DE102022130764A1

DE102022130764A1 - Verfahren zum Beschichten einer Oberfläche

Info

Publication number: DE102022130764A1
Application number: DE102022130764.6A
Authority: DE
Inventors: Dominik Dobrzanski; Tobias Phillip Utsch
Original assignee: HPL Technologies GmbH
Current assignee: HPL Technologies GmbH
Priority date: 2022-11-21
Filing date: 2022-11-21
Publication date: 2024-05-23
Also published as: WO2024109990A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten (1) einer Oberfläche (2) mittels einer Laser-Beschichtungsvorrichtung (3), wobei das Verfahren zumindest die folgenden Schritte aufweist:a. Bereitstellen eines Grundkörpers (4) mit einer zu beschichtenden Oberfläche (2);b. Bereitstellen einer Laseroptik (6);c. Bewegen der zu beschichtenden Oberfläche (2) relativ zu der Laseroptik (6); undd. Bereitstellen von Schweißzusatzwerkstoff (8) und Ausführen eines Beschichtungsvorgangs mittels Erhitzen von dem bereitgestellten Schweißzusatzwerkstoff (8) mittels Laserlicht (7) der Laseroptik (6) zum Verbinden einer bahnförmigen ersten Schweißspur (9) mit der zu beschichtenden Oberfläche (2), wobei Schritt c. während eines Beschichtungsvorgangs gemäß Schritt d. ausgeführt wird. Das Verfahren ist vor allem dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schweißspur (9) in Schritt d. mit einer Überlappung (13) mit sich selbst von weniger als 10 % der Spurbreite (12) oder ohne Überlappung (13) auf der zu beschichtenden Oberfläche (2) erzeugt wird, undeine weitere Schweißspur (10,11) frühstens nach Vollendung einer relativen 360°-Wendung zwischen der zu beschichtenden Oberfläche (2) und der Laseroptik (6) aufgebracht wird.Mit dem hier vorgeschlagenen Verfahren zum Beschichten einer Oberfläche ist eine verbesserte Schweißverbindung bei zugleich keiner oder geringer Zeiteinbuße erzielbar.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten einer Oberfläche mittels einer Laser-Beschichtungsvorrichtung, wobei das Verfahren zumindest die folgenden Schritte aufweist:

a. Bereitstellen eines Grundkörpers mit einer zu beschichtenden Oberfläche;
b. Bereitstellen einer Laseroptik;
c. Bewegen der zu beschichtenden Oberfläche relativ zu der Laseroptik; und
d. Bereitstellen von Schweißzusatzwerkstoff und Ausführen eines Beschichtungsvorgangs mittels Erhitzen von dem bereitgestellten Schweißzusatzwerkstoff mittels Laserlicht der Laseroptik zum Verbinden einer bahnförmigen ersten Schweißspur mit der zu beschichtenden Oberfläche,

Additive Fertigungsverfahren werden zunehmend interessant für die Großserienfertigung. Ziel additiver Beschichtungsverfahren ist meist, einen Grundkörper mit einer Beschichtung auszustatten, welche für die jeweilige Anwendung besser geeignet ist. Dies eröffnet die Möglichkeit, einen Grundkörper einzusetzen, welcher aus einem mechanisch und/oder thermisch geeigneteren Material gebildet ist und/oder kostengünstiger herstellbar ist. Bekannt ist dies beispielsweise im Bereich von Bremsscheiben, Zylinderläufen in Motorblöcken und Kolben für Außenanwendungen.
Unter den additiven Fertigungsverfahren sind die lokalen, also an dem Bearbeitungspunkt zeitgerecht Beschichtungsmaterial zustellenden, Beschichtungsverfahren und darunter das Laserspritzen und das Laserauftragschweißen, beispielsweise das Extremhochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen [EHLA] wie es beispielsweise aus der DE 10 2011 100 456 A1 bekannt ist, in vielerlei Hinsicht vorteilhafte Laser-Beschichtungsverfahren. Dabei kann innerhalb einer sehr kurzen Prozessdauer, unter geringem Energieaufwand, effizientem Einsatz von Pulvermaterial und einer hohen Anbindungsgüte eine meist dünne Schicht auf der Oberfläche eines Grundkörpers aufgetragen werden, womit wiederum je nach Anwendung Material einsparbar ist. Gerade im Bereich von thermisch hoch belasteten Bauteilen, wie beispielsweise Bremsscheiben, ist der Materialunterschied zwischen dem Grundkörper und der aufzubringenden Beschichtung groß und die Schweißbarkeit kritisch. Der Schweißprozess muss daher in einem sehr engen Prozessfenster ausgeführt werden.
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.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten einer Oberfläche mittels einer Laser-Beschichtungsvorrichtung, wobei das Verfahren zumindest die folgenden Schritte aufweist:

a. Bereitstellen eines Grundkörpers mit einer zu beschichtenden Oberfläche;
b. Bereitstellen einer Laseroptik, welche relativ zu dem bereitgestellten Grundkörper bewegbar ist und mittels welcher Laserlicht zum Verbinden eines Schweißzusatzwerkstoffs mit der zu beschichtenden Oberfläche fokussiert bereitstellbar ist;
c. Bewegen der zu beschichtenden Oberfläche relativ zu der Laseroptik; und
d. Bereitstellen von Schweißzusatzwerkstoff und Ausführen eines Beschichtungsvorgangs mittels Erhitzen von dem bereitgestellten Schweißzusatzwerkstoff mittels Laserlicht der Laseroptik zum Verbinden einer bahnförmigen ersten Schweißspur mit der zu beschichtenden Oberfläche, wobei die erste Schweißspur eine vorbestimmte Spurbreite aufweist und bereitgestellten Schweißzusatzwerkstoff umfasst,

Das Verfahren ist vor allem dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schweißspur in Schritt d. mit einer Überlappung mit sich selbst von weniger als 10 % der Spurbreite oder ohne Überlappung auf der zu beschichtenden Oberfläche erzeugt wird, und eine weitere Schweißspur frühstens nach Vollendung einer relativen 360°-Wendung zwischen der zu beschichtenden Oberfläche und der Laseroptik aufgebracht wird.
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.
Es wurde festgestellt, dass durch das Auftragen und Einbringen der Laserenergie eine solche Temperaturveränderung an der Oberfläche des Grundkörpers entsteht, dass die Qualität des Schweißauftrags abnimmt. Weil in diesem Bereich die Möglichkeiten zur Kühlung beschränkt sind, weil Flüssigkühlung nur mit einem erheblichen Aufwand möglich ist, ist die erzielbare Kühlleistung begrenzt.
Hier ist nun ein Verfahren vorgeschlagen, bei welchem ein Zeitgewinn für die Auskühlung erzielt wird, ohne dabei einen Nachteil bei den Prozesszeiten zu bewirken. Dies wird dadurch erreicht, dass die einzelnen Schweißspuren mit einem Abstand zueinander auf der zu beschichtenden Oberfläche aufgebracht werden und nicht in der im Endzustand beziehungsweise betreffend eine jeweilige Lage und deren Endzustand, die erwünschte Überlappung der Schweißspuren miteinander. Solch eine Überlappung liegt beispielsweise bei bis zu 90 % [neunzig Prozent], bevorzugt bei 60 % [sechzig Prozent] bis 80 %. Bei einer nur geringen Überlappung von weniger als 10 % ist es notwendig, zumindest eine weitere Schweißspur zwischen diese beiden sich leicht überlappenden Schweißspuren zu setzen. Aufgrund der geringen Überlappung und damit einer geringen Materialmenge, wird bei einer vorteilhaften Ausführungsform dieses überlappende Material wieder aufgeschmolzen und somit eine gegebenenfalls unzureichende Anbindung zwischen den Schweißspuren und/oder der zu beschichtenden Oberfläche nachgebessert.
Das Verfahren ist zum Beschichten einer Oberfläche eines Grundkörpers eingerichtet, wobei bevorzugt die zu beschichtenden Oberfläche vollflächig mit Hilfe von einem Schweißzusatzwerkstoff und der thermischen Energie von Laserlicht aus der Laseroptik mit einer Beschichtung versehen wird. In einer Ausführungsform ist ein solcher Grundkörper beispielsweise aus einem Graugussmaterial, bevorzugt Lamellen-Grauguss, und die Beschichtung, welche aus dem Schweißzusatzwerkstoff gebildet ist, ist aus einem Stahl, beispielsweise Edelstahl oder Werkzeugstahl, mit einem hohen Anteil an Zuschlagstoffen, wie beispielsweise Kohlenstoff [C], Chrom [Cr], Molybdän [Mo], Vanadium [V], Titan [Ti], Wolfram [W], Mangan [Mn], Bor [B] und/oder Niob [Nb]. In einer Ausführungsform ist der Schweißzusatzwerkstoff bereits auf der zu beschichtenden Oberfläche als sogenanntes Pulverbad bereitgestellt (selektives Laserschweißen) und in einer anderen Ausführungsform wird der Schweißzusatzwerkstoff in-situ dem Schweißprozess zugeführt, bevorzugt über eine Düse. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das oben genannte Extremhochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen [EHLA] eingesetzt.
Zunächst wird in Schritt a. ein Grundkörper bereitgestellt, beispielsweise in einer Werkstückaufnahme eingespannt, wobei eine zu beschichtende Oberfläche bedarfsgerecht ausgerichtet wird. In Schritt b., welcher gleichzeitig oder vor Schritt a. stattfindet, wird eine Laseroptik bereitgestellt, welche in der Regel von einer externen Laserquelle mit Laserlicht versorgt ist. Mittels der Laseroptik ist Laserlicht geeignet fokussierbar, beispielsweise beim Extremhochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen [EHLA] mit einem Laser-Fokus knapp oberhalb der zu beschichtenden Oberfläche. Der Grundkörper beziehungsweise die zu beschichtende Oberfläche und die Laseroptik sind relativ zueinander bewegbar, wobei bevorzugt die zu beschichtende Oberfläche in einer festen Ebene bewegbar ist und die Laseroptik selbst relativ dazu ausrichtbar ist und/oder entlang einer weiteren Raumachse relativ zu der zu beschichtenden Oberfläche bewegbar ist. Eine entsprechende Laser-Beschichtungsvorrichtung weist dazu eine Aktorikeinrichtung auf, welche in der Regel eine Mehrzahl von einzelnen Aktoren beziehungsweise Vorschubachsen aufweist.
In Schritt c. wird nun die relative Bewegung zwischen dem Grundkörper und der Laseroptik ausgeführt, beispielsweise von der Aktorikeinrichtung der ausführenden Laser-Beschichtungsvorrichtung. In einer Ausführungsform wird beispielsweise die zu beschichtenden Oberfläche relativ zu der Laseroptik derart bewegt, dass eine Schweißspur erzeugt wird.
In Schritt d. wird nun Schweißzusatzwerkstoff bereitgestellt, wobei dieser, wie bereits vorhergehend beschrieben, entweder bereits vor dem Zuführen von Schweißenergie mittels des Laserlichts auf der zu beschichtenden Oberfläche vorgehalten ist oder in-situ in den Laser-Fokus der Laseroptik zugeführt wird. Aufgrund der Bewegung und dem Schweißvorgang vor Schritt c. und Schritt b. wird eine bahnartige erste Schweißspur auf der zu beschichtenden Oberfläche aufgebracht und mit dieser verbunden. In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Schweißzusatzwerkstoff angeschmolzen oder vollständig aufgeschmolzen und zugleich auf der zu beschichtenden Oberfläche ein Schmelzbad gebildet, sodass eine hervorragende Verbindungsgüte zwischen dem Schweißzusatzwerkstoff und der zu beschichtenden Oberfläche erzielt wird.
Hier ist nun vorgeschlagen, dass eine erste Schweißspur erzeugt wird, die mit sich selbst eine geringe oder keine Überlappung aufweist, und zwar so, dass mit der ersten Schweißspur keine endgültige Beschichtung erzeugt ist. Vielmehr sind weitere Schweißspuren notwendig, um ein endgültiges Beschichtungsergebnis erzielen zu können. Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass eine Beschichtung oftmals aus mehreren Lagen erzeugt ist, wobei jede weitere Lage aus Schweißspuren gebildet ist, welche auf einer vorhergehend aufgebrachten vollständigen Lage bestehend aus mehreren Schweißspuren aufgebracht ist.
Eine weitere Schweißspur wird mit einer erheblichen Verzögerung derart aufgebracht, welche dann eine größere Überlappung aufweist als die erste Schweißspur mit sich selbst. Beispielsweise wird eine weitere Schweißspur mit der endgültigen gewünschten Überlappung von beispielsweise 40 % [vierzig Prozent] bis 60 % aufgebracht. Bei einer mäandernden Schweißspur werden somit erst ein Hinweg, ein Querweg und ein Rückweg und dann ein weiterer Querweg der erstens Schweißspur erzeugt, bevor eine weitere Schweißspur mit größerer Überlappung neben den bereits erzeugten Anteil der ersten Schweißspur gesetzt wird. Es ergibt sich somit insgesamt bei dieser Prozessführung nur ein geringer zeitlicher Verzug infolge des zeitlichen Versatzes zwischen dem Beginn des Auftrags der ersten Schweißspur und der weiteren Schweißspuren.
In einer Ausführungsform kann durch das hier vorgeschlagene Verfahren insgesamt ein Zeitgewinn erzielt werden, weil infolge der verbesserten Schweißverbindung auf eine Vermittlerschicht, eine sogenannte Haftschicht oder Pufferschicht, verzichtet werden kann.
Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens vorgeschlagen, dass in Schritt c. die Laseroptik relativ zu der zu beschichtenden Oberfläche um die Rotationsachse rotiert und bezogen auf die Rotationsachse radial bewegt wird, und
in Schritt d. die erste Schweißspur spiralförmig erzeugt wird,
eine weitere Schweißspur während Schritt d. frühstens nach einer vollen relativen Umdrehung der zu beschichtenden Oberfläche aufgebracht wird.
Bei dieser Ausführungsform ist die zu beschichtenden Oberfläche eine rotierende Oberfläche (bevorzugt eine rotationssymmetrische Oberfläche), auf welcher die Schweißspuren spiralförmig erzeugt werden. In einer Ausführungsform ist die Spiralform mittels Kreisen (mit über einen Segmentabschnitt konstantem Radius) mit einem oder mehreren Versatzsprüngen erzeugt. In einer anderen Ausführungsform ist die Spiralform angenähert an eine ideale Spirale.
Bei dieser Ausführungsform wird eine weitere Schweißspur erst dann aufgebracht, wenn eine volle relative Umdrehung von der zu beschichtenden Oberfläche ausgeführt worden ist, also die erste Schweißspur bereits einen vollständigen Umlauf auf der zu beschichtenden Oberfläche gebildet hat. Wie bereits oben erwähnt, wird eine weitere Schweißspur dann mit einer größeren Überlappung als die erste Schweißspur mit sich selbst aufweist (bevorzugt mit der endgültigen Überlappung) auf der zu beschichtenden Oberfläche aufgebracht.
Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens vorgeschlagen, dass analog zu Schritt a. bis Schritt d. eine oder mehrere weitere Schweißspuren auf der zu beschichtenden Oberfläche aufgebracht werden, wobei von zumindest einer der Schweißspuren mit der ersten Schweißspur eine Überlappung gebildet ist, welche gleich oder größer als 40 %, bevorzugt größer als 60 %, der jeweiligen Spurbreite ist.
Hier ist nun vorgeschlagen, dass die weiteren Schweißspuren genauso aufgebracht werden wie die erste Schweißspur, wobei nun die weiteren Schweißspuren relativ zu der ersten Schweißspur derart angeordnet sind, dass eine Überlappung mit der ersten Schweißspur beziehungsweise der nächst benachbarten Schweißspur gebildet ist. Inzwischen ist bei entsprechender Prozessführung die erste Schweißspur und der Grundkörper wieder so weit abgekühlt, dass eine hervorragende Schweißverbindung zwischen der weiteren Schweißspur der ersten Schweißspur und der zu beschichtenden Oberfläche erzeugt ist. In einer Ausführungsform ist Überlappung dabei beispielsweise 80 % [achtzig Prozent] oder sogar 90 % der Spurbreite.
Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens vorgeschlagen, dass eine nachfolgende Schweißspur jeweils erst nach Vollendung der kompletten vorhergehend erzeugten Schweißspur aufgebracht wird.
Hier ist nun vorgeschlagen, dass die nachfolgende Schweißspur erst dann aufgebracht wird, wenn die vorhergehend erzeugte Schweißspur vollständig auf der zu beschichtenden Oberfläche aufgebracht ist. Beispielsweise bei einer spiralförmigen Schweißspur, welche von radial-außen nach radial-innen oder umgekehrt aufgebracht wird, wird die nachfolgende Schweißspur erst dann auf der zu beschichtenden Oberfläche aufgebracht, wenn diese Spirale von dem Anfangspunkt (also beispielsweise radial-außen) bis zum Endpunkt (also beispielsweise radial-innen) aufgebracht ist und damit vollendet ist.
Es sei darauf hingewiesen, dass mit dem Erzeugen der ersten Schweißspur die Beschichtung der zu beschichtenden Oberfläche noch nicht vollendet ist, sondern eben noch zumindest eine weitere Schweißspur auf der zu beschichtenden Oberfläche aufzubringen ist. Entsprechendes gilt für die jeweilige Vollendung der Lage bei einem mehrlagigen Aufbau der Beschichtung.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist von allen Schweißspuren im Endzustand eine vollständige Bedeckung der zu beschichtenden Oberfläche gebildet. Alternativ ist eine gewünschte (Teil-) Abdeckung der zu beschichtenden Oberfläche erzielt. In beiden Ausführungsformen wird von der ersten Schweißspur eine Teil-Abdeckung der zu beschichtenden Oberfläche erzeugt, und zwar derart, dass mit der zumindest einen nachfolgend aufgebrachten Schweißspur die übrigen Teil-Flächen abgedeckt sind. Dabei ist eine gewünschte Überlappung aller der Schweißspuren berücksichtigt. Es sei darauf hingewiesen, dass also nicht zwangsläufig ein Teil der zu beschichtenden Oberfläche noch sichtbar ist, wenn noch nicht alle für eine gewünschte Überlappung notwendigen Schweißspuren aufgebracht sind.
Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens vorgeschlagen, dass Schritt a. bis Schritt d. zum gleichzeitigen Erzeugen von mehreren ersten Schweißspuren entsprechend mehrfach gleichzeitig ausgeführt werden,
wobei die gleichzeitig erzeugten ersten Schweißspuren in Schritt d. ohne Überlappung mit sich selbst und mit einer Überlappung miteinander von weniger als 10 % der Spurbreite oder ohne Überlappung auf der zu beschichtenden Oberfläche erzeugt werden.
Bei dieser Ausführungsform des Verfahrens sind eine Mehrzahl von Laseroptiken vorgesehen, welche zum gleichzeitigen Erzeugen von mehreren Schweißspuren auf der zu beschichtenden Oberfläche eingerichtet sind. Solche gleichzeitig erzeugten Schweißspuren werden hier jeweils nach der zeitlichen Reihenfolge als erste beziehungsweise zweite und weitere Schweißspuren bezeichnet. Es sei darauf hingewiesen, dass die jeweiligen Schweißspuren mit der gleichen Ordinalzahl nicht zwangsläufig genau gleichzeitig und auch nicht räumlich nebeneinander beginnen und aufgetragen werden müssen. Gleichwohl gibt es beim gleichzeitigen Erzeugen einen Zeitraum eines zeitgleichen Erzeugens von Abschnitten der Schweißspuren der gleichen Ordinalzahl.
Bei spiralförmigen Schweißspuren werden beispielsweise die ersten Schweißspuren radial zueinander versetzt ohne Überlappung zu der jeweils unmittelbar benachbarten oder mit einer geringen Überlappung (beispielsweise weniger als 10 % [zehn Prozent]) auf der zu beschichtenden Oberfläche aufgetragen. Bei einer Ausführungsform werden die Schweißspuren der gleichen Ordinalzahl zueinander versetzt (um beispielsweise 90° [neunzig Grad von 360°]) auf der zu beschichtenden Oberfläche aufgebracht und weisen insgesamt die gleiche Länge vom Anfangspunkt bis zum Endpunkt auf. Alternativ werden die Schweißspuren anders versetzt zueinander begonnen und/oder weisen eine voneinander verschiedene Länge zwischen ihrem jeweiligen Anfangspunkt und Endpunkt auf. In einer Ausführungsform sind alle Schweißspuren, welche auf der zu beschichtenden Oberfläche erzeugt werden, mit einer gleichen Länge zwischen dem Anfangspunkt und dem Endpunkt ausgestattet. In einer Ausführungsform ist eine Schweißspur nur über einen Teilabschnitt (beispielsweise in einer von vorherigen Schweißspuren gebildeten oder nachträglich gebildeten Schweißspuren) gebildeten Sackgasse aufgetragen.
Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens vorgeschlagen, dass ein Abstand zwischen zwei mittels des Verfahrens erzeugten benachbarten Abschnitten der ersten Schweißspur gleich dem oder größer als das Zweifache, bevorzugt Dreifache, der Differenz zwischen der Spurbreite und der gewünschten Überlappung von Schweißspuren im finalen Zustand der beschichteten Oberfläche ist.
Hier ist vorgeschlagen, dass unabhängig von der Anzahl der ersten Schweißspuren (vergleiche vorhergehende Beschreibung) der Abstand zwischen den ersten Schweißspuren dem zweifachen der Differenz zwischen der Spurbreite und der gewünschten Überlappung von allen Schweißspuren, welche im finalen Zustand (der jeweiligen Lage) der zu beschichtenden Oberfläche entspricht. Alternativ ist der Abstand größer als das Zweifache, bevorzugt genau das Dreifache oder sogar einem Faktor größer als das Dreifache. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der jeweilige Faktor ein ganzzahliger Faktor, und entspricht der Anzahl an Schweißspuren im finalen Zustand.
Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass bei einer Mehrzahl von ersten Schweißspuren und weiteren Schweißspuren gemäß der vorangehenden Beschreibung auch hier die Ordinalzahl bezogen auf das gleichzeitige Erzeugen, also auf den Entstehungszeitpunkt bezogen ist. Es sei darauf hingewiesen, dass sich aus der gewünschten geringen Überlappung der ersten Schweißspur mit sich selbst und der gewünschten endgültigen Überlappung aller Schweißspuren die Anzahl der nacheinander aufgebrachten Schweißspuren ergibt, sofern diese wie die erste Schweißspur ebenfalls nacheinander erzeugt werden sollen.
Bei einer Ausführungsform mit einer einzelnen ersten Schweißspur ist der Abstand zu dem erzeugten benachbarten Abschnitt derselben ersten Schweißspur definiert. Bei einer Ausführungsform mit mehreren ersten Schweißspuren ist der Abstand zu dem erzeugten benachbarten Abschnitt der nächst benachbarten ersten Schweißspur definiert. Bei einem Rotations-Grundkörper ist der Abstand in radialer Richtung zu der Rotationsachse definiert. Bei einem mäandernden Verlauf der Schweißspur ist der Abstand quer zu der Mittellinie beziehungsweise längsten Erstreckung der jeweiligen Schweißspur definiert, also beispielsweise zwischen zwei Abschnitten der Schweißspur, welche parallel zueinander in einer x-Richtung verlaufen und sich deren Spurbreite in y-Richtung erstreckt. Eine Querverbindung zwischen den parallelen Abschnitten des Mäanders weist keinen, einen anderen zumindest keinen kleineren Abstand zu einer anderen Querverbindung auf. Es sei darauf hingewiesen, dass bei einer nicht spiralförmigen Schweißspur nicht zwangsläufig ein Mäander gebildet ist. Alternativ sind mehrere, bevorzugt zueinander parallel verlaufende (beispielsweise auch gekrümmte, gezackte und/oder gewellte) Schweißspuren gebildet, bevorzugt mit einer Mehrzahl von Laseroptiken gleichzeitig auf der zu beschichtenden Oberfläche aufgebracht.
Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens vorgeschlagen, dass die zu beschichtende Oberfläche während oder nach Schritt d. gekühlt wird,
bevorzugt mittels Luftkühlung und/oder aktivierter Wärmeleitung.
Bei dieser Ausführungsform wird zusätzlich zum Herunterkühlen der erzeugten Schweißspur infolge des zeitlichen Versatzes bis zum Erzeugen der nächsten (mit gleich oder mehr als 10 % der Spurbreite überlappenden) Schweißspur eine aktive Kühlung eingesetzt, nämlich eine Luftkühlung (also Konvektion) und/oder eine aktivierte Wärmeleitung, wobei bei dieser aktivierten Wärmeleitung nicht allein die Materialleitung ausgenutzt wird, sondern zudem über ein Fluid aktiv die Wärme innerhalb des Materials abgeführt wird. Eine solche aktivierte Wärmeleitung ist beispielsweise von einer sogenannten Heat-Pipe gebildet, bei welcher ein eingehaustes Kältemittel an demjenigen Kühlung bereitstellenden Ende verdampft und an demjenigen Wärme abführenden Ende wieder verflüssigt wird. Alternativ oder zusätzlich ist in einem Bauteil der Laser-Beschichtungsvorrichtung (beispielsweise der Werkstückaufnahme) ein Hohlraum beziehungsweise eine Leitung gebildet für eine umwälzbare Flüssigkeit und/oder ein Kältemittel.
Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens vorgeschlagen, dass der Grundkörper derjenige einer Bremsscheibe ist, wobei auf der zu beschichtenden Oberfläche eine Reibfläche zu bilden ist.
Bei dieser Ausführungsform ist der Grundkörper derjenige einer Bremsscheibe, beispielsweise ein gegossener Körper, auf dessen (zu beschichtender) Oberfläche eine Reibfläche mittels einer Beschichtung geschaffen ist. Beispielsweise ist eine solche Bremsscheibe für ein Kraftfahrzeug eingerichtet und weist eine innere und eine äußere Reibfläche auf, welche zum Zusammenwirken mit jeweils einem Bremsklotz eingerichtet sind.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Laser-Beschichtungsvorrichtung vorgeschlagen, aufweisend zumindest die folgenden Komponenten:

- eine Laseroptik;
- eine Zuführeinrichtung zum Zuführen von Schweißzusatzwerkstoff;
- eine Werkstückaufnahme zum Aufnehmen von einem Grundkörper mit einer zu beschichtenden Oberfläche; und
- eine Aktorikeinrichtung zum Bewegen von der Laseroptik, und bevorzugt der Zuführeinrichtung, relativ zu einem in der Werkstückaufnahme aufgenommenen Grundkörper,

Die Laser-Beschichtungsvorrichtung ist eine selektive Laser-Auftragsschweißmaschine, eine Laser-Spritzmaschine, zum thermischen Beschichten, oder eine Laser-Schweiß-Maschine, beispielsweise zum Auftragschweißen, bevorzugt für das oben genannte Extremhochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen [EHLA]. Das Beschichten, beispielsweise zur Oberflächenveredelung, wird mit einem Material realisiert, welches als Draht, (verflüssigt) Tropfen-förmig oder (fest) Pulver-förmig über die Zuführeinrichtung als Schweißzusatzwerkstoff bereitgestellt wird. Der Schweißzusatzwerkstoff wird mittels des Laserlichts der Laseroptik in den flüssigen Zustand versetzt oder in dem flüssigen Zustand gehalten, also aufgeschmolzen oder einzig außen angeschmolzen und/oder in ein mittels des Laserlichts gebildeten Schmelzbad in der zu beschichtenden Oberfläche eingebracht und so mit der zu beschichtenden Oberfläche auf atomarer beziehungsweise molekularer Ebene verbunden.
Die Laseroptik wird gespeist aus und/oder umfasst eine oder mehrere Laserquellen. Der Laserstrahl oder die mehreren Laserstrahlen der Laseroptik werden auf einen oder mehrere Laser-Fokusse gebündelt, wobei bevorzugt einzig in diesem Bereich die Energiedichte (Intensität) für den erwünschten (maximalen) thermischen Eintrag vorliegt, wenn, gesteuert von einer Steuervorrichtung, mittels der Laseroptik ein vorbestimmter Leistungsgrenzwert oder mehr Leistung abgegeben wird. Der Laser-Fokus weist eine räumliche Ausdehnung auf, beispielsweise mit einem (in einer Ebene parallel zu der zu beschichtenden Oberfläche) Durchmesser von 1 mm [einem Millimeter] bis 12 mm, beispielsweise von 1,2 mm bis 8 mm, besonders bevorzugt von 3 mm bis 4 mm. Es sei darauf hingewiesen, dass die Fläche abhängig von der Leistung des eingesetzten Laserstrahls ist und mit zunehmender Leistung für eine angestrebte Energiedichte an der zu beschichtenden Oberfläche einen zunehmenden Durchmesser aufweisen sollte. In einer Ausführungsform des mit der Laser-Beschichtungsvorrichtung ausführbaren Verfahrens zum Beschichten ist der Schnittpunkt beziehungsweise die Schnittfläche zwischen dem Laser-Fokus der Laseroptik und der zu beschichtenden Oberfläche außerhalb des Bereichs der höchsten Intensität des Laserstrahls gebildet. Dennoch wird vereinfacht diese Schnittmenge zwischen dem Laserstrahl und der zu beschichtenden Oberfläche hier als Laser-Fokus bezeichnet, weil zumindest beim Laserauftragschweißen dieser Schnittpunkt beziehungsweise diese Schnittfläche für ein Aufschmelzen des Schweißzusatzwerkstoffs beziehungsweise für ein thermisches Behandeln der Oberfläche wirksam ist.
Es sei darauf hingewiesen, dass die zu beschichtende Oberfläche in einer Ausführungsform des Verfahrens zum Beschichten, wie es vorhergehend erläutert ist, eine Oberfläche des fixierten Werkstücks (also des Grundkörpers) ist, welche in einer Ausführungsform auf dem Werkstück mit der nachfolgend zu beschichtenden Oberfläche angeordnet ist, beispielsweise innerhalb der zu beschichtenden Oberfläche. Eine solche Oberfläche des fixierten Werkstücks wird hier vereinfacht als zu beschichtende Oberfläche bezeichnet. In einer anderen Ausführungsform ist die Oberfläche des fixierten Werkstücks eine Oberfläche außerhalb eines (für die angestrebte Funktion) zu beschichtenden Bereichs, beispielsweise bei einer Bremsscheibe oder einem Kolben auf der zusammenhängenden und/oder gleich ausgerichteten Oberfläche für die jeweilige Funktion jedoch außerhalb der Funktionsfläche, also außerhalb der Bremsfläche beziehungsweise der Gleitfläche. Alternativ ist die mit der Laseroptik zu beschichtende Oberfläche in einem Abschnitt angeordnet, welcher nicht mit der Funktionsfläche zusammenhängend und/oder gleich ausgerichtet gebildet ist, sondern beispielsweise auf einer dazu abgewinkelten und/oder abgesetzten Oberfläche. Dies ist beispielsweise ein Absatz oder beispielsweise bei einer Bremsscheibe deren zylindrische Außenumlauffläche und bei einem Kolben eine von dessen Deckelflächen. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist mit dem Verfahren zum Beschichten ein Bereich der funktionstragenden zu beschichtenden Oberfläche bearbeitet.
Die Zuführeinrichtung für Schweißzusatzwerkstoff ist beispielsweise für Draht oder Pulver-Material eingerichtet. Eine Pulver-Düse für den Transport von Pulver-Material für ein Pulver-Auftragschweißen weist einen (beispielsweise lateralen) oder mehrere Auslässe und/oder einen Ringspaltauslass auf, wobei das Pulver-Material mittels eines Gasstroms (beispielsweise Luft oder ein inertes Trägergas) transportiert wird. Das Pulver-Material wird somit als Pulverstrom mittels der Form des zumindest einen Auslasses und (zumindest annähernd) der Geschwindigkeit des Gasstroms entlang einer Pulver-Trajektorie befördert. Bei einer komplexeren Zuführeinrichtung für Schweißzusatzwerkstoff beziehungsweise einem komplexeren Gasstrahl muss von einem Pulver-Fokus gesprochen werden. Der Pulver-Fokus ist beispielsweise in einer zu dem Laserstrahl koaxialen Ausführung durch eine kegelförmige (beziehungsweise entlang einer gedachten Kegelmantelfläche verlaufende) Anordnung der Mehrzahl von Düsenkanälen (Pulverring als gedachte Ringlinie durch eine Mehrzahl von Punkten und/oder Linienabschnitten) beziehungsweise durch eine Ringdüse (umlaufender Pulverring) definiert. Infolge des kegelförmigen Aufbaus verjüngt sich der koaxiale Pulverring konzentrisch zu einem Pulver-Fokus. Nach Durchtreten des Pulver-Fokus divergiert der Pulvergasstrahl entlang der Propagationsrichtung (des Laserstrahls). Der Pulver-Fokus ist in einer Ausführungsform relativ zu dem Laser-Fokus auszurichten.
Die Werkstückaufnahme ist zum Einspannen, also zum Fixieren, von einem Werkstück (also dem Grundkörper) eingerichtet, wobei eine definierte Raumachse, beispielsweise eine zentrale Rotationsachse, des Werkstücks präzise ausrichtbar ist. In der Regel ist der Grundkörper bereits, bis auf die aufzubringende Beschichtung oder gegebenenfalls weitere kleinere Nachbearbeitungsprozesse, fertiggestellt. Es ist also eine präzise Positionierung notwendig. Bevorzugt wird dies mittels eines Greifarms und definierten Greifflächen an dem Werkstück und/oder einer entsprechenden Messtechnik unterstützt. Beispielsweise umfasst die Werkstückaufnahme eine Erfassungseinrichtung für Unwuchten, woraufhin eine Einspannung korrigierbar ist oder, falls ein Wuchten des Werkstücks noch nicht ausgeführt wurde oder (beispielsweise im Rahmen einer Zulässigkeit) noch ergänzt werden darf, zumindest ein entsprechender Materialabtrag oder Materialauftrag ausgeführt wird. Für ein Rotationswerkstück ist die Werkstückaufnahme beispielsweise ein Spannfutter. Für ein Werkstück ohne Rotationsachse beziehungsweise welches für eine rotative Bearbeitung ungeeignet ist, ist die Werkstückaufnahme beispielsweise ein Werkzeugtisch mit entsprechenden Fixierelementen. Die Werkstückaufnahme selbst ist bevorzugt in ein festes, gegebenenfalls justierbares, Maschinen-Koordinatensystem (zumindest im Rahmen einer Justiertoleranz) definiert eingebunden.
Die Aktorikeinrichtung ist zum Zustellen von der Laseroptik (beziehungsweise deren Laser-Fokus) und gegebenenfalls der Zuführeinrichtung für Schweißzusatzwerkstoff (beziehungsweise deren Pulver-Fokus) relativ zu dem Werkstück beziehungsweise dessen zu beschichtender Oberfläche eingerichtet. Die Aktorikeinrichtung umfasst zumindest einen Aktor, bevorzugt eine Mehrzahl von Aktoren, zum translatorischen und/oder rotatorischen Bewegen der Laseroptik und gegebenenfalls der Zuführeinrichtung für Schweißzusatzwerkstoff und/oder des Grundkörpers. Beispielsweise bei einer Bremsscheibe als Grundkörper wird von der Aktorikeinrichtung die Bremsscheibe um ihre Rotationsachse (fixiert in der Werkstückaufnahme) rotiert und die Laseroptik und die Zuführeinrichtung für Schweißzusatzwerkstoff radial geführt, sodass sich eine (zumindest angenäherte) Spiralform der Auftragsspur ergibt. Zusätzlich ist oftmals eine zu der Oberfläche des Grundkörpers normal ausgerichtete Bewegungsachse vorgesehen, wobei diese für unterschiedlich große Grundkörper vorgesehen ist und/oder für eine Möglichkeit, den Grundkörper in die Werkstückaufnahme der Vorrichtung für das Laser-Beschichtungsverfahren kollisionsfrei einzuspannen und/oder um die Laseroptik und die Zuführeinrichtung bequem warten beziehungsweise austauschen zu können. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Aktorikeinrichtung (pro Raumachse) einzig ausreichend präzise für den Beschichtungsvorgang bewegbar, beispielsweise im Bereich von wenigen Millimetern, bevorzugt von 0,1 mm [einem zehntel Millimeter] bis 1 mm.
Die Laser-Beschichtungsvorrichtung ist zum Ausführen des Verfahrens zum Beschichten einer Oberfläche eines Grundkörpers eingerichtet, wie es vorhergehend beschrieben ist. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Laser-Beschichtungsvorrichtung dazu zum oben genannten Extremhochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen [EHLA] eingerichtet. Es wird hierbei die hohe Auftragsgeschwindigkeit mit der notwendigen Auskühlung der Schweißspuren vereint, welche für schwer miteinander verschweißbare Werkstoffpaarungen förderlich ist. In einer Ausführungsform kann dadurch auch gegenüber konventionellen Auftragverfahren mit EHLA ein Zeitgewinn erzielt werden, weil auf eine Vermittlerschicht verzichtet werden kann, eine sogenannte Haftschicht oder Pufferschicht.
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: eine Laser-Beschichtungsvorrichtung in einer schematischen Ansicht mit einem Grundkörper;
2: ein (Rotations-) Grundkörper in einer Draufsicht;
3: in einer Schnittansicht eine Bremsscheibe mit Schweißspuren; und
4: ein Kraftfahrzeug mit Bremsscheiben in einer schematischen Draufsicht.

In 1 ist eine Laser-Beschichtungsvorrichtung 3 in einer schematischen Ansicht mit einem Grundkörper 4 (also Werkstück) gezeigt. Der Grundkörper 4 ist hier mittels der Werkstückaufnahme 20 der Laser-Beschichtungsvorrichtung 3 eingespannt und ist beispielsweise eine Bremsscheibe 17. Dazu weist der Grundkörper 4 eine (darstellungsgemäß obere) zu beschichtende Oberfläche 2 und optional eine (darstellungsgemäß untere) gegenüberliegende Rückseite 22 auf. Auf der zu beschichtenden Oberfläche 2 ist in dem gezeigten Zustand zum Beschichten 1 der Oberfläche 2 eines Grundkörpers 4 eine Schicht auftragbar. Der Grundkörper 4 ist dazu in eine Werkstückaufnahme 20 der Laser-Beschichtungsvorrichtung 3 eingespannt und von dieser exakt positioniert gehalten. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Werkstückaufnahme 20 beispielsweise ein Spannfutter mit einer starren Rotationsachse 5 und der Grundkörper 4 ist koaxial zu der Rotationsachse 5 ausgerichtet. Zu der zu beschichtende Oberfläche 2 ist somit die Rotationsachse 5 normal ausgerichtet. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist rein optional die Werkstückaufnahme 20 von einem Rotationsantrieb 23 angetrieben, sodass der Grundkörper 4 um die Rotationsachse 5 rotierbar ist. Der Grundkörper 4 ist dabei bevorzugt entsprechend einem Koordinatensystem von dem Rotationsantrieb 23 wiederholbar koordinaten-genau zustellbar. Der Rotationsantrieb 23 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein Teil der Aktorikeinrichtung 21.
Darstellungsgemäß oberhalb des Grundkörpers 4 ist eine Beschichtungseinheit 24 der Laser-Beschichtungsvorrichtung 3 positioniert. Die Beschichtungseinheit 24 umfasst eine Laseroptik 6, eine Steuervorrichtung 25 und eine Zuführeinrichtung 19. Die Laseroptik 6 ist zum Emittieren von Laserlicht 7 in Form von einem Laserstrahl eingerichtet, wobei die Leistungsabgabe des Laserlichts 7 mittels der Steuervorrichtung 25 steuerbar ist. Die Steuervorrichtung 25 ist dabei derart eingerichtet, dass die Leistungsabgabe der Laseroptik 6 synchronisiert zu der Zustellbewegung der Aktorikeinrichtung 21 anzuheben beziehungsweise abzusenken ist. Von der Zuführeinrichtung 19 ist ein Schweißzusatzwerkstoff 8 (hier rein optional ein Pulver-Material) bei diesem Ausführungsbeispiel in Form von einem Kegel in einem Pulver-Fokus 26 fokussiert. Bei justierter Ausrichtung überschneidet sich der Pulver-Fokus 26 mit dem Laser-Fokus 27 der Laseroptik 6 knapp oberhalb mit einem Offset 28 der zu beschichtenden Oberfläche 2. Die Laseroptik 6 ist von einem einstrahligen oder mehrstrahligen Laserstrahl (bevorzugt in einer SchutzgasAtmosphäre) gebildet. Die gezeigte Beschichtungseinheit 24 ist beispielsweise für ein präzises Hochgeschwindigkeitsbeschichten mittels EHLA eingerichtet. Darstellungsgemäß links der Beschichtungseinheit 24 ist in diesem Ausführungsbeispiel eine rein optionale Messvorrichtung 29 (hier als Kamera dargestellt) angeordnet, welche beispielsweise zum Erkennen von einem Punkt und/oder einem Muster und der relativen Lage zum Maschinen-Koordinatensystem 30 der Laser-Beschichtungsvorrichtung 3 an die Aktorikeinrichtung 21 übermittelt. Die Beschichtungseinheit 24 (hier rein optional selbst) ist mittels eines Horizontalstellers 31 der Aktorikeinrichtung 21 relativ zu dem Grundkörper 4 radial bezogen auf die Rotationsachse 5 bewegbar (Vorschub). Zudem ist (hier rein optional selbst) die Beschichtungseinheit 24 vertikal (also parallel zu der Rotationsachse 5) mittels eines Vertikalstellers 32 der Aktorikeinrichtung 21 zustellbar.
Die hier gezeigten Koordinatensysteme sind rein optional als kartesische Koordinatensysteme dargestellt, mit der z-Achse in der Bildebene nach oben weisend, der x-Achse in der Bildebene nach links weisend und der y-Achse aus der Bildebene heraus weisend. Die Daten sowie die Aktorik-Koordinaten 33 (hier rein symbolisch in dem Horizontalsteller 31 dargestellt) der Aktorikeinrichtung 21 werden in der Steuereinrichtung 34 beziehungsweise in einem Computer 35 (hier rein schematisch mit einem Prozessor 36 und einem Speicher 37 dargestellt) verarbeitet, zum Ansteuern verwendet und miteinander abgeglichen. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist (rein optional) eine Justiereinrichtung 38 vorgesehen, welche eine erste Justiereinheit 39 umfasst, welche hier (mittelbar) auf die Zuführeinrichtung 19 in der horizontalen Richtung in der Bildebene (also der x-Richtung beziehungsweise der radialen Richtung bezogen auf die Rotationsachse 5 des Grundkörpers 4) zu der Laseroptik 6 wirkt. Bevorzugt umfasst die erste Justiereinheit 39 zudem eine Stellrichtung aus der Bildebene heraus (also in y-Richtung beziehungsweise in Umlaufrichtung bezogen auf die Rotationsachse 5 des Grundkörpers 4). Rein optional umfasst die Justiereinrichtung 38 weiterhin eine zweite Justiereinheit 40, mittels welcher der Laser-Fokus 27 ausrichtbar ist. Diese zweite Justiereinheit 40 ist hier (horizontal) einwirkend (bevorzugt ebenfalls sowohl in x-Richtung als auch in y-Richtung) auf die Laseroptik 6, bevorzugt unmittelbar auf die Laser-Fokussierlinse, dargestellt.
In 2 ist ein (Rotations-) Grundkörper 4, beispielsweise eine Bremsscheibe 17 gemäß 1, in einer Draufsicht auf die zu beschichtende Oberfläche 2 gezeigt, wobei hier rein schematisch zum besseren Verständnis drei spiralförmig verlaufende Schweißspuren 9,10,11 (beispielsweise deren Mittellinien) angedeutet sind. Jede der Schweißspuren 9,10,11 beginnt (oder endet) am Außenrand 41 des Grundkörpers 4 und endet (oder beginnt) am Innenrand 42. In dieser schematischen Darstellung sind der Anfang und das Ende der jeweils gleich langen Schweißspuren 9,10,11 zueinander um 90° [neunzig Grad von 360°] versetzt zueinander. Zum vollständigen Bedecken der zu beschichtenden Oberfläche 2 sind entsprechend weitere Schweißspuren vorzusehen.
In einer möglichen Interpretation dieser Darstellung im Einklang mit der Bezeichnung sind die gezeigten Schweißspuren 9,10,11 aufgrund ihrer hier nicht dargestellten Spurbreite 12 (vergleiche 3) miteinander in Überlappung 13. Es fehlt also zur vollständigen Überdeckung der zu beschichtenden Oberfläche 2 zumindest eine weitere Schweißspur, welche beispielsweise wiederum um 90° versetzt zwischen der dritten Schweißspur 11 und der ersten Schweißspur 9 beginnt (beziehungsweise endet).
In einer anderen möglichen Interpretation dieser Darstellung (nicht im Einklang mit der Bezeichnung) sind die gezeigten Schweißspuren allesamt erste Schweißspuren 9, welche gleichzeitig auf der zu beschichtenden Oberfläche 2 aufgebracht worden sind. Die weiteren Schweißspuren 10,11 werden (bevorzugt in analoger Weise) anschließend zwischen diesen gezeigten ersten Schweißspuren 9 platziert. Es sei darauf hingewiesen, dass auch hier dann zur vollständigen Überdeckung der zu beschichtenden Oberfläche 2 zumindest eine weitere erste Schweißspur 9, welche beispielsweise wiederum um 90° versetzt zwischen der bei etwa 9 Uhr der Darstellung (bezeichnet gemäß vorhergehender Interpretation hier als dritte) Schweißspur 11 und der bei etwa 3 Uhr der Darstellung (bezeichnet hier als erste) Schweißspur 9 beginnt (beziehungsweise endet).
In 3 ist in einer schematischen Schnittansicht eine Bremsscheibe 17 mit Schweißspuren 9,10,11 auf ihrer zu beschichtende Oberfläche 2 gezeigt, wobei die Größenverhältnisse nicht maßstabsgetreu sind und die Schweißspuren 9,10,11 und die hergestellte Beschichtung 1 übertrieben groß dargestellt sind. Auf der Rückseite 22 ist bei diesem Ausführungsbeispiel bereits eine vollständige (also finale) hergestellte Beschichtung 1 gezeigt, welche hier (rein optional) weiterhin abgeschliffen ist und von welchem eine Reibfläche 18 gebildet ist. Auf der (darstellungsgemäß oberen) zu beschichtenden Oberfläche 2 ist am Außenrand 41 eine erste Schweißspur 9 und drei weitere bis zum Innenrand 42 zu erkennen, welche bevorzugt zu einer gemeinsamen spiralförmigen Spur gehören (beispielsweise in analoger Weise wie in 2 gezeigt). Mit einer (rein optional etwa 80 %-igen) Überlappung 13 ist angrenzend eine zweite Schweißspur 10 und wiederum die zweite Schweißspur 10 entsprechend überlappend eine dritte Schweißspur 11 gezeigt, welche hier der Übersichtlichkeit halber einzig bei der Gruppe beim Außenrand 41 bezeichnet sind, aber entsprechend bei allen weiteren Abschnitten 15 der ersten Schweißspur 9 überlappend angrenzend angeordnet sind.
Aus der gewünschten Überlappung 13 und der eingestellten Spurbreite 12, welche beide rein optional aber bevorzugt bei allen Schweißspuren 9,10,11 und über die gesamte Erstreckung der jeweiligen Schweißspur 9,10,11 konstant sind, ergibt sich die Differenz 16. Der darstellungsgemäße Abstand 14 zwischen den (hier radial) benachbarten Abschnitten 15 der jeweiligen Schweißspuren 9,10,11 (hier rein optional an der Mittellinie der ersten Schweißspur 9 am Außenrand 41 zu dem nächst inneren Abschnitt 15 derselben Schweißspur 9 abgetragen) beträgt ein Vielfaches dieser Differenz 16 und ist deutlich übertrieben dargestellt. Beispielsweise fehlen in dieser schematischen Darstellung weitere erste Schweißspuren 9, zweite Schweißspuren 10 und dritte Schweißspuren 11, welche in der (radialen) Lücke zwischen den dargestellten Gruppen von Abschnitten 15 der drei Schweißspuren 9,10,11 eingebracht sind. Alternativ oder zusätzlich sind im finalen Zustand (wie an der Rückseite 22 dargestellt) so viele weitere Schweißspuren nach der dritten Schweißspur 11 radial angrenzend und/oder überlappend aufgetragen, dass die gezeigte (radiale) Lücke komplett aufgefüllt ist. Es sei darauf hingewiesen, dass hier der Einfachheit halber ein einlagiger Schichtaufbau dargestellt ist. Bevorzugt besteht eine finale Beschichtung 1 aber aus einer Mehrzahl von Lagen, welche bevorzugt in analoger Weise auf die zuvor aufgebrachten Schweißspuren 9,10,11 aufgetragen werden.
In 4 ist ein Kraftfahrzeug 43 mit Bremsscheiben 17 in einer schematischen Draufsicht gezeigt. Das Kraftfahrzeug 43 weist vier Räder 44 auf, wobei jeweils zwei Räder 44 auf einer gemeinsamen Radachse gegenüberliegend angeordnet sind. In diesem Beispiel weist jedes der Räder 44 eine Bremsscheibe 17 auf, wobei Rad 44 und Bremsscheibe 17 drehmomentfest verbunden sind.
Beispielsweise ist auf jeder der beiden axial-gegenüberliegenden Seiten der Bremsscheibe 17 mittels der in 1 gezeigten Laser-Beschichtungsvorrichtung 3 eine Beschichtung 1 (vergleiche 3) auf die zu beschichtende Oberfläche 2 des (Rotations-) Grundkörpers 4 aufgetragen. An jeder der Bremsscheiben 17 ist ein Paar von Bremsklötzen 45 angeordnet, wobei die Bremsklötze 45 fest mit der Fahrzeugkarosserie verbunden sind. Zum Entschleunigen des Kraftfahrzeugs 43 wird (jeder oder einzeln geregelt) ein jeweiliger Bremsklotz 45 gegen die jeweilige Bremsscheibe 17 gepresst. Die Bremsenergie wird zu einem großen Teil als Abwärme in die jeweilige Bremsscheibe 17 eingetragen, weshalb die Beschichtung 1 unter hohen Temperaturen und hoher Scherlast und hohem Druck belastet wird. Diese Beschichtung 1 muss diesem Belastungsfall standhalten.
Mit dem hier vorgeschlagenen Verfahren zum Beschichten einer Oberfläche ist eine verbesserte Schweißverbindung bei zugleich keiner oder geringer Zeiteinbuße erzielbar.
Bezugszeichenliste

1: hergestellte Beschichtung
2: zu beschichtende Oberfläche
3: Laser-Beschichtungsvorrichtung
4: Grundkörper
5: Rotationsachse
6: Laseroptik
7: Laserlicht
8: Schweißzusatzwerkstoff
9: erste Schweißspur
10: zweite Schweißspur
11: dritte Schweißspur
12: Spurbreite
13: Überlappung
14: Abstand
15: benachbarte Abschnitte
16: Differenz
17: Bremsscheibe
18: Reibfläche
19: Zuführeinrichtung
20: Werkstückaufnahme
21: Aktorikeinrichtung
22: Rückseite
23: Rotationsantrieb
24: Beschichtungseinheit
25: Steuervorrichtung
26: Pulver-Fokus
27: Laser-Fokus
28: Offset
29: Messvorrichtung
30: Maschinen-Koordinatensystem
31: Horizontalsteller
32: Vertikalstellers
33: Aktorik-Koordinaten
34: Steuereinrichtung
35: Computer
36: Prozessor
37: Speicher
38: Justiereinrichtung
39: erste Justiereinheit
40: zweite Justiereinheit
41: Außenrand
42: Innenrand
43: Kraftfahrzeug
44: Rad
45: Bremsklotz

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102011100456 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Beschichten (1) einer Oberfläche (2) mittels einer Laser-Beschichtungsvorrichtung (3), wobei das Verfahren zumindest die folgenden Schritte aufweist: a. Bereitstellen eines Grundkörpers (4) mit einer zu beschichtenden Oberfläche (2); b. Bereitstellen einer Laseroptik (6), welche relativ zu dem bereitgestellten Grundkörper (4) bewegbar ist und mittels welcher Laserlicht (7) zum Verbinden eines Schweißzusatzwerkstoffs (8) mit der zu beschichtenden Oberfläche (2) fokussiert bereitstellbar ist; c. Bewegen der zu beschichtenden Oberfläche (2) relativ zu der Laseroptik (6); und d. Bereitstellen von Schweißzusatzwerkstoff (8) und Ausführen eines Beschichtungsvorgangs mittels Erhitzen von dem bereitgestellten Schweißzusatzwerkstoff (8) mittels Laserlicht (7) der Laseroptik (6) zum Verbinden einer bahnförmigen ersten Schweißspur (9) mit der zu beschichtenden Oberfläche (2), wobei die erste Schweißspur (9) eine vorbestimmte Spurbreite (12) aufweist und bereitgestellten Schweißzusatzwerkstoff (8) umfasst, wobei Schritt c. während eines Beschichtungsvorgangs gemäß Schritt d. ausgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schweißspur (9) in Schritt d. mit einer Überlappung (13) mit sich selbst von weniger als 10 % der Spurbreite (12) oder ohne Überlappung (13) auf der zu beschichtenden Oberfläche (2) erzeugt wird, und eine weitere Schweißspur (10,11) frühstens nach Vollendung einer relativen 360°-Wendung zwischen der zu beschichtenden Oberfläche (2) und der Laseroptik (6) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei in Schritt c. die Laseroptik (6) relativ zu der zu beschichtenden Oberfläche (2) um die Rotationsachse (5) rotiert und bezogen auf die Rotationsachse (5) radial bewegt wird, und in Schritt d. die erste Schweißspur (9) spiralförmig erzeugt wird, eine weitere Schweißspur (10,11) während Schritt d. frühstens nach einer vollen relativen Umdrehung der zu beschichtenden Oberfläche (2) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei analog zu Schritt a. bis Schritt d. eine oder mehrere weitere Schweißspuren (10,11) auf der zu beschichtenden Oberfläche (2) aufgebracht werden, wobei von zumindest einer der Schweißspuren (10,11) mit der ersten Schweißspur (9) eine Überlappung (13) gebildet ist, welche gleich oder größer als 40 %, bevorzugt größer als 60 %, der jeweiligen Spurbreite (12) ist.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei eine nachfolgende Schweißspur (10) jeweils erst nach Vollendung der kompletten vorhergehend erzeugten Schweißspur (9) aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Schritt a. bis Schritt d. zum gleichzeitigen Erzeugen von mehreren ersten Schweißspuren (9) entsprechend mehrfach gleichzeitig ausgeführt werden, wobei die gleichzeitig erzeugten ersten Schweißspuren (9) in Schritt d. ohne Überlappung (13) mit sich selbst und mit einer Überlappung (13) miteinander von weniger als 10 % der Spurbreite (12) oder ohne Überlappung (13) auf der zu beschichtenden Oberfläche (2) erzeugt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Abstand (14) zwischen zwei mittels des Verfahrens erzeugten benachbarten Abschnitten (15) der ersten Schweißspur (9) gleich dem oder größer als das Zweifache, bevorzugt Dreifache, der Differenz (16) zwischen der Spurbreite (12) und der gewünschten Überlappung (13) von Schweißspuren (9,10,11) im finalen Zustand der beschichteten Oberfläche (2) ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zu beschichtende Oberfläche (2) während oder nach Schritt d. gekühlt wird, bevorzugt mittels Luftkühlung und/oder aktivierter Wärmeleitung.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Grundkörper (4) derjenige einer Bremsscheibe (17) ist, wobei auf der zu beschichtenden Oberfläche (2) eine Reibfläche (18) zu bilden ist.
Laser-Beschichtungsvorrichtung (3), aufweisend zumindest die folgenden Komponenten: - eine Laseroptik (6); - eine Zuführeinrichtung (19) zum Zuführen von Schweißzusatzwerkstoff (8); - eine Werkstückaufnahme (20) zum Aufnehmen von einem Grundkörper (4) mit einer zu beschichtenden Oberfläche (2); und - eine Aktorikeinrichtung (21) zum Bewegen von der Laseroptik (6), und bevorzugt der Zuführeinrichtung (19), relativ zu einem in der Werkstückaufnahme (20) aufgenommenen Grundkörper (4), wobei die Laser-Beschichtungsvorrichtung (3) zum Ausführen eines Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichtet ist, wobei bevorzugt die Laser-Beschichtungsvorrichtung (3) zum Extremhochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen eingerichtet ist.