laserstrahl ist mit der Bezugsziffer 10 gekennzeichnet. Die Vorrichtung umfasst zudem ein Zoom-Optiksystem 11, welches in Stahlrichtung 12 des Laserstahls 10 des Faserlasersystems 8 zwischen dem Laserstrahlausgang 9, zum Beispiel dem Faserende, und einem Materialbearbeitungsbereich 13, zum Beispiel einer Arbeitsfläche, angeordnet ist.
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Mithilfe des Zoom-Optiksystem 11 kann der Durchmesser und der Fokus des Laserstrahls 10 eingestellt werden. Damit ist eine variable Einstellung der Verfahrensparameter möglich. Die Systemtechnik muss also nicht mehr offline geändert werden um Bohrungsdurchmesser bzw. Schweißnahtdicken einzustellen. Durch einen Ein- und Ausbaus der Systemtechnik bisher hervorgerufene Stillzeiten der Anlage werden vermieden.
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Das in der 1 gezeigte Zoom-Optiksystem 11 umfasst zwei Linsensysteme 14 und 15, die in Strahlrichtung 12 hintereinander angeordnet sind. Prinzipiell ist auch eine andere Anzahl an Linsensystemen möglich. Jedes Linsensystem 14, 15 kann mindestens eine Linse umfassen. Vorteilhafterweise können mindestens ein Linsensystem und/oder mindestens eine Linse in Strahlrichtung 12 des Lasers 10 verschiebbar angeordnet sein. Dies ist durch Pfeile 16 und 17 gekennzeichnet.
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Das Zoom-Optiksystem 11 ist vorteilhafterweise zum Einstellen einer Fokusposition 18 und/oder eines Fokusdurchmessers und/oder eines Divergenzwinkels des Laserstahls 10 ausgelegt. Dies hat den Vorteil, dass mithilfe des Zoom-Optiksystems am Materialbearbeitungsbereich 13 bzw. an der Materialbearbeitungsoberfläche Verfahrensparameter, wie zum Beispiel die Fokusposition 18 und/oder der Fokusdurchmessers und/oder der Divergenzwinkel des Laserstahls 10 variabel eingestellt werden können. Grundsätzlich kann das Zoom-Optiksystem 11 manuell oder automatisch einstellbar ausgestaltet sein.
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Die Vorrichtung kann zum Bohren oder Schweißen eines Bauteils ausgelegt sein, insbesondere zum Bohren oder Schweißen einer Turbinenkomponente, zum Beispiel einer Gasturbinenkomponente oder einer Dampfturbinenkomponente. Die Vorrichtung kann allgemein zur Erstellung einer Turbinenkomponente, insbesondere zur Herstellung und/oder zur Reparatur und/oder zur Bearbeitung einer Turbinenkomponente ausgelegt sein. Bei der Turbinenkomponente kann es sich zum Beispiel um eine Turbinenschaufel, insbesondere eine Leitschaufel oder eine Laufschaufel handeln.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Materialbearbeitung erfolgt mithilfe der zuvor beschriebenen Vorrichtung. Im Rahmen des Verfahrens wird ein durch das Faserlasersystem 8 erzeugter Laserstrahl 10 zunächst durch das Zoom-Optiksystem 11 hindurchgestrahlt und anschließend für die Materialbearbeitung verwendet. Zum Beispiel kann das zu bearbeitende Material mit Hilfe des Laserstahls 10 gebohrt und/oder geschweißt werden.
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Bevorzugt werden im Rahmen des erfindungsgemäßen Materialbearbeitungsverfahrens die Fokusposition 18 und/oder der Fokusdurchmessers und/oder der Divergenzwinkel des Laserstahls mithilfe des Zoom-Optiksystems 11 eingestellt. Es ist also eine variable Einstellung der Verfahrensparameter möglich. Mittels der Zoomoptik können somit unterschiedliche Bohrungsdurchmesser bzw. Schweißdicken bei Verwendung von Faserlasern realisiert werden, ohne die Systemtechnik offline ändern zu müssen. Dadurch können innerhalb eines Bauteils unterschiedliche Bohrungsdurchmesser mittels Perkussion oder unterschiedliche Schweißnahtdicken erzielt werden.
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Unter Nutzung des beschriebenen Verfahrens kann insbesondere eine Turbinenkomponente erstellt werden. Die Turbinenkomponente kann beispielsweise hergestellt oder repariert werden. Bei der Turbinenkomponente kann es sich um eine Turbinenschaufel, insbesondere eine Laufschaufel 115 oder eine Leitschaufel 117, handeln. Es kann also zum Beispiel eine Turbinenschaufel erstellt werden. Grundsätzlich kann es sich bei der Turbinenkomponente um eine Komponente einer Gasturbine oder einer Dampfturbine handeln.
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Die 2 zeigt schematisch eine Gasturbine. Eine Gasturbine weist im Inneren einen um eine Rotationsachse drehgelagerten Rotor mit einer Welle 107 auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird. Entlang des Rotors folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 109, ein Verdichter 101, eine Brenneranordnung 15, eine Turbine 105 und das Abgasgehäuse 190.
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Die Brenneranordnung 15 kommuniziert mit einem beispielsweise ringförmigen Heißgaskanal. Dort bilden mehrere hintereinander geschaltete Turbinenstufen die Turbine 105. Jede Turbinenstufe ist aus Schaufelringen gebildet. In Strömungsrichtung eines Arbeitsmediums gesehen folgt im Heißgaskanal einer Leitschaufelreihe 117 eine aus Laufschaufeln 115 gebildete Reihe. Die Leitschaufeln 117 sind dabei an einem Innengehäuse eines Stators befestigt, wohingegen die Laufschaufeln 115 einer Reihe beispielsweise mittels einer Turbinenscheibe am Rotor angebracht sind. An dem Rotor angekoppelt ist ein Generator oder eine Arbeitsmaschine.
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Während des Betriebes der Gasturbine wird vom Verdichter 101 durch das Ansauggehäuse 109 Luft angesaugt und verdichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters 101 bereitgestellte verdichtete Luft wird zu den Brenneranordnungen 15 geführt und dort mit einem Brennstoff vermischt. Das Gemisch wird dann unter Bildung des Arbeitsmediums in der Brennkammer verbrannt. Von dort aus strömt das Arbeitsmedium entlang des Heißgaskanals an den Leitschaufeln 117 und den Laufschaufeln 115 vorbei. An den Laufschaufeln 115 entspannt sich das Arbeitsmedium impulsübertragend, so dass die Laufschaufeln 115 den Rotor antreiben und dieser die an ihn angekoppelte Arbeitsmaschine.
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Die 3 zeigt schematisch eine Leitschaufel 117 einer Gasturbine in einer perspektivischen Ansicht. Die Leitschaufel 117 umfasst ein Schaufelblatt 1, eine erste Plattform 2, einen ersten Schaufelfuß 6, eine zweite Plattform 3 und einen zweiten Schaufelfuß 7. Die erste Plattform 2 ist zwischen dem Schaufelblatt 1 und dem ersten Schaufelfuß 6 angeordnet. Die zweite Plattform 3 ist zwischen dem Schaufelblatt 1 und dem zweiten Schaufelfuß 7 angeordnet. Das Schaufelblatt 1 umfasst eine Anströmkante 4 und eine Abströmkante 5.
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Das Schaufelblatt umfasst vorzugsweise eine Anzahl Kühllöcher (in der 3 nicht gezeigt), die als Bohrungen ausgestaltet sein können. Die Bohrungen können im Rahmen der Herstellung oder der Reparatur einer Leitschaufel mithilfe des oben beschriebenen Verfahrens und der oben beschriebenen Vorrichtung erstellt bzw. erzeugt werden.
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Die 4 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Laufschaufel 115 einer Strömungsmaschine, die sich entlang einer Längsachse 121 erstreckt. Die Strömungsmaschine kann eine Gasturbine eines Flugzeugs oder eines Kraftwerks zur Elektrizitätserzeugung, eine Dampfturbine oder ein Kompressor sein.
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Die Schaufel 115 weist entlang der Längsachse 121 aufeinander folgend einen Befestigungsbereich 400, eine daran angrenzende Schaufelplattform 403 sowie ein Schaufelblatt 406 und eine Schaufelspitze 415 auf. Im Befestigungsbereich 400 ist ein Schaufelfuß 183 gebildet, der zur Befestigung der Laufschaufeln 115 an einer Welle oder einer Scheibe dient (nicht dargestellt). Der Schaufelfuß 183 ist beispielsweise als Hammerkopf ausgestaltet. Andere Ausgestaltungen als Tannenbaum- oder Schwalbenschwanzfuß sind möglich.
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Die Schaufel 115 weist für ein Medium, das an dem Schaufelblatt 406 vorbeiströmt, eine Anströmkante 409 und eine Abströmkante 412 auf.
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Bei herkömmlichen Schaufeln 115, 117 werden in allen Bereichen der Schaufel 115, 117 beispielsweise massive metallische Werkstoffe, insbesondere Superlegierungen verwendet. Die Schaufeln 115, 117 können hohl oder massiv ausgeführt sein. Wenn die Schaufel 115, 117 gekühlt werden soll, ist sie hohl und weist ggf. noch Filmkühllöcher 418 (gestrichelt angedeutet) auf.
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Wiederaufarbeitung (Refurbishment) bedeutet, dass Bauteile 115, 117 nach ihrem Einsatz gegebenenfalls von Schutzschichten befreit werden müssen (z.B. durch Sandstrahlen). Danach erfolgt eine Entfernung der Korrosions- und/oder Oxidationsschichten bzw. -produkte. Gegebenenfalls werden auch noch Risse im Bauteil 115, 117 repariert. Danach erfolgt eine Wiederbeschichtung des Bauteils 115, 117 und ein erneuter Einsatz des Bauteils 115, 117.
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Der erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung können im Rahmen der Herstellung oder Wiederaufarbeitung von Turbinenschaufeln 115, 117 Anwendung finden, insbesondere bei der Reparatur durch Auftragsschweißen oder bei der Erstellung der Kühllöcher.
