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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schweißen mit einem drahtförmigen Zusatzwerkstoff und mindestens einem Laserstrahl. Solche Vorrichtungen zum stoffschlüssigen Verbinden von Werkstücken oder das Auftragsschweißen, die auch bei der additiven Fertigung eingesetzt werden können, sind prinzipiell bekannt.
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Unter den Begriff drahtförmig sollen auch Bänder eines Zusatzwerkstoffs fallen, die nicht vollständig eine konvexe Oberfläche ihrer äußeren Mantelfläche aufweisen. Es können auch gefüllte Zusatzwerkstoffe, z.B. Fülldrähte, eingesetzt werden.
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Das Schweißen von Bauteilen und die darauf aufbauende additive Fertigung mittels sogenannter Direct Energy Deposition Verfahren ist seit vielen Jahren Stand der Technik. In den letzten Jahren sind hier verstärkt laserbasierte Anwendungen hinzugekommen, bei denen der Drahtwerkstoff entweder seitlich oder koaxial zur jeweiligen Energiequelle zugeführt werden kann.
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Ein grundlegendes Problem bei drahtbasierten Schweißverfahren besteht darin, dass die Drahtposition gerade bei laserbasierten Prozessen exakt definiert sein muss, da es sonst zum Zurückbrennen (zu wenig Draht) oder zum Stauchen (zu viel Draht) des Drahtes kommt. Das Problem besteht zum einen bei Prozessbeginn beim Einpositionieren des Drahtes und Starten des Prozesses. Der Draht muss, um den Prozess optimal starten zu können, initial auf das Bauteil oder eine bestimmte Oberfläche eines Bauteils positioniert werden. Zum anderen besteht auch während des Prozesses das Problem, dass die jeweilige Position der Drahtspitze in Bezug zum Bauteil oder der jeweiligen Oberfläche eines Bauteils bestimmt werden muss, um Energie- und Drahtzufuhr optimal aufeinander abstimmen zu können, da es ansonsten aufgrund von Prozessunregelmäßigkeiten bspw. Variation des Prozessabstandes zum Stauchen des Drahtes kommen kann. Dies kann zu einem Ausknicken des Drahtes und damit zu Prozessabbruch (sog. Drahtstau) führen.
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Das Ziel sollte es daher sein, Möglichkeiten zu entwickeln, mit denen eine Positionierung des Drahtes zu Beginn über ein Signal ermöglicht wird, sobald der Draht auf dem Werkstück aufsitzt. Zudem sollte ein Stauchen bzw. eine zu große Kraft auf den Draht in Richtung Werkstück oder eine Oberfläche vermieden werden, da diese zum Ausknicken des Drahtes führen kann.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, zum einen eine exakte Führung des drahtförmigen Zusatzwerkstoffs zu ermöglichen, zum anderen aber gleichzeitig den Vorschub des drahtförmigen Zusatzwerkstoffs so zu beeinflussen, dass seine in Richtung eines zu schweißenden Werkstück weisende Spitze optimal positioniert und die Spitze mit einer geeigneten Kraftwirkung dorthin bewegt wird.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Vorrichtung, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen können mit in abhängigen Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Schweißen mit einem drahtförmigen Zusatzwerkstoff und mindestens einem Laserstrahl, die auf eine Oberfläche mindestens eines zu bearbeitenden Werkstücks ausgerichtet sind, ist ein Drahtvorschubantrieb vorhanden, mit dem der drahtförmige Zusatzwerkstoff in Richtung der Oberfläche des Werkstücks gefördert wird. Dabei ist am Drahtvorschubantrieb und/oder dem drahtförmigen Zusatzwerkstoff mindestens ein mechanisches Federelement angeordnet. Allein oder zusätzlich dazu kann es auch dort angreifen, so dass mit dem mindestens einen mechanischen Federelement eine definierte Druckkraftwirkung auf die Oberfläche des Werkstücks ausübbar ist.
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Allein oder zusätzlich zu einem mechanischen Federelement kann auch mindestens ein Kraftmesssensor oder Endlagenschalter, mit dem eine definierte Druckkraftwirkung in Richtung auf die jeweilige Werkstückoberfläche ausgeübt werden kann, entsprechend angeordnet sein. Der mindestens eine Kraftmesssensor oder Endlagenschalter kann in einem Fördersystem für den drahtförmigen Zusatzwerkstoff integriert sein. Mit Messsignalen des mindestens einen Kraftmesssensors oder Endlagenschalters kann man eine Regelung des Vorschubs des drahtförmigen Zusatzwerkstoffs erreichen.
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An der Vorrichtung kann auch ein Messsystem in einen Regelkreis integriert sein, mit dem ein Ausknicken (Verbiegen) des drahtförmigen Zusatzwerkstoffs detektiert werden kann, wenn der drahtförmige Zusatzwerkstoff gegen die Oberfläche des Werkstücks bei seiner Vorschubbewegung gedrückt wird. Mit dem Messsystem erfasste Messsignale können für eine Regelung dem Regelkreis zur Verfügung gestellt werden. Dazu kann mindestens ein Sensor Bestandteil des Messsystems sein, mit dem ein Ausknicken (eine Verbiegung) des drahtförmigen Zusatzwerkstoffs bei einer Berührung des Sensors oder berührungslos detektiert werden kann.
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Beim Auftragsschweißen kann die Druckkraftwirkung, zumindest zu Beginn, auch auf die Oberfläche des zu beschichtenden Werkstücks ausgeübt werden. Nach der Ausbildung mindestens einer Schicht auf dem Werkstück kann die Druckkraft dann konstant auf jeweilige bereits aufgetragene Schichten, mit denen ein Werkstück hergestellt werden soll, ausgeübt werden.
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Als mechanisches Federelement kann man beispielsweise eine Blattfeder, eine Schraubenfeder oder eine Torsionsfeder einsetzen, die dann an einer Seite starr, beispielsweise an einem Gehäuse der Vorrichtung, befestigt werden kann. Die andere Seite kann dann direkt am drahtförmigen Zusatzwerkstoff angreifen.
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Bevorzugt ist jedoch zwischen dieser Seite des Federelements und dem drahtförmigen Zusatzwerkstoff mindestens ein Drehmomentübertragungselement angeordnet, mit dem die Kraftwirkung des Federelements auf den drahtförmigen Zusatzwerkstoff übertragen werden kann. Dazu kann ein Drehmomentübertragungselement einen Hebel oder eine Hebelsystem sein, mit dem eine Übersetzung und damit eine Erhöhung der detektierbaren Kraft erreicht werden kann.
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Bevorzugt sollte ein mechanisches Federelement eine lineare Federkennlinie aufweisen, so dass eine gleichmäßige Kraftwirkung dauerhaft eingehalten werden kann.
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Alternativ oder zusätzlich sollte die Kraftübertragung von mindestens einem mechanischen Federelement auf den drahtförmigen Zusatzwerkstoff so erfolgen, dass ein definiertes Maß an Schlupf bei der Förderbewegung des drahtförmigen Zusatzwerkstoffs zugelassen ist. In diesem Fall bietet es sich an, ein Drehmomentübertragungselement zur Übersetzung der Federkraft einzusetzen, mit dem ein Schlupf über die erreichbare Haftreibung erreicht werden kann, wenn eine Federkraft mit Unterstützung eines Drehmomentübertragungselements übertragen wird, wenn die Federkraft am Drehmomentenübertragungselement an einer Position angreift und das Drehmomentenübetragungselement an einer anderen Position diese Druckkraft, die auf den drahtförmigen Zusatzwerkstoff wirkt, überträgt. Ein Schlupf sollte immer dann auftreten, wenn trotz aller Maßnahmen die in die entsprechende Richtung weisende Spitze des drahtförmigen Zusatzwerkstoffs in Kontakt mit der Oberfläche des Werkstücks bzw. der Oberfläche einer Bauplattform, wie sie bei der additiven Fertigung eingesetzt wird, gelangt und mittels des Schlupfes eine zu große Kraftwirkung und insbesondere ein Abknicken des drahtförmigen Zusatzwerkstoffs vermieden werden kann.
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Schlupf sollte erst nach Überschreitung eines vorgegebenen Schwellwertes der Druckkraftwirkung zugelassen sein.
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Ein Drehmomentübertragungselement kann beispielsweise eine um eine Achse drehbare Rolle oder ein um mindestens zwei Rollen umlaufendes Band sein, die bzw. das gegen einen Bereich der äußeren Mantelfläche gedrückt wird und zusätzlich die Federkraftwirkung des mechanischen Federelements auf den drahtförmigen Zusatzwerkstoff überträgt. Dabei kann mit der Anpresskraft des Federelements gegen den drahtförmigen Zusatzwerkstoff, der Größe der Berührungsflächen von drahtförmigen Zusatzwerkstoff und Drehmomentübertragungselement unter Berücksichtigung des Haftreibwertes der Schlupf beeinflusst werden.
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Dabei kann diametral gegenüberliegend zum Kraftangriff des Drehmomentübertragungselements ein Widerlager vorhanden sein, an dem sich der drahtförmige Zusatzwerkstoff abstützt. Es besteht aber auch die Möglichkeit, dass dort ein weiteres Drehmomentübertragungselement angeordnet ist, an dem das mindestens eine oder ein weiteres mechanisches Federelement angreift. Ein weiteres mechanisches Federelement sollte dabei eine gleiche Federcharakteristik aufweisen und gleichwirkend wie dieses sein. Es können auch mehrere Drehmomentübertragungselemente über den Umfang des drahtförmigen Zusatzwerkstoffs verteilt angeordnet und von dem/den Federelement(en) beeinflusst sein.
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Eine Kraftregelung zum Einstellen des Anpressdruckes kann über ein in eine Regelung integriertes Messsystem erfolgen, bei der der jeweilige Anpressdruck kontinuierlich gemessen und innerhalb von vorab festgelegten Grenzwerten geregelt werden kann. Über- oder unterschreitet das System die Regelgrenzen, kann eine Abschaltung des Systems bzw. eine Anpassung der Prozessparameter erfolgen, um regulierend eingreifen zu können.
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Die Spitze des drahtförmigen Zusatzwerkstoffs sollte mit einer Druckkraft im Bereich 1 N bis 100 N auf die jeweilige Oberfläche wirken. Dabei kann ein Drehmoment mittels des mechanischen Federelements am drahtförmigen Zusatzwerkstoff im Bereich 0 Nm bis 1,5 Nm wirken.
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Vorteilhaft kann die Vorschubbewegung des drahtförmigen Zusatzwerkstoffs in Abhängigkeit der elektrischen Leistung des Drahtvorschubantriebs mittels mindestens eines Kraftmesssensors, einer sich entgegengesetzt zur Druckkraftwirkung, die auf den drahtförmigen Zusatzwerkstoff mittels des mindestens einen mechanischen Federelements ausgeübt wird, wirkenden Kraft, der momentanen Auslenkung des mindestens einen mechanischen Federelements, der bevorzugt berührungslos erfassten Position der Spitze des drahtförmigen Zusatzwerkstoffs, die in Richtung der jeweiligen zu bearbeitenden Oberfläche weisend angeordnet ist, oder mittels einer entsprechend ausgebildeten elektronischen Regeleinheit regelbar sein.
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Die Erfassung der Position der Spitze des drahtförmigen Zusatzwerkstoffs kann beispielsweise mit einem Kamerasystem und/oder einem elektrischen Kontakt, bei dem die Spitze des drahtförmigen Zusatzwerkstoffs das Werkstück berührt und einen elektrischen Kurzschluss auslöst, der einfach detektiert werden kann, erfolgen.
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Die erfasste momentane Position kann als Regelgröße für den Drahtvorschubantrieb genutzt werden, wie dies auch mit den anderen vorab genannten Regelgrößen möglich ist.
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Es kann/können auch mindestens ein Endanschlag, mit dem die minimale oder die maximale Auslenkbewegung des mindestens einen mechanischen Federelements begrenzt ist und/oder mindestens ein Sensor zur Erfassung der momentanen Auslenkbewegung des mindestens einen Federelements vorhanden sein. Ein dazu einsetzbarer Sensor kann beispielsweise ein Kontaktsensor, ein Abstandssensor, insbesondere auf induktiver oder kapazitiver Basis, ein optischer Sensor, beispielsweise ein Photodetektor oder ein solches Detektorarray, mit dem eine elektronische Bildauswertung erfolgen kann, sein. Eine berührungslose Positionsbestimmung der Spitze sollte von der Seite also in einem Winkel ungleich 0 ° in Bezug zur mittleren Längsachse der Vorschubbewegung des drahtförmigen Zusatzwerkstoffs erfolgen. Bevorzugt ist dabei ein Winkel zwischen 25 ° und 175 ° in Bezug zu dieser Richtung.
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Mit einer Begrenzung des maximalen Federwegs kann auch vermieden werden, dass es zum Stauchen kommt.
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Mit einer Regelung kann die Vorschubbewegung, die mit dem Drahtvorschubantrieb erreicht wird, so verbessert werden, dass drahtförmiger Zusatzwerkstoff während des Schweißprozesses so nachgeführt wird, dass die Menge an abgeschmolzenem Zusatzwerkstoff ausgeglichen werden kann, und die Spitze des drahtförmigen Zusatzwerkstoffs in der optimalen Position gehalten werden kann, während der Schweißprozess weiter durchgeführt wird.
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Damit kann man die maximale Auslenkung des Federelements erfassen und ggf. den Förderprozess des drahtförmigen Zusatzwerkstoffs unterbrechen bzw. eine Fehlermeldung ausgeben oder in die Regelung des Vorschubs des drahtförmigen Zusatzwerkstoffs eingreifen. Bei einem Eingriff in die Regelung kann beispielsweise die Vorschubgeschwindigkeit des drahtförmigen Zusatzwerkstoffs angepasst werden, um beispielsweise die Spitze des drahtförmigen Zusatzwerkstoffs im Einflussbereich des mindestens einen Laserstrahls für ein optimales Abschmelzen zu positionieren und ein Stauchen des drahtförmigen Zusatzwerkstoffs an der jeweiligen mit ihm bearbeiteten Oberfläche und damit ein Abknicken zu vermeiden.
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Es kann auch gesichert werden, dass der Abstand der Spitze des drahtförmigen Zusatzwerkstoffs zur jeweiligen zu bearbeitenden Oberfläche nicht zu groß ist bzw. die Spitze im Bereich des gewählten Arbeitspunktes, beispielsweise ober- oder unterhalb der Brennpunktebene eines Laserstrahls oder dem mit der Laserstrahlung ausgebildeten Ringbereich um den drahtförmigen Zusatzwerkstoff, dauerhaft angeordnet werden kann.
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Die Flexibilität beim Einsatz kann dadurch erhöht werden, wenn das mindestens eine Federelement gegen ein Federelement mit davon abweichender Federcharakteristik austauschbar ist. Dadurch kann man die auf den drahtförmigen Zusatzwerkstoff ausgeübte Kraftwirkung an den jeweiligen drahtförmigen Zusatzwerkstoff und/oder einen Schweißprozess anpassen. So besteht die Möglichkeit, eine größere Federkraft wirken zu lassen, wenn während der Bearbeitung mehr Zusatzwerkstoff pro Zeit mit dem mindestens einen Laserstrahl abgeschmolzen wird. Umgekehrt kann man verfahren, wenn weniger Zusatzwerkstoff pro Zeit abgeschmolzen werden soll.
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Diese vorteilhafte Wirkung kann man auch dadurch erreichen, indem das mindestens eine mechanische Federelement mit einer Vorspanneinrichtung versehen oder damit verbunden ist. Dadurch kann die jeweils am drahtförmigen Zusatzwerkstoff in Richtung Oberfläche des Werkstücks oder der Bauplattform wirkende Druckkraftwirkung verändert und an den Bedarf angepasst werden.
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Die Erfindung ermöglicht es, eine konstante Druckkraft des drahtförmigen Zusatzwerkstoffes auf das Werkstück bzw. ein Bauteil sicherzustellen, um somit ein unkontrolliertes Abknicken bzw. Zurückbrennen des drahtförmigen Zusatzwerkstoffes effektiv zu vermeiden. Dadurch kann die Qualität in der Prozessbearbeitung deutlich erhöht werden. Es können auch ggf. auftretende Schwankungen der Vorschubbewegung des drahtförmigen Zusatzwerkstoffs ausgeglichen bzw. kompensiert werden. Darüber hinaus kann somit auch auf die Änderungen des Prozessabstandes im Prozess regelnd eingegriffen werden, in dem die Drahtspitze stets optimal zum Bauteil geführt wird.
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Als möglicher Arbeitsweg (Regelbereich) können Grenzen im Bereich 0,5 mm - 50 mm festgelegt werden. Der dabei betrachtete bzw. eingesetzte Drahtdurchmesser bzw. seine Flächendiagonale kann zwischen 0,2 mm bis 2,5 mm betragen.
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Während des Prozesses kann der Draht mit einer Vorschubgeschwindigkeit im Bereich zwischen 0,2 m/min bis 6 m/min gefördert werden. Zum Aufschmelzen des Drahtes können je nach Drahtdurchmesser bzw. Querschnittsflächengröße und Drahtvorschubgeschwindigkeit Laserleistungen zwischen 10 W und mehreren kW eingesetzt werden
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Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
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Dabei zeigen:
- 1 in schematischer Darstellung den Aufbau einer Vorrichtung zum Schweißen mit drahtförmigem Zusatzwerkstoff;
- 2 in schematischer Form eine Möglichkeit zur Beeinflussung der Vorschubbewegung eines drahtförmigen Zusatzwerkstoffs und
- 3 eine weitere Möglichkeit zur Beeinflussung der Vorschubbewegung eines drahtförmigen Zusatzwerkstoffs.
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In 1 ist in stark schematisierter Form eine Vorrichtung gezeigt, die zum Schweißen mit drahtförmigem Zusatzwerkstoff 1 geeignet ist. Dabei wurde auf die Darstellung mindestens eines Laserstrahls verzichtet.
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Der drahtförmige Zusatzwerkstoff 1 wird über ein Fördersystem 2 mit einem Drahtvorschubantrieb einem Schweißkopf 3 und durch diesen in Richtung einer ebenfalls nicht gezeigten Werkstückoberfläche gefördert und dabei Zusatzwerkstoff an der in Richtung Werkstückoberfläche weisenden Spitze des drahtförmigen Zusatzwerkstoffs 1 abgeschmolzen.
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Die Vorschubbewegung des drahtförmigen Zusatzwerkstoffs 1 wird mit einem Messsystem 4 überwacht. Messsignale des Messsystems 4 werden dann für eine Regelung des Drahtvorschubantriebs genutzt, um den drahtförmigen Zusatzwerkstoff 1 mit seiner Spitze optimal in Richtung der jeweiligen Werkstückoberfläche zu bewegen, so dass ein definiertes Abschmelzen erreicht werden kann.
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2 zeigt ein Beispiel eines Messystems 4 durch das drahtförmiger Zusatzwerkstoff 1 in Richtung einer jeweiligen Werkstückoberfläche bewegt werden kann. Dabei wird der drahtförmige Zusatzwerkstoff 1 durch eine Führung 4.1 bewegt an der mindestens ein mechanisches Federelement 5 angreift und eine Druckkraftwirkung über die Führung 4.1 in Richtung der Werkstückoberfläche auf den drahtförmigen Zusatzwerkstoff 1 ausübt, die über die Führung 4.1 übertragen wird. Nach dem Austreten des drahtförmigen Zusatzwerkstoffs 1 aus der Führung 4.1 wird der drahtförmige Zusatzwerkstoff 1 durch eine Öffnung, die düsenförmig ausgebildet sein kann, in Richtung Werkstück gefördert. Die Öffnung ist so gestaltet und dimensioniert, dass der drahtförmige Zusatzwerkstoff 1 zumindest nahezu ungehindert durch die Öffnung gefördert werden kann, wohingegen der drahtförmige Zusatzwerkstoff 1 innerhalb der Führung 4.1 mit dieser so in Kontakt steht, dass ein ausreichend großes Maß an Haftreibung auftritt. Wird der drahtförmige Zusatzwerkstoff 1 gestaucht, wirkt eine Kraft ausgehend vom drahtförmigen Zusatzwerkstoff 1 auf die Führung 4.1 in Richtung der vom jeweiligen Werkstück wegweisenden Richtung. Die von der Führung 4.1 auf die Feder 5 oder mehrere Federn 5, die entsprechend an der Führung 4.1 wirkt. So kann eine Relativbewegung zwischen der Führung 4.1 und mindestens einem Sensor 6 am Messsystem 4 auftreten, die man mit dem Sensor 6 erfassen und für die Regelung nutzen kann. Dabei kann es sich bei dem Sensor 6 um einen Wegmesssensor bzw. einen Kraftmesssensor oder einen Endlagenschalter handeln.
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Der Sensor 6 kann in das Messsystem 4 integriert sein.
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Ist der Sensor 6 ein Kraftmesssensor, kann er eine Druckkraft senkrecht in Bezug zur mittleren Längsachse des drahtförmigen Zusatzwerkstoffs 1 bestimmen, wie sie bei einem Ausknicken auftreten kann. Eine solche Möglichkeit ist in 3 schematisch dargestellt. Alternativ kann der Sensor 6 ein Endlagenschalter sein, welcher das maximale oder minimale Ausknicken des Drahtes registriert.
