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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Zuführung von drahtförmigem Werkstoff mit einem Außendurchmesser oder eine dazu äquivalente Querschnittsdimensionierung im Bereich 0,05 mm bis 0,5 mm bei einem Schweiß- oder Lötverfahren. Bevorzugt ist eine Dimensionierung ≤ 0,4 mm.
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Es kann ein neues Hochpräzisions-Feindraht-Vorschubsystem für das gepulste Laserschweißen, CW-Laserschweißen, Löten, Auftragsschweißen, Elektronenstrahlschweißen u.a.m. zur Verfügung gestellt werden.
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Bei dem drahtförmigen Werkstoff kann es sich um niedrig- und hochlegierte Stahllegierungen, geeignete AI-Legierungen, Bronzen, Edelmetalllegierungen, Cu- oder Golddrähte handeln. Neben kreisrunden Querschnittsformen kann ein drahtförmiger Werkstoff eine mehreckige Querschnittsgeometrie aufweisen und auch so einer Bearbeitung mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zugeführt werden.
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Bei diesen miniaturisierten Querschnittsflächen eines drahtförmigen Werkstoffs kommt es auf eine besonders sorgfältige und präzise Justage der einzelnen Komponenten an, um eine schlupffreie, störungsfreie und genaue Zuführung an drahtförmigem Werkstoff an den gewünschten Ort und in der gewünschten Menge pro Zeit zu erreichen.
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Es ist eine automatische Schweißdrahtzufuhr für eine schlupffreie Förderung der Schweißdrähte von 0,3 mm bis 1,2 mm Außendurchmesser von der Firma L&A GmbH bekannt. Das Drahtvorschubsystem lässt sich sowohl beim gepulsten Laserschweißverfahren, als auch im CW-Modus einsetzen. Der Drahtvorschub wird dabei durch zwei angetriebene, feinst verzahnte Hartmetall-Räder realisiert, die sich gegenläufig drehen und zwischen denen der Draht gefördert wird. Auf diesem Prinzip beruht auch die Erfindung. Damit kann ein hohes Drehmoment bevorzugt mittels eines Planetengetriebes für den Vorschub und eine Schlupffreiheit wegen der Außenverzahnung der Hartmetall-Räder erreicht werden. Diese weisen einen gleichgroßen Außendurchmesser auf und werden mit der gleichen Winkel- bzw. Umfangsgeschwindigkeit angetrieben. Mittels der Verzahnung an der äußeren Mantelfläche wird ein definiertes Kerbprofil an der Oberfläche des Drahtes ausgebildet.
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Mit dem Justierrahmen werden die Drahtachsen der „inneren Kapillarrohre“ des Antriebs individuell auf den verwendeten Schweißzusatz-Durchmesser eingestellt.
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Wie bereits zum Ausdruck gebracht, ist bei drahtförmigen Werkstoffen mit kleineren Außendimensionierungen eine hochpräzise Justierung erforderlich, um eine sehr genaue und schlupffreie Vorschubbewegung zu realisieren.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten für eine störungs-, schlupffreie Vorschubbewegung eines drahtförmigen Werkstoffs für ein Fügeverfahren, bei dem insbesondere ein Energiestrahl, in dessen Einflussbereich der drahtförmige Werkstoff kontinuierlich oder sukzessive mit definierter Vorschubgeschwindigkeit gefördert werden kann, erreicht werden kann, anzugeben.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Vorrichtung, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
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Erfindungsgemäß sind in einem Gehäuse zwei um parallel zueinander ausgerichtete Rotationsachsen mit mindestens einem Antrieb angetriebene gleiche Räder, die jeweils mit einer Verzahnung an ihren radial äußeren parallel zueinander ausgerichteten Mantelflächen versehen sind, so angeordnet, dass drahtförmiger Werkstoff zwischen den Mantelflächen mit diesen in Kontakt steht. Bei synchroner gegenläufiger Rotation der Räder wird drahtförmiger Werkstoff durch ein in Vorschubbewegungsrichtung vor den Rädern angeordnetes erstes Drahtführungselement und durch ein in Vorschubbewegungsrichtung hinter den Rädern angeordnetes zweites Drahtführungselement in Richtung eines Werkstücks gefördert. Die einzelnen Zähne der Verzahnung können vorteilhaft in einem Winkel ungleich 0° in Bezug zur Rotationsachse der Räder, bevorzugt mit einem Winkel von ca. 15° geneigt sein. Dabei sollten die Neigungswinkel an den zwei Rädern jeweils entgegengesetzt gewählt werden, um eine bessere Führung des drahtförmigen Werkstoffs während der Vorschubbewegung zu ermöglichen.
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Erstes und zweites Drahtführungselement weisen jeweils eine kapillarförmige Drahtführung auf, deren Außendurchmesser oder eine dazu äquivalente Querschnittsdimensionierung minimal größer als der Außendurchmesser oder die äquivalente Querschnittsdimensionierung des drahtförmigen Werkstoffs ist. So entspricht eine äquivalente Querschnittsdimensionierung eines dreieckigen Querschnitts der längsten Außenkante und bei einem mehreckigen Querschnitt beispielsweise einer Flächendiagonale. Mit mehreckigen Querschnittsgeometrien können anstelle von drahtförmigen auch bandförmige Werkstoffe mit der Vorrichtung gefördert werden.
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Eine Austrittsöffnung des ersten Drahtführungselements ist in Vorschubbewegungsrichtung des drahtförmigen Werkstoffs vor den Rädern und eine Eintrittsöffnung des zweiten Drahtführungselements ist in Vorschubbewegungsrichtung des drahtförmigen Werkstoffs hinter den Rädern angeordnet.
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Ein erstes Rad ist so am Gehäuse befestigt, dass die Rotationsachse nicht verschiebbar ist. Das zweite Rad ist senkrecht zur Vorschubbewegungsrichtung des drahtförmigen Werkstoffs zur Anpassung an den jeweiligen Außendurchmesser oder einer dazu äquivalenten Querschnittsdimensionierung und zur Beeinflussung einer Einkerbtiefe an der äußeren Mantelfläche des drahtförmigen Werkstoffs verschiebbar. Dazu ist am Gehäuse ein erster Feinantrieb angeordnet, der senkrecht zur Vorschubbewegungsrichtung des drahtförmigen Werkstoffs gegen einen Hebelarm wirkt. Der Hebelarm ist mit einem Drehgelenk, das in einem Abstand zum Kraftangriffspunkt des ersten Feintriebs angeordnet ist, drehbar im Gehäuse gelagert.
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Zwischen dem Kraftangriffspunkt und dem Drehgelenk ist das zweite Rad mit seiner Rotationsachse am Hebelarm drehbar befestigt. Dem Kraftangriffspunkt des ersten Feinantriebs am Hebelarm gegenüberliegend, ist ein gegen den Hebelarm wirkende Druckkraft ausübendes Federelement angeordnet. Mit der wirkenden Druckkraft dieses Federelements und durch die Wegbegrenzungswirkung, die mit dem ersten Feinantrieb erreicht werden kann, kann die Einkerbtiefe der Einkerbungen an der äußeren Oberfläche des drahtförmigen Werkstoffs, die mit den Zähnen der Verzahnung, die an der radial äußeren Mantelfläche der Räder ausgebildet sind, beeinflusst werden, da der erste Feinantrieb mit seinem Kraftangriffspunkt am Hebelarm dem Federelement gegenüberliegend angreift.
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Damit kann der Abstand der äußeren profilierten Mantelflächen der zwei Räder in Abhängigkeit der jeweiligen Querschnittsdimensionierung des zu fördernden drahtförmigen Werkstoffs sehr genau eingestellt werden. Dadurch kann auch die Einkerbtiefe von Einkerbungen, die durch die Verzahnung, die an den radial äußeren Mantelflächen beider Räder vorhanden sind, an der Oberfläche des jeweiligen drahtförmigen Werkstoffs definiert beeinflusst werden. Dies führt dazu, dass eine definierte und schlupffreie Förderung des drahtförmigen Werkstoffs erreicht und seine unerwünschte Schädigung oder gar ein Abreißen vermieden werden kann.
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Vorteilhaft ist es auch, den Abstand zwischen den beiden Drahtführungselementen und den äußeren Mantelflächen der Räder in XY-Richtung zu minimieren. Der minimal mögliche berührungsfreie Abstand ist dabei von den äußeren Dimensionierungen der Drahtführungselemente an den den Rädern zugewandten Stirnseiten abhängig, die wiederum auch von der Außendimensionierung des zu fördernden drahtförmigen Werkstoffs abhängig sind.
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Dazu können an jedem der zwei Drahtführungselemente jeweils eine Führungseinheit vorhanden sein, die jeweils so ausgebildet ist, dass das jeweilige Drahtführungselement parallel und senkrecht zur Vorschubbewegungsachse des drahtförmigen Werkstoffs so bewegbar ist, dass die Längsachsen von Kapillaren der Drahtführungselemente, durch die der drahtförmige Werkstoff bewegt werden kann, miteinander fluchten und die Führungseinheiten mittels jeweils mindestens eines Fixierelementes am Gehäuse in einer vorgebbaren Position fixierbar sind.
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An den Führungseinheiten kann jeweils in einer Führung ein Exzenterelement angeordnet sein, mit dem durch eine definierte Drehung des jeweiligen Exzenterelements eine Bewegung des jeweiligen Drahtführungselements parallel zur Vorschubbewegungsrichtung des drahtförmigen Werkstoffs erreichbar ist, so dass jeweils ein minimaler Abstand zwischen der Außenkontur der Austrittsöffnung des ersten Drahtführungselements und den äußeren Mantelflächen der Räder und der Außenkontur der Eintrittsöffnung des zweiten Drahtführungselements und den äußeren Mantelflächen der Räder erreichbar ist, bei dem keine Berührung der Drahtführungselemente mit den äußeren Mantelflächen der Räder erfolgt.
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Außerdem kann an den Führungseinheiten jeweils ein Feinantrieb angreifen, mit dem eine Bewegung der Drahtführungselemente senkrecht zur Vorschubbewegungsrichtung des drahtförmigen Werkstoffs erreichbar ist. Dem jeweiligen Feinantrieb gegenüberliegend kann jeweils ein Federelement an der jeweiligen Führungseinheit angreifen, das eine Druckkraft in Richtung drahtförmiger Werkstoff auf die jeweilige Führungseinheit ausübt. Dadurch kann das Fluchten der mittleren Längsachsen der Kapillaren der Drahtführungselemente erreicht werden, so dass ein Verkanten bei der Vorschubbewegung vermieden und ein sicheres Einfädeln eines drahtförmigen Werkstoffs nach dem Austritt aus der Austrittsöffnung des ersten Drahtführungselementes für den Eintritt in die Eintrittsöffnung des zweiten Drahtführungselements bei einem Wechsel eines drahtförmigen Werkstoffs gesichert werden kann.
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Für die Einhaltung eines minimalen Abstandes zwischen Drahtführungselementen und den äußeren Mantelflächen der Räder können die in Richtung der Räder weisenden Stirnseiten der Drahtführungselemente weisenden Stirnseitenbereiche sich konisch verjüngend kegelstumpf- oder pyramidenstumpfförmig ausgebildet sein. Es kann ein minimaler Abstand von 0,05 mm und ggf. noch kleiner zu den äußeren Mantelflächen der Räder eingehalten werden.
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Die Feinantriebe können elektrisch betrieben, beispielsweise als Linearmotor mit Getriebe oder auch als bzw. mit Piezoaktoren ausgebildet sein. Vorteilhaft sind aber Mikrometerschrauben mit denen eine sehr genaue Einstellung der Justierung mit hoher Auflösung und Präzision erreicht werden kann.
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Zur Erhöhung der Einstellgenauigkeit des Abstandes zwischen den äußeren Mantelflächen der beiden Räder kann der Kraftangriffspunkt des ersten Feintriebs am Hebelarm, die Anordnung des Drehgelenks des Hebelarms und die Anordnung der Rotationsachse des zweiten Rades am Hebelarm so gewählt sein, dass eine Untersetzung zwischen der Vorschubbewegung des ersten Feinantriebs und der Bewegung des zweiten Rades senkrecht zur Vorschubbewegung des drahtförmigen Werkstoffs, bevorzugt von mindestens 2 zu 1 erreichbar ist. So kann beispielsweise bei einer Bewegung einer Mikrometerschraube als Feinantrieb um 0,01 mm eine Bewegung des zweiten Rades senkrecht zur Vorschubbewegungsrichtung des drahtförmigen Werkstoffs um 0,005 mm erreicht werden.
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Die Fixierelemente können als Feststellschraube oder Spannschraube, die an der jeweiligen Führungseinheit und am Gehäuse angreifen oder darin einschraubbar sind, ausgebildet sein.
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Die Drahtführungselemente können, den jeweiligen Außendurchmesser oder eine äquivalente Querschnittsdimensionierung des drahtförmigen Werkstoffs berücksichtigend, austauschbar sein. Nach dem Austausch kann mit o.g. Mitteln eine neue Ausrichtung und Justierung durchgeführt werden.
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Zur Verminderung der wirkenden Reibkräfte bei der Vorschubbewegung des drahtförmigen Werkstoffs kann die innere Wandung der Kapillaren der Drahtführungselemente zumindest bereichsweise mit PTFE gebildet oder damit beschichtet sein. So kann man beispielsweise ausgehend von den Stirnseiten, die den zwei Rädern abgewandt angeordnet sind, innen hohle kanalförmige Elemente aus PTFE in die Drahtführungselemente einsetzen, deren freier Querschnitt an die Geometrie und die Dimensionierung des jeweiligen drahtförmigen Werkstoffs angepasst sind. Dann sind nur die unmittelbar in Richtung der zwei Räder weisenden Bereiche der Kapillareninnenwände der Drahtführungselemente aus einem anderen Werkstoff gebildet, die einen höheren Reibkoeffizienten als das PTFE aufweisen können.
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Es sind Vorschubgeschwindigkeiten für den drahtförmigen Werkstoff zwischen 0,1 mm/s bis 150 mm/s realisierbar.
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Die Räder können direkt, bevorzugt aber über ein gemeinsames Getriebe angetrieben werden. Ihre Drehbewegung erfolgt mit jeweils gleicher Umfangsgeschwindigkeit. Bevorzugt weisen sie den gleichen Außendurchmesser auf.
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Die Erfindung kann für eine spezielle Funktionalisierung von bestehenden Bauteil-Oberflächen oder Änderungen der Bauteilform eingesetzt werden. Beispielanwendungen sind in folgenden Bereichen zu finden: Laserschweißen im gepulsten Lasern und im CW-Bereich, Auftragen von Verschleißschutzschichten mit Fe-, Co-, Cu-, Au-Legierungen, feine Reparatur von hochwertigen verschleißbeanspruchten Funktionsbauteilen aus Ti- und Ni- Luftfahrtlegierungen, bei der generativen Fertigung von dünnwandigen Strukturen aus AI-, Ni-, Ti-Legierungen, bei Lötanwendungen von beispielsweise Mikroprozessoren, dem Elektronenstrahlschweißen in der Glas- und Wafer-Halbleiterindustrie, sonstige Hochpräzisions-Drahtförderanwendungen für die Herstellung von Federn sowie in den Bereichen außerhalb der thermischen Bearbeitung.
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Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
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Dabei zeigen:
- 1 ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und
- 2 eine Teilansicht eines Beispiels eines Drahtführungselements, das in Bezug zu den zwei für die Vorschubbewegung eingesetzten Rädern angeordnet ist.
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Bei dem in 1 gezeigten Beispiel sind in einem Gehäuse 5 zwei Räder 1.1 und 1.2 für die Realisierung der Vorschubbewegung des drahtförmigen Werkstoffs 2 drehbar gelagert. Die Rotationsachsen weisen dabei senkrecht in die Zeichnungsebene hinein. Sie werden von einem nichtdargestellten Antriebsmotor bei diesem Beispiel über die zwei Getrieberäder 15.1 und 15.2 mit gleicher Drehzahl aber mit entgegengesetzter Drehrichtung angetrieben.
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Der drahtförmige Werkstoff 2 wird über eine nicht gezeigte Drahtzuführung durch eine rohrförmige Kapillare 13.1, die im ersten Drahtführungselement 3.1 ausgebildet ist, aus der Austrittsöffnung in den Spalt zwischen den radial äußeren Mantelflächen der Räder 1.1 und 1.2 zugeführt.
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Der drahtförmige Werkstoff 2 tritt über eine Eintrittsöffnung der rohrförmigen Kapillare 13.2, die im zweiten Drahtführungselement 3.2 ausgebildet ist, ein und kann durch diese in Richtung einer Bearbeitungszone gefördert werden. Die Vorschubbewegungsrichtung ist mit dem Pfeil verdeutlicht.
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Das erste Rad 1.1 ist im Gehäuse 5 fest fixiert, so dass sich seine Rotationsachse nicht verschieben lässt. Das zweite Rad 1.2 ist am Hebelarm 6 befestigt, der mit dem Drehgelenk (nicht erkennbar) im Bereich des zweiten Getrieberades 15.2 drehbar am Gehäuse 5 gelagert ist. Am Hebelarm 6 greift das Federelement 7 an und übt eine Druckkraft auf den Hebelarm 6 aus. Auf der gegenüberliegenden Seite des Hebelarmes 6 ist der Kraftangriffspunkt für die Mikrometerschraube als Feinantrieb 4 angeordnet. Durch Drehung an der Mikrometerschraube kann der Hebelarm 6 und damit auch das zweite Rad 1.2 bewegt werden. Das zweite Rad 1.2 kann dadurch senkrecht zur Vorschubbewegungsrichtung (x-Richtung) verschoben werden, wodurch das Spaltmaß zwischen den radial äußeren Mantelflächen der Räder 1.1 und 1.2 entsprechend angepasst wird. Dabei kann der jeweilige Außendurchmesser und eine gewünschte Einkerbtiefe von Kerben, die mit den Zähnen, die an der radial äußeren Mantelfläche der Räder 1.1 und 1.2 ausgebildet sind, an der äußeren Oberfläche des drahtförmigen Werkstoffs 2 ausgebildet werden, beeinflusst werden. Mit den Hebelverhältnissen kann ein Übersetzungsverhältnis der Bewegung des Kraftangriffspunktes und der Bewegung der Rotationsachse des zweiten Rades 1.2, wie es im allgemeinen Teil der Beschreibung erläutert worden ist, realisiert werden.
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Die beiden Drahtführungselemente 3.1 und 3.2 können mit den Führungseinheiten 8.1 und 8.2 sowie den Feinantrieben 9.1 und 9.2, die bei dem Beispiel ebenfalls Mikrometerschrauben sind, senkrecht zur Vorschubbewegungsrichtung des drahtförmigen Werkstoffs 2 verschoben werden, wodurch insbesondere die fluchtende Ausrichtung der Kapillaren 13.1 und 13.2, die in den Drahtführungselementen 3.1 und 3.2 ausgebildet sind und durch die der drahtförmige Werkstoff 2 gefördert wird, erreicht werden.
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An den Führungseinheiten 8.1 und 8.2 greift jeweils ein Federelement 12.1 und 12.2 an, mit dem eine Druckkraft gegen die jeweilige Führungseinheit 8.1 oder 8.2 in Richtung Feinantrieb 9.1 oder 9.2 ausgeübt werden kann, um die gewünschte Positionierung, Ausrichtung und Justierung der Kapillaren 13.1 bzw. 13.2 zu ermöglichen, auch wenn momentan mittels des jeweiligen Feinantriebs 9.1 bzw. 9.2 keine Verschiebungsbewegung der jeweiligen ersten oder zweiten Führungseinheit 8.1 bzw. 8.2 in die senkrecht in Richtung zur Vorschubbewegungsrichtung des drahtförmigen Werkstoffs 2 (X-Richtung) erfolgt.
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Für eine Bewegung der Führungseinheiten 8.1 und 8. 2 mit ihren jeweiligen Drahtführungselementen 3.1 und 3.2 in zur Vorschubbewegungsrichtung paralleler Richtung (Y-Richtung) ist an den Führungseinheiten 8.1 und 8.2 jeweils eine Führungsnut vorhanden, in die jeweils ein um eine Rotationsachse drehbares Exzenterelement 10.1 und 10.2 eingeführt ist. Durch Drehung eines der Exzenterelemente 10.1 bzw. 10.2 kann die jeweilige Führungseinheit 8.1 bzw. 8.2 und damit das entsprechende erste bzw. zweite Drahtführungselement 3.1 und 3.2 so bewegt werden, dass ein minimaler Abstand zwischen den Stirnflächen der Drahtführungselemente 3.1 und 3.2, die in Richtung der Räder 1.1 und 1.2 angeordnet sind, und den radial äußeren Mantelflächen des ersten und des zweiten Rades 1.1 und 1.2 eingehalten werden kann, was das Einfädeln des drahtförmigen Werkstoffs 2 in die Eintrittsöffnung der Kapillare, die durch das zweite Drahtführungselement 3.2 geführt ist, erleichtert und sicherer macht.
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Die Führungseinheiten 8.1 und 8.2 können nach erfolgreicher Justierung in Bezug zu den äußeren Mantelflächen der Räder 1.1 und 1.2 mit jeweils zwei Fixierelementen 11.1 bzw. 11.2 am Gehäuse 5 fixiert werden. Als Fixierelemente 11.1 bzw. 11.2 können die Feststellschrauben in einer Bohrung im Gehäuse 5 verschraubt werden.
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Dem in 2 gezeigten Teilausschnitt kann man entnehmen, dass ein in Richtung der Räder 1.1 und 1.2 weisendes stirnseitiges Ende (Außenkontur) beider Drahtführungselemente 3.1 und 3.2 sich in diese Richtung konisch verjüngend ausgebildet sein kann. Dadurch kann man beide Drahtführungselemente 3.1 und 3.2 noch näher berührungslos an die radial äußeren Mantelflächen der Räder 1.1 und 1.2 heranführen und so den Abstand zwischen der Austrittsöffnung für drahtförmigen Werkstoff 2 am ersten Drahtführungselement 3.1 und der Eintrittsöffnung am zweiten Drahtführungselement 3.2 (in 2 nicht gezeigt) auf ein Minimum verkürzen.
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Außerdem ist in 2 eine mögliche Ausbildung einer Kapillare 13.1 bzw. 13.2, die durch das jeweilige Drahtführungselement 3.1 bzw. 3.2 und durch die Kapillare 13.1 und 13.2 dann wieder drahtförmiger Werkstoff 2 gefördert wird, gezeigt. Dabei ist in einem Abstand zur Ein- und zur Austrittsöffnung für drahtförmigen Werkstoff 2 der Innendurchmesser bei kreisrundem oder mehreckigem drahtförmigem Werkstoff 2 bzw. die freie Querschnittsfläche der jeweiligen Kapillare 13.1 bzw. 13.2 vergrößert. In diesem Bereich der Kapillaren 13.1 und 13.2 kann eine Innenbeschichtung aus PTFE oder ein innen hohles Element 14 aus PTFE vorhanden sein. Durch ein hohles Element 14 kann dann der drahtförmige Werkstoff 2 mit verminderter Reibung durch die jeweilige Kapillare 13.1 bzw. 13.2 gefördert werden.
