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Die Erfindung betrifft eine Konvektionseinrichtung für einen Werktisch, einen Werktisch mit einer solchen Konvektionseinrichtung für ein Bearbeitungszentrum, ein Bearbeitungszentrum mit einem solchen Werktisch zum Beschichten eines Werkstücks, sowie einen Kühlverfahren für ein Werkstück.
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In vielen Bearbeitungszentren, vor allem solche zum Laserauftragsschweißen, findet ein hoher Wärmeeintrag in das Werkstück statt, welcher in herkömmlichen Bearbeitungszentren bisher nur unzureichend berücksichtigt ist. Diesseits wurde festgestellt, dass die Temperatur des Werkstücks einen erheblichen Einfluss auf die erzielbare Qualität der Bearbeitung hat. Es ist daher anzustreben, für eine Kühlung zu sorgen. Bei vielen Bearbeitungszentren wird bisher flüssig gekühlt, wobei die Flüssigkeit auf der bearbeiteten Oberfläche aufgebracht wird und somit die Prozessparameter beeinflusst. Bei spanender Bearbeitung ist ein Vorteil der Flüssigkühlung, dass damit zugleich Späne gut abführbar sind. Bei anderen Bearbeitungsverfahren, beispielsweise Laserauftragsschweißen, ist eine flüssige Kühlung auf der Bearbeitungsseite nicht möglich und zudem eine nasse Bearbeitung des Werkstücks nicht erwünscht.
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Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zumindest teilweise zu überwinden. Die erfindungsgemäßen Merkmale ergeben sich aus den unabhängigen Ansprüchen, zu denen vorteilhafte Ausgestaltungen in den abhängigen Ansprüchen aufgezeigt werden. Die Merkmale der Ansprüche können in jeglicher technisch sinnvollen Art und Weise kombiniert werden, wobei hierzu auch die Erläuterungen aus der nachfolgenden Beschreibung sowie Merkmale aus den Figuren hinzugezogen werden können, welche ergänzende Ausgestaltungen der Erfindung umfassen.
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Die Erfindung betrifft eine Konvektionseinrichtung für einen Werktisch mit einer Werkstückaufnahme für ein Bearbeitungszentrum, aufweisend zumindest die folgenden Komponenten:
- - einen Einlasskanal für transportierbares Temperierfluid;
- - eine Fördereinheit zum aktiven Transportieren von einem Temperierfluid durch den Einlasskanal;
- - einen Auslasskanal für ein über den Einlasskanal mittels der Fördereinheit transportiertes Temperierfluid.
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Die Konvektionseinrichtung ist vor allem dadurch gekennzeichnet, dass im Einsatz bezogen auf eine Werkstückaufnahme der Einlasskanal werkstückabgewandt und der Auslasskanal werkstückzugewandt angeordnet ist.
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Es wird im Folgenden auf die genannte Rotationsachse Bezug genommen, wenn ohne explizit anderen Hinweis die axiale Richtung, radiale Richtung oder die Umlaufrichtung und entsprechende Begriffe verwendet werden. In der vorhergehenden und nachfolgenden Beschreibung verwendete Ordinalzahlen dienen, sofern nicht explizit auf das Gegenteilige hingewiesen wird, lediglich der eindeutigen Unterscheidbarkeit und geben keine Reihenfolge oder Rangfolge der bezeichneten Komponenten wieder. Eine Ordinalzahl größer eins bedingt nicht, dass zwangsläufig eine weitere derartige Komponente vorhanden sein muss.
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Hier ist eine Konvektionseinrichtung für einen Werktisch eines Bearbeitungszentrums vorgeschlagen, bei welchem ein in der Werkstückaufnahme des Werktischs aufgenommenes Werkstück mittels eines Temperierfluids, welches über einen Einlasskanal eingefördert und einen Auslasskanal ausgefördert wird, temperierbar ist. Der Einlasskanal ist dabei dem Werkstück abgewandt angeordnet und der Auslasskanal dem Werkstück zugewandt angeordnet, sodass also eine unmittelbare Temperierung zwischen dem der Temperierfluid und dem Werkstück einzig über den Auslasskanal ermöglicht ist. Bei einer Ausführungsform ist der Auslasskanal einzig dann (werkstückseitig) verschlossen, wenn ein Werkstück in der Werkstückaufnahme aufgenommen ist, sodass das Temperierfluid unmittelbar an einer Oberfläche des aufgenommenen Werkstücks entlang strömt. Alternativ ist der Auslasskanal hin zu dem Werkstück verschlossen und eine Temperierung findet über Wärmeleitung zwischen dem Werkstück und der entsprechenden Wandung des Auslasskanals statt.
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Mittels der Fördereinheit, beispielsweise einer Pumpe beziehungsweise einem Verdichter, wird das Temperierfluid, beispielsweise Luft oder Wasser (beziehungsweise eine ÖI-Wasser-Emulsion), über den Einlasskanal und den Auslasskanal von einem Einlass zu einem Auslass hin transportiert.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Auslasskanal (und bevorzugt auch der Einlasskanal) rückseitig des Werkstücks (bezogen auf die zu bearbeitende Oberfläche des Werkstücks) angeordnet, und somit die Konvektionseinrichtung außerhalb eines Bearbeitungsbereichs angeordnet.
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Es sei darauf hingewiesen, dass die Fördereinheit in einer Ausführungsform ein Anschluss an eine Fördereinrichtung ist, also die Konvektionseinrichtung bei einer solchen Ausführungsform kein Element umfasst, mit welchem aktiv das Temperierfluid transportierbar ist. In einer Ausführungsform ist die Fördereinheit eine Strahlpumpe, welche von einer externen Fördereinrichtung mit einem Differenzdruck versorgt ist. In einer Ausführungsform ist die Fördereinheit ein Anschluss, an welchen ein Leitungssystem anschließbar ist, in welchem das Temperierfluid aktiv gefördert ist. In einer Ausführungsform ist die Fördereinheit ein Einlass des Einlasskanals beziehungsweise umgekehrt ein Auslass des Auslasskanals, welcher in einem Gasstrom (bevorzugt Luftstrom) angeordnet ist, sodass das Gas über den Einlass in den Einlasskanal gedrückt beziehungsweise über den Auslass aus dem Auslasskanal gesaugt wird.
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Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform der Konvektionseinrichtung vorgeschlagen, dass die Fördereinheit zumindest ein Schaufelrad zum Fördern jeweils von Luft oder Wasser umfasst,
wobei bevorzugt im Einsatz zumindest eines der Schaufelräder koaxial zu einer Rotationsachse einer Werkstückaufnahme angeordnet ist.
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Hier ist vorgeschlagen, dass die Fördereinheit zumindest ein Schaufelrad umfasst, mit welchem Luft oder Wasser transportierbar ist, wobei in dieser Ausführungsform die Fördereinheit ein Schaufelrad für Luft und/oder ein Schaufelrad für Wasser als jeweiliges Temperierfluid umfasst. Alternativ ist zumindest eins der zwei Temperierfluide mittels einer externen Fördereinrichtung (beispielsweise einer Pumpe eines externen Kühlmittelkreislaufs) gefördert.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist zumindest eines der Schaufelräder koaxial zur Rotationsachse der Werkstückaufnahme angeordnet, wobei hier eine Werkstückaufnahme für ein rotierbares (beispielsweise rotationssymmetrisches) Werkstück eingerichtet ist. Das Schaufelrad umfasst beispielsweise einen Propeller für einen Lufttransport mit einem zentralen Durchgang für eine Welle der Werkstückaufnahme. In einer Ausführungsform ist das koaxial angeordnete Schaufelrad für ein Transportieren von dem Temperierfluid von radial seitlich einströmend und umlenkend nach axial parallel zur Rotationsachse des Temperierfluid eingerichtet.
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Es sei darauf hingewiesen, dass in einer Ausführungsform das Schaufelrad nicht zum Zutransportieren und Abtransportieren von einem Temperierfluid außerhalb des Werktischs oder sogar außerhalb der Werkstückaufnahme eingerichtet ist, sondern lediglich zum Zirkulieren von einem mehr oder weniger festen Volumen eines Temperierfluid, wobei durch die Bewegung eine verbesserte Durchmischung und damit ein verbesserter Wärmübergang geschaffen ist. Dabei ist bei beispielsweise kurzen Bearbeitungsphasen und relativ dazu langen Abkühlphasen eine Wärmekapazität des Volumens des Temperierfluids für die Bearbeitungsphase ausreichend groß, um die Abwärme in ausreichendem Maße aufzunehmen, und die Abkühlphase bei auslegungsgemäßer Umgebungstemperatur ausreichend lang, um das Temperierfluid zumindest wieder auf die gewünschte maximale Vor-Temperatur zu bringen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird über den Einlasskanal ein Temperierfluid von außen (beispielsweise Luft) und über den Auslasskanal das Abwärme abführende Temperierfluid (beispielsweise Luft) abtransportiert. Das Temperierfluid ist mittels der Umgebung (beispielsweise mittels eines Luft-Wärmetauschers) gekühlt oder das Temperierfluid selbst ist Frischluft aus der Umgebung.
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Es sei darauf hingewiesen, dass die Fördereinheit in einer vorteilhaften Ausführungsform sowohl zum Transport von Luft als auch zum Transport von Wasser eingerichtet ist, wobei bevorzugt die Luft und das Wasser im Wärmeaustausch zueinander stehen.
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Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform der Konvektionseinrichtung vorgeschlagen, dass die Fördereinheit eine Antriebsmaschine zum Bereitstellen eines Drehmoments zum Transportieren von einem Temperierfluid umfasst, wobei bevorzugt im Einsatz die Antriebsmaschine zugleich zum Rotieren eines in der Werkstückaufnahme aufgenommenen Werkstücks eingerichtet ist.
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Hier ist vorgeschlagen, dass die Fördereinheit nicht über eine externe, sondern eine eigene Antriebsmaschine verfügt, welche zum Bereitstellen eines Drehmoments eingerichtet ist. Mittels dieses Drehmoments ist, beispielsweise mittels eines Schaufelrads, einer Pumpe und/oder einem Verdichtet das Temperierfluid transportierbar. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Antriebsmaschine koaxial zu einem Schaufelrad und besonders bevorzugt zu einer Rotationsachse einer Werkstückaufnahme, wie oben beschrieben, vorgesehen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Antriebsmaschine zugleich zum Rotieren einer rotierbaren Werkstückaufnahme beziehungsweise eines rotierbaren Werkstücks eingerichtet. Die Werkstückaufnahme ist beispielsweise ein Aufnahmefutter für ein Werkstück, beispielsweise wie bei einer Drehmaschine ausgeführt, und die Antriebsmaschine ist für die Werkzeugwelle eingerichtet, wobei damit zugleich das Temperierfluid transportierbar ist. Beispielsweise wird (bevorzugt über ein Getriebe, beispielsweise gegenläufig und/oder mit einer abweichenden Geschwindigkeit) ein koaxiales Schaufelrad angetrieben. Damit ist ein oftmals ohne zusätzlichen erforderlichen Bauraum erzeugtes beziehungsweise erzeugbares Überschussdrehmoments für die Fördereinheit nutzbar.
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Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform der Konvektionseinrichtung vorgeschlagen, dass der Einlasskanal und der Auslasskanal von einer gemeinsamen Trennwand voneinander separiert sind,
wobei bevorzugt die Trennwand zum Aufnehmen von Wärmestrahlung von einem im Einsatz in Sichtkontakt mit der Trennwand angeordneten Bereich eines in der Werkstückaufnahme aufgenommenen Werkstücks eingerichtet ist, und/oder wobei bevorzugt die Trennwand im Einsatz mit einem Werktisch fest verbunden ist.
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Hier ist eine Trennwand zwischen dem Einlasskanal und dem Auslasskanal vorgesehen, sodass der Einlasskanal und der Auslasskanal mit geringer Bauraumforderung ausführbar sind. Alternativ oder zusätzlich ist in einer vorteilhaften Ausführungsform die Trennwand zum Leiten von Wärme zwischen dem Temperierfluid in dem Einlasskanal und dem Temperierfluid in dem Auslasskanal und somit eine Gegenstromtemperierung erzielt. Bevorzugt ist zu diesem Zweck die Trennwand dünn (beispielsweise unterhalb von 5 mm [fünf Millimeter], bevorzugt unterhalb von 2 mm) und/oder aus einem gut wärmeleitenden Material (beispielsweise umfassend Stahl, Aluminium, Kupfer und/oder einer metallischen Legierung) gebildet.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Trennwand zudem zum Aufnehmen von Wärmestrahlung von dem Werkstück eingerichtet, sodass zusätzlich zu einer konvektiven Kühlung eine Strahlungskühlung erreicht ist, wobei mittels der Trennwand selbst oder eben über das Temperierfluid diejenige in die Trennwand eingetragene Strahlungswärme abführbar ist.
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Bei einer Ausführungsform mit langen Zwischenphasen (ohne Wärmeeintrag infolge einer Bearbeitung eines Werkstücks) und/oder einem Wunsch nach einer dauerhaften Temperierung eines Werkstücks ist es vorteilhaft, die Trennwand besonders dick (beispielsweise mindestens 5 mm [fünf Millimeter], bevorzugt mehr als 10 mm) auszuführen und/oder mit einer hohen Wärmekapazität auszuführen (beispielsweise umfassend Stahl, Aluminium, Kupfer und/oder einer metallischen Legierung). Von der Trennwand aufgenommene Wärmeenergie ist dann an das Temperierfluid abgebbar und/oder unmittelbar an ein aufgenommenes Werkstück abstrahlbar und somit ein Werkstück für einen Prozess vorwärmbar.
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Alternativ ist die Abwärme im Prozess von einer ausreichend großen Wärmekapazität der Trennwand aufnehmbar und ausreichend schnell außerhalb der Bearbeitungszeit wieder abführbar, sodass für die nächste Bearbeitungsdauer die Trennwand wieder mit ausreichender Wärmekapazität zur Verfügung steht.
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Es sei darauf hingewiesen, dass mit Sichtkontakt die Verwendung der Konvektionseinrichtung nicht darauf beschränkt ist, dass es sich bei der Wärmestrahlung um sichtbare Strahlung handelt, sondern vor allem um Infrarotstrahlung, welche in einem für das menschliche Auge nicht sichtbaren Bereich liegt.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Trennwand mit dem Werktisch fest verbunden, wobei in einer bevorzugten Ausführungsform die Werkstückaufnahme und/oder das aufgenommene Werkstück relativ zu dem Werktisch oder mit dem Werktisch rotierbar ist. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist die Trennwand mittels Stegen mit dem Werktisch fest verbunden, wobei zwischen den Stegen der Einlasskanal gebildet ist. In einer Ausführungsform ist auch auslasskanalseitig, also werkstückseitig, eine Mehrzahl von Stegen vorgesehen, wobei in einer Ausführungsform zwischen den Stegen der Auslasskanal gebildet ist, welcher bevorzugt werkstückseitig offen ist.
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Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform der Konvektionseinrichtung vorgeschlagen, dass die Trennwand über eine interne Temperierleitung mittels eines flüssigen Temperierfluids temperierbar ist,
wobei bevorzugt im Einsatz in einer Förderrichtung für das flüssige Temperierfluid die Temperierleitung zunächst werkstückseitig und anschließend einlasskanalseitig verlaufend gebildet ist.
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Hier ist vorgeschlagen, dass die Trennwand zudem gekühlt ist, indem über eine interne Kühlleitung ein flüssiges Temperierfluid gefördert wird. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist hierbei auch eine Eingangsleitung und eine Ausgangsleitung vorgesehen, wobei die Eingangsleitung bevorzugt auslasskanalseitig und die Ausgangsleitung einlasskanalseitig angeordnet ist. Hierdurch ist eine Gegenlaufkühlung erzielbar.
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Es sei darauf hingewiesen, dass die Trennwand in einer vorteilhaften Ausführungsform, beispielsweise zum Vorwärmen eines Werkstücks zudem mittels des flüssigen Temperierfluids erwärmbar ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Werktisch für ein Bearbeitungszentrum vorgeschlagen, aufweisend zumindest die folgenden Komponenten:
- - eine Werkstückaufnahme zum Aufnehmen eines rotierbaren Werkstücks;
- - eine Antriebsmaschine zum Rotieren eines in der Werkstückaufnahme aufgenommenen Werkstücks; und
- - eine Konvektionseinrichtung nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung,
wobei mittels der Fördereinheit ein Temperierfluid über den Einlasskanal hin zu einem in der Werkstückaufnahme aufgenommenen Werkstück und über einen Auslasskanal weg von diesem Werkstück transportierbar ist,
wobei bevorzugt die Fördereinheit mittels der Antriebsmaschine zum Rotieren des in der Werkstückaufnahme aufgenommenen Werkstücks betreibbar ist.
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Der hier vorgeschlagene Werktisch ist beispielsweise wie vorhergehend beschrieben ausgeführt, wobei hier die Werkstückaufnahme zum Aufnehmen eines rotierbaren Werkstücks eingerichtet ist. Die Werkstückaufnahme ist rotierbar, wobei hierzu die Antriebsmaschine eingerichtet ist. Das Werkstück ist ein während der Bearbeitung im Bearbeitungszentrum rotierendes Werkstück, beispielsweise ein (technisch) rotationssymmetrisches Werkstück, wie beispielsweise eine Bremsscheibe oder ein Zylinder. Es sei darauf hingewiesen, dass ein technisch rotationssymmetrisches Bauteil in den meisten Fällen in der Realität nicht mathematisch rotationssymmetrisch ist, sondern lediglich zu einer Rotationsachse ausgewuchtet ist beziehungsweise im späteren Einsatz mittels entsprechender Wuchtungsmaßnahmen ausgewuchtet ist.
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Mittels der Fördereinheit der Konvektionseinrichtung ist das Werkstück temperierbar, beispielsweise während einer Bearbeitung kühlbar oder vor einer Bearbeitung erwärmbar. Wie bereits oben beschrieben, ist bevorzugt das Temperierfluid in dem Einlasskanal (und bevorzugt auch dem Auslasskanal) rückseitig zu der Bearbeitungsoberfläche des Werkstücks geführt, sodass die von dem Werkstück aufgenommene Prozesswärme über die Konvektionseinrichtung abführbar ist.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Antriebsmaschine zum Rotieren des Werkstücks zugleich diejenige zum Antreiben der (beispielsweise externen) Fördereinrichtung der Fördereinheit zum Zuführen des Temperierfluids hin zu dem Einlasskanal der Konvektionseinrichtung. Bevorzugt ist die Antriebsmaschine zum Antreiben eines koaxialen Schaufelrads der Fördereinheit wie oben beschrieben eingerichtet, wobei besonders bevorzugt die Antriebsmaschine beziehungsweise deren Antriebswelle ebenfalls koaxial (beispielsweise ohne Getriebe, also direkt antreibend) angeordnet ist.
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Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform des Werktischs vorgeschlagen, dass die Trennwand nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung zwischen einer werkstückseitigen Oberfläche des Werktischs und einem in der Werkstückaufnahme aufgenommenen Werkstück angeordnet ist.
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Hier ist vorgeschlagen, dass die Trennwand in einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung zwischen dem Werktisch und dem aufgenommenen Werkstück angeordnet ist, wobei bevorzugt von der Trennwand selbst der Einlasskanal und der Auslasskanal gebildet sind beziehungsweise zumindest zu einer Seite hin abgeschlossen ist. Es wird hierzu auf die obige Beschreibung verwiesen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Bearbeitungszentrum zum Beschichten eines Werkstücks vorgeschlagen, aufweisend zumindest die folgenden Komponenten:
- - einen Werktisch nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung; und
- - eine Beschichtungseinrichtung zum Beschichten eines in der Werkstückaufnahme aufgenommenen Werkstücks,
wobei im Betrieb eine in dem Werkstück aufkommende Abwärme mittels der Konvektionseinrichtung, bevorzugt über den Auslasskanal, abführbar ist.
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Das hier vorgeschlagene Bearbeitungszentrum umfasst einen Werktisch nach der obigen Beschreibung und ist zum Beschichten eines Werkstücks eingerichtet. Die Beschichtung ist beispielsweise ein Auftragsschweißen, bevorzugt ein Laserauftragsschweißen, besonders bevorzugt ein Extremhochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen [EHLA].
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Die Beschichtungseinrichtung ist entsprechend für das jeweilige Beschichtungsverfahren oder eine Mehrzahl von Beschichtungsverfahren eingerichtet, beispielsweise eine Auftragsschweißeinrichtung, bevorzugt eine Laseroptik zusammen mit einer Zufuhreinrichtung zum Zuführen eines Schweißzusatzwerkstoffs. Die beim Beschichten oder einem anderen stattfindenden Bearbeitungsprozess entstehende Wärme, besonders diejenige welche von dem Werkstück aufgenommen ist, ist mittels der Konvektionseinrichtung über den Auslasskanal abführbar, wobei dies bevorzugt weiterhin mittels Umwälzen und aktives Temperieren des Temperierfluids beziehungsweise Frischluftzufuhr und/oder die Trennwand (besonders bevorzugt mithilfe einer integrierten Temperierleitung) unterstützt wird.
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Es sei darauf hingewiesen, dass in einer Ausführungsform die Werkstückaufnahme oder eine angrenzende Wand nach Art der genannten Trennwand mit einer Temperierleitung versehen ist und eine Abwärme des Bearbeitungsprozesses einzig damit aktiv von dem aufgenommenen Werkstück, bevorzugt in eine Umgebung, abführbar ist.
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Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform des Bearbeitungszentrums vorgeschlagen, dass das Bearbeitungszentrum zum Beschichten einer Vorderseite eines in der Werkstückaufnahme aufgenommenen Werkstücks mithilfe eines Pulvers eingerichtet ist und dazu eine Pulverzuführeinrichtung zum Versorgen der Beschichtungseinrichtung mit einem Pulver-Gas-Strom umfasst, wobei bevorzugt mittels eines Temperierfluids, welches im Betrieb mittels der Fördereinheit durch den Auslasskanal ausgefördert wird, für das Beschichten überschüssiges Pulver des Pulver-Gas-Stroms gerichtet abtransportierbar ist.
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Bei dieser Ausführungsform ist ein Pulver-Gas-Strom vorgesehen, wobei hierbei ein Teil des zugeführten Pulvers nicht mit der Vorderseite (also der zu bearbeitenden Oberfläche) des Werkstücks verbunden wird, also überschüssig ist, und somit abgeführt werden muss. In einer vorteilhaften Ausführungsform wird dieses Überschusspulver aufgefangen und mittels des Temperierfluids zu über den Auslasskanal abtransportiert, und zwar gerichtet, beispielsweise in einen Pulverauffangbehälter, transportiert. Alternativ oder zusätzlich wird von der Fördereinheit mithilfe des Fluidstroms verhindert, dass Pulver in den Bereich einer Dichtung und/oder Lagerung sowie anderer anfälliger und/oder rotierender Teile gerät.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Kühlverfahren für ein Werkstück vorgeschlagen in einem Bearbeitungszentrum, wobei
mittels einer Fördereinheit zu einer Rückseite eines in einer Werkstückaufnahme eines Bearbeitungszentrums aufgenommenen Werkstücks ein Temperierfluid aktiv zugeführt wird,
wobei eine Vorderseite des Werkstücks mittels einer Beschichtungseinrichtung mithilfe eines Pulver-Gas-Stroms beschichtet wird.
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Der Kühlverfahren ist vor allem dadurch gekennzeichnet, dass mittels des geförderten Temperierfluids Pulver des Pulver-Gas-Stroms, welches für das Beschichten überschüssig ist, gerichtet abtransportiert wird.
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Das hier vorgeschlagene Kühlverfahren ist beispielsweise mittels eines Bearbeitungszentrums gemäß der obigen Beschreibung ausführbar. Es sei dabei darauf hingewiesen, dass der Werktisch und/oder die Konvektionseinrichtung anders als zuvor beschrieben ausführbar sind. Hierbei ist allein erforderlich, dass die Fördereinheit rückseitig des aufgenommenen Werkstücks sein Temperierfluid aktiv zuführt, wobei von diesem Temperierfluid überschüssiges Pulver eines Pulver-Gas-Stroms gerichtet abtransportiert wird, beispielsweise wie oben beschrieben hin zu einem Pulverauffangbehälter.
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Eine Fördereinheit ist beispielsweise ein Anschluss an einen Temperierfluid-Strom, beispielsweise geführt in einer Leitung, oder umfasst eine eigene Fördereinrichtung, beispielsweise ein Schaufelrad, eine Pumpe und/oder einen Verdichter.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist Temperierfluid, welches zum Abtransport des überschüssigen Pulvers eingerichtet ist, rein gasförmig, sodass das Werkstück nicht mit Feuchtigkeit benetzt wird. Alternativ oder zusätzlich ist ein flüssiger Abtransport von Pulver vorgesehen, wobei bevorzugt das flüssige Temperierfluid von dem Werkstück beabstandet ist, also nicht in unmittelbaren benetzenden Kontakt mit dem Werkstück steht.
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Die oben beschriebene Erfindung wird nachfolgend vor dem betreffenden technischen Hintergrund unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen, welche bevorzugte Ausgestaltungen zeigen, detailliert erläutert. Die Erfindung wird durch die rein schematischen Zeichnungen in keiner Weise beschränkt, wobei anzumerken ist, dass die Zeichnungen nicht maßhaltig sind und zur Definition von Größenverhältnissen nicht geeignet sind. Es wird dargestellt in
- 1: ein Werktisch mit einer Konvektionseinrichtung; und
- 2: ein Kraftfahrzeug mit Bremsscheiben in einer schematischen Draufsicht.
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In 1 ist ein Werktisch 2 mit einer Konvektionseinrichtung 1 in einer schematischen Seitenansicht gezeigt. Der Werktisch 2 ist von einem Bearbeitungszentrum 4 umfasst. Der Werktisch 2 umfasst eine Werkstückaufnahme 3, welche zur Rotation um eine Rotationsachse 13 angeordnet ist. Das für die Rotation benötigte Drehmoment ist mittels einer Antriebsmaschine 14 erzeugbar und mittels einer entsprechenden drehmomentfesten Verbindung auf die Werkstückaufnahme 3 übertragbar. Die Werkstückaufnahme 3 ist zum Aufnehmen eines Werkstücks 15 für ein Auftragschweißen mittels einer Beschichtungseinrichtung 21 eingerichtet. Dabei ist die Werkstückaufnahme 3 in diesem Ausführungsbeispiel rotationssymmetrisch ausgeführt.
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Die Beschichtungseinrichtung 21 umfasst eine Pulverzuführeinrichtung 25, welche beispielsweise als eine Ringdüse ausgeführt ist und einen Pulver-Gas-Strom 26 initiiert und einen Großteil des Pulvers 24, welches als Schweißzusatzwerkstoff verwendet ist, in einem Fokus bündelt. In dem Fokus des Pulver-Gas-Stroms 26 ist hier ein Laserstrahl 27 angeordnet, welcher das Pulver 24 mit der Vorderseite 22 des Werkstücks 15 beziehungsweise mit der zu bearbeitenden Oberfläche 20 stoffschlüssig verbindet. Das Werkstück 15 erfährt dabei beim Auftragschweißen mittels der Beschichtungseinrichtung 21, aufgrund der Schweißenergie, einen Wärmeeintrag, welcher zu einem Anteil als Wärmestrahlung 17 an die Umgebung emittiert wird. Der Anteil der Wärme ist rückseitig mittels der Konvektionseinrichtung 1 von dem Werkstück 15 abtransportierbar und im Speziellen ist die Wärmestrahlung 17, welche über die Rückseite 23 des Werkstücks 15 emittiert wird, mittels der Trennwand 16 abführbar, wobei die Trennwand 16 sowohl mittels des gasförmigen Temperierfluids 6 in dem Einlasskanal 5 und Auslasskanal 9 als auch mittels des flüssigen Temperierfluids 7 in der Temperierleitung 18 in der Trennwand 16 kühlbar ist. Es sei darauf hingewiesen, dass das Werkstück 15 aber auch erwärmbar ist, beispielsweise zum Vorwärmen des Werkstücks 15 für eine nachfolgende Bearbeitung.
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Die Konvektionseinrichtung 1 umfasst einen Einlasskanal 5 und einen Auslasskanal 9 für ein gasförmiges Temperierfluid 6, eine Trennwand 16, welche darstellungsgemäß horizontal zwischen Werkstückaufnahme 3 und Werkstück 15 angeordnet ist und eine Fördereinheit 8. Die Fördereinheit 8 ist mit einem Schaufelrad 10 ausgeführt und zum Fördern des gasförmigen Temperierfluids 6 (beispielsweise Luft 11) eingerichtet. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Schaufelrad 10 koaxial zur Rotationsachse 13 der Werkstückaufnahme 3 angeordnet. Das Schaufelrad 10 ist hierfür ein Transportieren von dem Temperierfluid 6 von radial seitlich einströmend und umlenkend nach axial parallel zur Rotationsachse 13 des Temperierfluid 6 entlang eines zentralen Durchgangs für eine Welle der Werkstückaufnahme 3 eingerichtet. Das gasförmige Temperierfluid 6 tritt entlang der Förderrichtung 19 über den Einlasskanal 5 radial ein, wird mittels des Schaufelrads 10 umgelenkt und tritt über den Auslasskanal 9 aus der Konvektionseinrichtung 1 wieder aus. Die Trennwand 16 ist dabei zwischen dem Einlasskanal 5 und dem Auslasskanal 9 vorgesehen, sodass der Einlasskanal 5 und der Auslasskanal 9 mit geringer Bauraumforderung ausführbar sind.
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Die Trennwand 16 ist dabei derart ausgeführt, dass die Trennwand 16 zudem (rein optional) gekühlt ist, indem über eine interne Temperierleitung 18 ein flüssiges Temperierfluid 7 (beispielsweise Wasser 12 beziehungsweise eine Wasser-Öl-Emulsion) gefördert wird. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Temperierleitung 18 als eine Eingangsleitung und eine Ausgangsleitung ausgeführt, wobei die Eingangsleitung bevorzugt auslasskanalseitig und die Ausgangsleitung einlasskanalseitig angeordnet ist. Hierdurch ist eine Gegenlaufkühlung (alternativ oder zusätzlich eine Gegenlauferwärmung) erzielbar. Die Trennwand 16 ist zudem zum Aufnehmen von Wärmestrahlung 17 von dem Werkstück 15 eingerichtet, sodass zusätzlich zu einer konvektiven Kühlung eine Strahlungskühlung erreicht ist, wobei mittels der Trennwand 16 selbst oder eben über das gasförmige Temperierfluid 6 diejenige in die Trennwand 16 eingetragene Strahlungswärme abführbar ist. Alternativ oder zusätzlich ist die Trennwand 16 aus einem gut wärmeleitenden Material (beispielsweise umfassend Stahl, Aluminium, Kupfer und/oder einer metallischen Legierung) gebildet.
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Die Fördereinheit 8 ist in diesem Ausführungsbeispiel derart eingerichtet, dass mittels eines Getriebes innerhalb der Fördereinheit 8 die Drehung der Antriebsmaschine 14 umkehrbar und/oder mit abweichender Drehzahl aufnehmbar ist. Mittels des Getriebes innerhalb der Fördereinheit 8 ist ein Rotieren der Schaufelräder 10 entgegen der Drehrichtung der Antriebsmaschine 14 und damit ein gezieltes Fördern des gasförmigen Temperierfluids 6 darstellbar. Aufgrund der koaxialen Anordnung der Fördereinheit 8 um die Welle der Antriebsmaschine 14 und der Werkstückaufnahme 3 ist keine externe Antriebsmaschine 14 für die Fördereinheit 8 benötigt. Alternativ ist kein Getriebe vorgesehen und die Drehrichtung sowie Drehzahl von Werkstück 15 und Schaufelrad 10 gleich.
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Die Fördereinheit 8 ist in diesem Ausführungsbeispiel zudem derart ausgeführt, dass der initiierte Gasstrom des gasförmigen Temperierfluid 6 entlang der Förderrichtung 19 überschüssiges Pulver 24 des Pulver-Gas-Stroms 26 gerichtet abtransportiert, beispielsweise hin zu einem Pulverauffangbehälter (hier nicht gezeigt). Dabei sind hier rein zur Verdeutlichung zwei mögliche Flugtrajektorien 28,29 von Pulver-Partikeln dargestellt. Die erste mögliche Flugtrajektorie 28 beschreibt dabei einen Austritt aus der Ringdüse, welcher außerhalb des Fokus liegt, dass in diesem Ausführungsbeispiel das Pulver-Partikel die zu bearbeitenden Oberfläche 20 verfehlt und von dem Gasstrom mitgerissen und gerichtet abtransportiert wird. Die zweite mögliche Flugtrajektorie 29 beschreibt ein Pulver-Partikel, welches innerhalb des Fokus ist, aber von der zu bearbeitenden Oberfläche 20 abspringt und ebenfalls von dem Gasstrom mitgerissen und gerichtet abtransportiert wird.
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In 2 ist ein Kraftfahrzeug 30 mit Bremsscheiben 31 in einer schematischen Draufsicht gezeigt. Das Kraftfahrzeug 30 weist vier Räder 32 auf, wobei jeweils zwei Räder 32 auf einer gemeinsamen Radachse gegenüberliegend angeordnet sind. In diesem Beispiel weist jedes der Räder 32 eine Bremsscheibe 31 auf, wobei Rad 32 und Bremsscheibe 31 drehmomentfest verbunden sind.
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Beispielsweise ist auf jeder der beiden axial-gegenüberliegenden Seiten der Bremsscheibe 31 mittels des in 1 gezeigten Bearbeitungszentrums 4 beziehungsweise des darin integrierten Werktischs 2 eine Veredelungsschicht auf die zu bearbeitende Oberfläche 20 eines Werkstücks 15 aufgetragen. An jeder der Bremsscheiben 31 ist ein Paar von Bremsklötzen 33 angeordnet, wobei die Bremsklötze 33 fest mit der Fahrzeugkarosserie verbunden sind. Zum Entschleunigen des Kraftfahrzeugs 30 wird (jeder oder einzeln geregelt) ein jeweiliger Bremsklotz 33 gegen die jeweilige Bremsscheibe 31 gepresst. Die Bremsenergie wird zu einem großen Teil als Abwärme in die jeweilige Bremsscheibe 31 eingetragen, weshalb die Veredelungsschicht unter hohen Temperaturen und hoher Scherlast und hohem Druck belastet wird. Die Veredelungsschicht muss diesem Belastungsfall standhalten.
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Mit der hier vorgeschlagenen Konvektionseinrichtung ist ein zielgerichtetes Temperieren eines Werkstücks bei einem Auftragschweißen mit einem Hochleistungslaser ermöglicht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Konvektionseinrichtung
- 2
- Werktisch
- 3
- Werkstückaufnahme
- 4
- Bearbeitungszentrum
- 5
- Einlasskanal
- 6
- gasförmiges Temperierfluid
- 7
- flüssiges Temperierfluid
- 8
- Fördereinheit
- 9
- Auslasskanal
- 10
- Schaufelrad
- 11
- Luft
- 12
- Wasser
- 13
- Rotationsachse
- 14
- Antriebsmaschine
- 15
- Werkstück
- 16
- Trennwand
- 17
- Wärmestrahlung
- 18
- Temperierleitung
- 19
- Förderrichtung
- 20
- zu bearbeitende Oberfläche
- 21
- Beschichtungseinrichtung
- 22
- Vorderseite
- 23
- Rückseite
- 24
- Pulver
- 25
- Pulverzuführeinrichtung
- 26
- Pulver-Gas-Strom
- 27
- Laserstrahl
- 28
- erste mögliche Flugtrajektorie
- 29
- zweite mögliche Flugtrajektorie
- 30
- Kraftfahrzeug
- 31
- Bremsscheibe
- 32
- Rad
- 33
- Bremsklotz
