DE19533960A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von metallischen Werkstücken - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von metallischen WerkstückenInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstel
lung von metallischen Werkstücken, insbesondere von Formwerk
zeugen, wobei mit einem Laserstrahl metallhaltiges Pulver in
einem Schmelzbereich des Laserstrahls schichtweise aufge
schmolzen wird und aufgebrachte Schichten spanend nachbear
beitet werden. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine
Vorrichtung zur Herstellung von metallischen Werkstücken,
insbesondere zur Durchführung des Verfahrens, mit einer Be
schichtungseinrichtung, die eine Lasereinheit mit einem La
serstrahl-Fokussierkopf und eine Pulverzuführungsvorrichtung
zur Zuführung von metallhaltigem Pulver in einen Schmelzbe
reich des Laserstrahls aufweist, und einer Zerspanungsvor
richtung.
Für die Herstellung von Formwerkzeugen sind bereits eine
Vielzahl von Verfahren bekannt geworden, die sich grundsätz
lich in zwei Kategorien einteilen lassen, nämlich einstufige
Verfahren wie beispielsweise Drei- und Fünfachsfräsen oder
Drahterodieren und zweistufige Verfahren wie beispielsweise
Senkerodieren mit vorangehender Herstellung der Erodierelek
troden oder konventioneller Modellbau mit Folgetechniken wie
Gießen oder Metallspritzen.
Grundsätzlich besitzen alle der genannten Techniken den Nach
teil, zeitaufwendig zu sein. Darüber hinaus ist zum Teil, wie
beispielsweise beim Fräsen, ein hoher Programmieraufwand not
wendig. Die zweistufigen Verfahren einschließlich der Ero
diertechniken oder des herkömmlichen Modellbau- und Gießver
fahrens erfordern mehrere Bearbeitungsschritte bis zum
metallischen Werkzeug.
Die genannten Nachteile kommen insbesondere dann zum Tragen,
wenn nur eine geringe Stückzahl von gleichen Werkstücken zu
fertigen ist. Um auch sehr geringe Stückzahlen flexibel und
wirtschaftlich zu fertigen, ist es bereits bekannt geworden,
Werkstücke durch Schmelzen von metallhaltigem Pulver schicht
weise aufzubauen. Beispielsweise zeigt die EP-A-0 558 870 ein
Verfahren zum Freiformschweißen von Metallstrukturen, bei dem
mittels eines Lasers Metallpulver oder Metalldraht durch wie
derholten Auftrag auf ein Substrat aufgeschmolzen wird, wobei
der bereits hergestellte Teil der Metallstruktur selbst als
Substrat dient.
Dieses Verfahren ist jedoch auf die Herstellung von Prototy
pen bzw. auf Werkstücke beschränkt, deren Oberfläche und Form
genauigkeit keinen hohen Ansprüchen unterliegt, da durch
Freiformschweißen nur geringe Genauigkeiten erzielbar sind.
Ferner wurde bereits ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
Herstellung von metallischen Werkstücken vorgeschlagen, das
bzw. die das schichtweise Aufschmelzen von metallhaltigem
Pulver mittels eines Laserstrahls und eine spanende Nachbear
beitung mittels einer Zerspanungsvorrichtung verbindet
(M.L. Murphy et al., The Rapid Manufacture of Metallic Compo
nents by Laser Surface Cladding, in: Laser Assisted Net-shape
Engineering, Proceedings of the LANE ′94, Vol. 11, Seite 803-
814). Hierbei ist eine Beschichtungseinrichtung, die einen
CO₂-Laser und eine Pulverzuführungsvorrichtung aufweist, an
einer Fräsmaschine montiert. Ein Fokussierkopf, der den La
serstrahl fokussiert, ist in der Werkzeugeinspannvorrichtung
der Fräsmaschine einspannbar und koaxial mit der Spindel der
Fräsmaschine angeordnet. Die Pulverzuführungsvorrichtung
weist ein hierzu seitlich angeordnetes Rohr auf, durch das
metallhaltiges Pulver schräg in einen Schmelzbereich des La
serstrahls zugeführt wird. Hierbei werden bei einem Laser
strahl-Fokussierpunktdurchmesser von mehreren Millimetern
(1 mm-5 mm) Spuren mit einer Dicke im Bereich größer 1 mm
aufgebracht).
Dieses bekannte Verfahren und die zugehörige Vorrichtung sind
jedoch vorrangig nur dafür geeignet, Werkstücke größerer Ab
messungen ohne fein ausgebildete Konturen herzustellen. Unbe
friedigend ist hierbei besonders die Herstellbarkeit von im
Feinbereich liegenden Werkstücken wie beispielsweise Form
werkzeugen zum Spritzgießen kleiner Kunststoffbauteile.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde,
ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung
der eingangs genannten Art anzugeben, die die Herstellung von
metallischen Werkstücken auch im Feinbereich mit erhöhter Ge
nauigkeit erlauben.
Hinsichtlich des Verfahrens wird diese Aufgabe bei einem Ver
fahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch ge
löst, daß das Pulver koaxial zu dem Laserstrahl in den
Schmelzbereich zugeführt wird und die einzelnen Schichten in
Spuren mit einer Breite im Bereich von 0,1 mm-1 mm und ei
ner Dicke im Bereich von 0,05 mm-0,5 mm aufgebracht werden.
Hierdurch können auch feine und filigrane Formelemente mit
hoher Genauigkeit hergestellt werden. Die koaxiale Zuführung
des Pulvers gewährleistet einen gegenüber der seitlich ange
ordneten Pulverdüse gleichmäßigen, richtungsunabhängigen Ma
terialauftrag insbesondere auch wenn sehr dünne Spuren aufzu
bringen sind. Das Aufbringen der einzelnen Schichten in Spu
ren der oben genannten Größenbereiche vermindert ferner den
Aufwand bei der spanenden Nachbearbeitung, da die Schichten
bereits während des Beschichtungsvorganges sehr genau und na
he der gewünschten Endform des Werkstückes geformt werden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin,
daß die Spuren mit einer Breite im Bereich von 0,2 mm-
0,5 mm und einer Dicke im Bereich von 0,05 mm-0,2 mm aufge
bracht werden.
Entsprechend einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung
wird eine einzelne Schicht in Spuren unterschiedlicher Geome
trie aufgebracht. Bevorzugt werden in Randzonen einer Schicht
Spuren mit relativ geringer Breite und geringer Dicke aufge
bracht, während in einer Kernzone der Schicht Spuren mit re
lativ größerer Breite und größerer Dicke aufgebracht werden.
Hierdurch wird bei hoher Aufbauleistung eine Schicht mit sehr
hoher Genauigkeit hergestellt. Der Schichtbereich, nämlich
die Kernzone, der keinen Einfluß auf die Geometrie- und Maß
genauigkeit besitzt, wird mit hoher Aufbauleistung erzeugt,
d. h. mit größerem Strahldurchmesser, höherer Strahlleistung
und größerer Pulvermenge. Die für die Genauigkeit entschei
denden Randzonen einer Schicht lassen sich durch die feinen
Spuren mit hoher Genauigkeit formen.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung besteht auch dar
in, daß Spuren in Kernzonen unterschiedlicher Schichten in
verschiedenen Richtungen aufgebracht werden. Die Veränderung
der Orientierung der Füllspuren in den Kernzonen von Schicht
zu Schicht erhöht die Ebenheit der zu erzeugenden Fläche.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist auch da
durch gegeben, daß das Pulver bei einer Laserleistung von
vorzugsweise kleiner als 1 kW aufgeschmolzen wird. Vorzugs
weise werden Laserquellen, deren Strahl mit Lichtwellenlei
tern übertragbar sind, insbesondere ein Nd-YAG-Laser verwen
det. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird
ein CO₂-Laser verwendet.
Entsprechend einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Er
findung werden Schichten und/oder Spuren in einer Schicht aus
unterschiedlichen Werkstoffen aufgebracht. Bevorzugt werden
in beanspruchten Randzonen des Werkstücks Schichten und/oder
Spuren in einer Schicht aus hartem verschleißfesten Werkstoff
aufgebracht, während in Kernzonen des Werkstücks Schichten
und/oder Spuren in einer Schicht aus duktilem Werkstoff auf
gebracht werden. Durch einen derartigen partiell abgestimmten
Materialeinsatz lassen sich optimierte Werkzeugeigenschaften
erzielen.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfah
rens besteht darin, daß die aufgebrachten Schichten jeweils
einzeln nachbearbeitet werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die
jeweils zuletzt aufgebrachte Schicht vor Aufbringen einer
weiteren Schicht an einer Oberseite, auf der die weitere
Schicht aufgebracht wird, planbearbeitet, während eine Kon
turseite der zuletzt aufgebrachten Schicht vor Auftragen der
weiteren Schicht unbearbeitet bleibt. Vorzugsweise wird je
weils die vorletzte Schicht oder mehrere vor der letzten
Schicht aufgebrachte Schichten an einer Konturseite nachbear
beitet. Die zuletzt aufgebrachte oberste Schicht steht an ih
ren Konturseiten hierdurch über eine Sollkontur hinaus, so
daß eine weitere Schicht bis über die Sollkontur hinaus auf
geschmolzen werden kann und insbesondere auch die Randberei
che an der Sollkontur ausgefüllt werden können.
Die jeweils separate Nachbearbeitung einzelner oder mehrerer
aufgebrachter Schichten reduziert die spanende Nachbearbei
tung auf eine zweidimensionale Bearbeitung der zuletzt er
zeugten Lagen mit gleichbleibenden Zerspanungsbedingungen.
Dies erleichtert den Programmieraufwand, vermindert die Kol
lisionsgefahr und ermöglicht eine automatisierte Prozeßfüh
rung. Darüber hinaus wird die Bearbeitung von dünnen tiefen
Aussparungen vermieden.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist ferner auch
dadurch gegeben, daß die Schichten durch Fräsen und/oder
Schleifen nachbearbeitet werden. Gemäß einer bevorzugten Aus
führungsform werden die Konturseiten der Schichten mit Fein
fräswerkzeugen bearbeitet, während die Oberseite der jeweils
zuletzt aufgebrachten Schicht mit Grobfräswerkzeugen bearbei
tet wird. Auf diese Weise wird die zur Nachbearbeitung not
wendige Bearbeitungszeit verkürzt, wobei an den Konturseiten
der Schichten die notwendige Genauheit und Oberflächenquali
tät erreicht wird.
Vorzugsweise werden die Schichten mit Feinfräs- oder Schleif
werkzeugen bei einer Drehzahl im Bereich von 10 × 10³ U/min-
60 × 10³ U/min feinbearbeitet.
Besonders hohe Genauigkeiten im Konturbereich des Werkstücks
werden nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung da
durch erzielt, daß die zuletzt aufgetragene Schicht in einem
Konturbereich nachbearbeitet wird derart, daß der Konturbe
reich in eine vorbestimmte Form gebracht wird und in einem
folgenden Schritt auf den nachbearbeiteten Konturbereich Spu
ren geringer Dicke und Breite aufgebracht werden. Dadurch
sind trotz zunächst grober und dadurch schneller Herstellung
einer Schicht sehr genaue Konturbereiche aufbaubar.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird das
Werkstück während der Laser- und/oder der zerspanenden Bear
beitung gekühlt. Durch die konstant gehaltene Temperatur des
Werkstücks vereinfacht sich die Regelung der Beschichtungspa
rameter.
Eine bevorzugte Ausführung der Erfindung besteht ferner dar
in, daß nicht geschmolzenes Pulver aus einem Arbeitsbereich
weggeblasen und/oder abgesaugt wird.
Hinsichtlich der Vorrichtung wird die oben genannte Aufgabe
bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art erfindungs
gemäß dadurch gelöst, daß die Pulverzuführungsvorrichtung ei
nen Pulverkopf aufweist, der koaxial mit dem Laserstrahl-
Fokussierkopf angeordnet ist und in Richtung des Laserstrahls
relativ zu dem Laserstrahl-Fokussierkopf verstellbar ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung bilden
der Laserstrahl-Fokussierkopf und der Pulverkopf eine inte
grale Beschichtungseinheit.
Die Zerspanungsvorrichtung weist entsprechend einer bevorzug
ten Ausführungsform der Erfindung einen Zerspanungskopf mit
einem Fräs- oder Schleifwerkzeug auf. Vorzugsweise sind der
Zerspanungskopf und die Beschichtungseinheit an einer Halte
vorrichtung zur Halterung und Führung des Zerspanungskopfes
und der Beschichtungseinheit gelagert.
Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung besteht darin,
daß die Haltevorrichtung eine Werkzeugwechselvorrichtung auf
weist, in die wahlweise der Zerspanungskopf und die Beschich
tungseinheit einspannbar sind. Vorzugsweise sind der Zerspa
nungskopf und die Beschichtungseinheit, jeweils eingespannt
in die Werkzeugwechseleinrichtung, zueinander koaxial ange
ordnet.
Hierdurch können Beschichtungseinheit und Zerspanungskopf
rasch und einfach ausgewechselt werden, um abwechselnd neue
Schichten aufzutragen und diese nachfolgend spanend nachzube
arbeiten. Die koaxiale Anordnung von Beschichtungseinheit und
Zerspanungskopf optimiert die Ausnutzung des zur Verfügung
stehenden Arbeitsraumes.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist eine
zueinander versetzte Anordnung des Zerspanungskopfes und der
Beschichtungseinheit.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der
Zerspanungskopf relativ zu der Beschichtungseinheit in einer
Richtung senkrecht zu einem Werktisch verstellbar. Hierdurch
kann die Beschichtungseinheit während der spanenden Nachbear
beitung oder einem Werkzeugwechsel (oder der Zerspankopf wäh
rend eines Beschichtungsvorganges) aus einem Kollisionsbe
reich gebracht werden.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist auch dadurch
gegeben, daß die Haltevorrichtung und der Werktisch relativ
zueinander entlang von drei Achsen verstellbar sind. Gemäß
einer weiteren Ausführungsform sind die Haltevorrichtung und
der Werktisch relativ zueinander fünfachsig verstellbar.
Hierdurch sind auch komplizierte Werkstückgeometrien z. B.
Werkstücke mit Hinterschneidungen einfacher herstellbar.
Zur Verstellung der Haltevorrichtung und des Werktisches re
lativ zueinander sind entsprechend einer bevorzugten Ausge
staltung der Erfindung jeweils numerisch gesteuerte Vorschu
bantriebe vorgesehen. Darüber hinaus ist entsprechend einer
bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ein numerisch gesteu
erter Antrieb zur Verstellung des Laserstrahl-Fokussierkopfes
und des Pulverkopfes relativ zueinander vorgesehen.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung besteht ferner
darin, daß ein Lichtwellenleitfaserkabel mit dem Laserstrahl-
Fokussierkopf verbunden ist. Eine aufwendige Strahlführung
mittels Umlenkspiegeln ist dadurch unnötig.
Vorzugsweise ist als Laserquelle ein Nd-YAG-Laser vorgesehen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfin
dung wird der Laserstrahl durch eine Umlenkspiegelvorrichtung
geführt. Vorzugsweise wird hierbei ein CO₂-Laser als Laser
quelle verwendet.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung liegt auch darin,
daß dem Zerspanungskopf eine Antriebsvorrichtung zum Antrieb
des Fräs- oder Schleifwerkzeugs zugeordnet ist, durch das das
Fräs- oder Schleifwerkzeug vorzugsweise im Bereich von 10 ×
10³ U/min-60 × 10³ U/min antreibbar ist. Vorzugsweise weist
die Antriebsvorrichtung eine elektrische Hochgeschwindig
keitsspindel auf.
Entsprechend einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung
weist der Werktisch eine Kühlvorrichtung zur indirekten Werk
stückkühlung und Wärmeabfuhr auf. Die Kühlvorrichtung besitzt
vorzugsweise im Werktisch ausgebildete Kühlmittelkanäle.
Ferner besteht eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung
darin, daß eine Pulverabsaugvorrichtung in einem Arbeitsbe
reich der Beschichtungseinheit vorgesehen ist. Überschüssiges
Pulver, das im Schmelzbereich des Laserstrahls nicht ge
schmolzen wurde, wird hierdurch abgesaugt und kann nach einer
möglichen Wiederaufbereitung der Pulverzuführungsvorrichtung
rückgeführt werden.
Entsprechend einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung
ist eine elektronische Steuereinrichtung zur Steuerung der
Beschichtungseinrichtung und der Zerspanungsvorrichtung vor
gesehen. Vorzugsweise weist die Steuereinrichtung eine
Schnittstelle auf, die mit einer CAD Einheit verbindbar ist,
und darüber hinaus erzeugt die Steuereinrichtung auf der
Grundlage von CAD Geometriedaten und manuell eingegebener Da
ten ein Bearbeitungsprogramm zur Ansteuerung der Beschich
tungseinrichtung und der Zerspanvorrichtung. Hierdurch ist es
möglich, ein Werkzeug, das auf einer CAD Einheit konstruiert
wurde, in Ebenen zu zerlegen und die CAD Geometriedaten an
die elektronische Steuereinrichtung zu übergeben, die dann
auf der Grundlage dieser CAD Geometriedaten NC Daten erzeugt
und diese zur Ansteuerung der Beschichtungseinrichtung bzw.
der Zerspanungsvorrichtung verwendet. Auf diese Weise wird
die Fertigung der Werkstücke in hohem Maße automatisiert.
Die Erfindung wird nachstehend anhand bevorzugter Ausfüh
rungsbeispiele in Verbindung mit zugehörigen Zeichnungen nä
her erläutert. In diesen zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung ge
mäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung
in einer perspektivischen Ansicht,
Fig. 2 eine Teilansicht der Vorrichtung gemäßt Fig. 1, wo
bei eine Haltevorrichtung für eine Beschichtungs
einheit mit einem Laserstrahl-Fokussierkopf und ei
nem Pulverkopf, die in einer abgesenkten und einer
angehobenen Stellung dargestellt sind, und einem
Zerspanungskopf in einer Seitenansicht gezeigt ist,
Fig. 3 eine Frontansicht der Haltevorrichtung nach Fig. 2,
wobei die Beschichtungseinheit nicht dargestellt
ist,
Fig. 4 eine Draufsicht der Haltevorrichtung nach Fig. 2
und 3,
Fig. 5 eine Teilansicht der Vorrichtung nach Fig. 1, wobei
eine Werktischplatte, in der Kühlmittelkanäle aus
gebildet sind, in einer Draufsicht (a), in einer
Frontansicht (b) und einer Seitenansicht (c) ge
zeigt ist,
Fig. 6 eine Teilansicht der Vorrichtung gemäß Fig. 1, wo
bei eine Absaugvorrichtung in einer Draufsicht (a)
mit einer geschnittenen Ansicht und in einer ge
schnittenen Seitenansicht (b) dargestellt ist,
Fig. 7 eine schematische Darstellung zur Verdeutlichung
der Kinematik der Lagerung für die Beschichtungs
einheit und den Zerspanungskopf gemäß dem Ausfüh
rungsbeispiel nach den Fig. 1-5,
Fig. 8 eine schematische Darstellung, die das Prinzip ei
nes Verfahrens und einer Vorrichtung zur Herstel
lung metallischer Werkstücke verdeutlicht und eine
Beschichtungseinrichtung und eine Zerspanungsein
richtung sowie deren Beweglichkeit relativ zu einem
Werkstück gemäß verschiedener bevorzugter Ausfüh
rungsbeispiele der Erfindung zeigt, wobei gemäß (a)
und (b) Ausführungsformen mit einem CO₂-Laser und
Umlenkspiegelvorrichtungen und gemäß (c) eine Aus
führungsform mit einem Nd-YAG-Laser und Lichtwel
lenleitfaserkabel gezeigt sind,
Fig. 9 eine schematische Darstellung, ähnlich Fig. 7, ei
ner Haltevorrichtung mit einer Werkzeugwechselvor
richtung, wobei (a) eine Beschichtungseinheit und
(b) ein Zerspanungskopf, jeweils in die Werkzeug
wechselvorrichtung eingespannt, dargestellt sind,
Fig. 10 eine schematische Darstellung ähnlich Fig. 9 wobei
zusätzlich eine Werkzeugaufnahme für ein jeweils
zeitweilig nicht benutztes Werkzeug gezeigt ist,
wobei der Zerspanungskopf in einer Ausführung dar
gestellt ist, in der eine Druckluftspindel vorgese
hen ist,
Fig. 11 eine schematische Darstellung zur Verdeutlichung
einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens, wobei
das schrittweise Aufbringen mehrerer Schichten mit
tels der Beschichtungseinheit und die zwischenge
schaltete Nachbearbeitung einzelner Schichten mit
tels des Zerspanungskopfes im Ablauf dargestellt
sind,
Fig. 12 eine schematische Darstellung des Verfahrens gemäß
bevorzugter Ausführungsformen, wobei in einem Kern
bereich einer Schicht Spuren relativ großer Breite
und Dicke aufgebracht werden und in einem Randbe
reich Spuren relativ geringer Breite und Dicke auf
gebracht werden, wobei gemäß (a) die Randbereiche
ohne vorherige spanende Bearbeitung, gemäß (b) die
Randbereiche mit vorangehender spanender Bearbei
tung, gemäß (c) zuerst die Randbereiche und hier
nach die Kernbereiche mit nachfolgender spanender
Bearbeitung beschichtet werden, während gemäß (d)
die Randbereiche vollständig durch spanende Nachbe
arbeitung geformt werden,
Fig. 13 eine schematische Darstellung, die eine relative
Bewegung zwischen einem Laserstrahl-Fokussierkopf
und einem Pulverkopf der Beschichtungseinheit zum
Aufschmelzen von Spuren unterschiedlicher Breite
zeigt,
Fig. 14 eine schematische Darstellung ähnlich Fig. 8, die
eine bevorzugte Ausführung des Verfahrens verdeut
licht, bei dem ein Werkstück aus unterschiedlichen
Materialien aufgebaut wird,
Fig. 15 eine schematische Darstellung, die eine bevorzugte
Ausgestaltung des Verfahrens verdeutlicht, bei der
ein beschädigter Bereich eines Werkstücks repariert
wird,
Fig. 16 eine schematische Darstellung zur Verdeutlichung
der Geometrie von durch die erfindungsgemäße Vor
richtung fertigbaren Werkstücken mit Hinterschnei
dungen, und
Fig. 17 eine schematische Darstellung, die (a) verschiedene
Strategien beim Ausfüllen einer Schicht mit Spuren
und (b) die Orientierung von Spuren mehrerer
Schichten verdeutlicht.
Zunächst soll mit Bezug auf die Fig. 1-7 der Aufbau einer
Vorrichtung zur Herstellung von metallischen Werkstücken,
insbesondere von Formwerkzeugen, nach einem ersten Ausfüh
rungsbeispiel der Erfindung erläutert werden.
Grundsätzlich weist die Vorrichtung eine Beschichtungseinrich
tung 2 und eine Zerspanungsvorrichtung 3 auf. Mit Hilfe der
Beschichtungseinrichtung 2 wird metallisches oder metallge
bundenes Pulver aufgeschmolzen und schichtweise aufgetragen.
Auf diese Weise wird das Werkstück 1 Schicht für Schicht auf
gebaut. Um die Formgenauigkeit und die Oberflächengüte des
Werkstücks 1 zu verbessern, werden die einzelnen Schichten,
wie später noch näher erläutert werden wird, durch die Zer
spanungsvorrichtung 3 einzeln oder zu mehreren zusammengefaßt
nachbearbeitet.
Die Beschichtungseinrichtung 2 weist eine Lasereinheit mit
einem Laserstrahl-Fokussierkopf 4 und eine Pulverzuführungs
vorrichtung mit einem Pulverkopf 5 auf, der das metallhaltige
Pulver in einen Schmelzbereich des Laserstrahls zuführt, um
das Pulver, wie später noch näher erläutert werden wird, in
Schichten auf ein Werkstücksubstrat bzw. auf bereits aufge
brachte Schichten aufzuschmelzen.
Wie in Fig. 1 und 2 zu sehen ist, sind der Laserstrahl-
Fokussierkopf 4 und der Pulverkopf 5 zueinander koaxial ange
ordnet und bilden eine integrale Beschichtungseinheit, die
allgemein mit der Bezugsziffer 6 bezeichnet wird. Die Zerspa
nungsvorrichtung 3 besitzt einen Zerspanungskopf 7, in den
verschiedene Fräs- und Schleifwerkzeuge, wie z. B. Stirn-,
Schaft- und Kugelkopffräser oder Schleifscheiben und -stifte,
einspannbar sind, um die Oberfläche der aufgebrachten Schich
ten nachzubearbeiten.
Der Zerspanungskopf 7 und die Beschichtungseinheit 6 sind zu
sammen an einer Haltevorrichtung, die allgemein mit der Be
zugsziffer 8 bezeichnet wird, gelagert und werden durch diese
relativ zu dem Werkstück 1 geführt. Die Haltevorrichtung 8
ist relativ zu einem Werktisch 9, auf dem das Werkstück 1
aufliegt, entlang dreier Achsen verstellbar. Hierzu ist eine
Portallagerungsvorrichtung 10 vorgesehen, an der die Halte
vorrichtung 8 gelagert ist. Die Portallagerungsvorrichtung 10
weist ein Paar Vertikalstreben 11a und 11b auf, zu denen der
Werktisch 9 entlang einer x-Achse relativ verschieblich gela
gert und durch einen nicht dargestellten Antrieb verfahrbar
ist. An den beiden Vertikalstreben 11a und 11b ist eine Tra
verse 12 gelagert, an der wiederum eine Vertikalführung 13
entlang einer y-Achse verschieblich gelagert ist, die durch
einen ebenfalls nicht dargestellten Antrieb verfahrbar ist.
Die Haltevorrichtung 8 ist an einem Schlitten 14 befestigt,
der entlang der Vertikalführung 13 in Richtung einer z-Achse
verschieblich gelagert ist und durch einen ebenfalls nicht
dargestellten Antrieb verfahrbar ist.
Da der Aufbau des Werkstücks 1 in Schichten erfolgt, d. h. so
wohl das Aufbringen einer Schicht durch Aufschmelzen von me
tallhaltigem Pulver als auch die spanende Nachbearbeitung der
Schicht jeweils in einer zur xy-Ebene parallelen Ebene erfol
gen, ist die Haltevorrichtung 8 zum Aufbau einer Schicht und
deren Nachbearbeitung in der x- und der y-Richtung relativ zu
dem Werkstück 1 zu verfahren. Für den Aufbau einer weiteren
Schicht wird die Haltevorrichtung 8 entlang der z-Achse nach
oben verstellt.
Obwohl gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel die Haltevor
richtung 8 relativ zu dem Werktisch 9 entlang dreier Achsen
verstellbar ist, ist es jedoch ebenfalls möglich die Halte
vorrichtung 8 und den Werktisch 9 relativ zueinander fünf
achsig verstellbar zu lagern, um kompliziertere Werkstückgeo
metrien einfacher fertigen zu können.
Wie in Fig. 2 zu sehen ist, ist die Beschichtungseinheit 6
mit dem Laserstrahl-Fokussierkopf 4 und dem Pulverkopf 5
durch die Haltevorrichtung 8 relativ zu dem Zerspanungskopf 7
entlang einer Achse z2 verstellbar gelagert und durch einen
nicht dargestellten Antrieb verfahrbar. Hierfür weist die
Haltevorrichtung 8, wie in den Fig. 3 und 4 zu sehen ist, ein
verstellbares Halteteil 14 auf, das an einem Halterahmen 15
der Haltevorrichtung 8 verschieblich gelagert ist. Zur Ver
stellung des Halteteils 14 ist mit diesem ein Übertragungs
glied 16 verbunden, das Teil eines Antriebs wie beispielswei
se einer hydraulischen Kolben-Zylindereinheit ist, mit der
die Beschichtungseinheit 6 relativ zu dem Zerspanungskopf 7
verfahren wird.
Insbesondere kann hierdurch die Beschichtungseinheit 6 nach
oben aus einem Kollisionsbereich verfahren werden, um die Be
schichtungseinheit 6 auf einen Sicherheitsabstand zu bringen,
wenn mit dem Zerspanungskopf 7 eine aufgebrachte Schicht des
Werkstücks 1 nachbearbeitet wird.
Wie in Fig. 2 zu sehen ist, sind der Laserstrahl-Fokussier
kopf 4 und der Pulverkopf 5 durch ein hohlzylindrisches Ver
bindungsteil 16 miteinander verbunden, derart, daß der Laser
strahl-Fokussierkopf 4 und der Pulverkopf 5 zueinander koa
xial angeordnet sind. Ein den Fokussierkopf 4 verlassender
Laserstrahl 17 wird durch das hohlzylindrische Verbindungs
teil 16 hindurch und durch eine zentrische Aussparung 18 in
dem Pulverkopf 5 hindurch auf das Werkstück 1 geführt. Der
Pulverkopf 5 weist an einer Umfangsseite Anschlußabschnitte
19 auf, über die der Pulverkopf mit Leitungen einer nicht
dargestellten Pulverfördervorrichtung verbunden ist. Die An
schlußabschnitte 19 des Pulverkopfes 5 sind mit Pulverkanälen
20, die in dem Pulverkopf 5 ausgebildet sind, verbunden.
Durch konzentrisch zu dem Laserstrahl 17 angeordnete Aus
trittsöffnungen der Pulverkanäle 20 wird das Pulver koaxial
zu dem Laserstrahl 17 in dessen Schmelzbereich zugeführt, um
in dem Schmelzbereich aufgeschmolzen zu werden. Zusätzlich
besitzt der Pulverkopf 5 Schutzgaskanäle, die mit entspre
chenden Anschlußabschnitten an dem Pulverkopf 5 verbunden
sind (jedoch nicht dargestellt sind), um für den Aufschmelz
vorgang Schutzgas zuzuführen und den Pulverstrahl zu bündeln.
Die koaxiale Zuführung des Pulvers in den Schmelzbereich des
Laserstrahls ermöglicht ein stabiles Aufschmelzen des Pul
vers, auch wenn, wie später noch näher beschrieben werden
wird, Spuren mit relativ geringer Dicke und Breite in einem
Bereich von etwa 0,1 mm bzw. 0,3 bis 0,4 mm aufgebracht wer
den.
Um das Aufschmelzen des Pulvers in dem Schmelzbereich des La
sers steuern zu können, ist der Pulverkopf 5 relativ zu dem
Laserstrahl-Fokussierkopf in Richtung des Laserstrahls ver
stellbar. Hierfür weist das Verbindungsteil 16 eine Feinver
stelleinrichtung 21 auf, die den Pulverkopf 5 entlang der
Achse z2′ von dem Fokussierkopf 4 weg- und auf diesen zube
wegt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 weist die
Feinverstelleinrichtung 21 eine Gewindeverbindung auf, durch
die ein erster Verbindungsteilabschnitt 16a relativ zu einem
zweiten Verbindungsteilabschnitt 16b verstellbar ist, so daß
sich die insgesamte Länge des Verbindungsteiles 16 verstellen
läßt. Dies kann durch manuelles Verdrehen des Verbindungs
teilabschnittes 16a erfolgen. Es ist jedoch ebenfalls mög
lich, obwohl dies in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2
nicht dargestellt ist, zur Verstellung einen numerisch ge
steuerten Antrieb vorzusehen, durch den der Pulverkopf 5 au
tomatisch relativ zu dem Laserstrahl-Fokussierkopf 4 ver
stellbar ist.
Die Verstellbarkeit zwischen dem Pulverkopf 5 und dem Laser
strahl-Fokussierkopf 4 gestattet es auch, das Pulver in Spu
ren unterschiedlicher Breite aufzuschmelzen. Um einen größe
ren Materialauftrag zu erzielen, d. h. das Pulver in breiteren
und dickeren Spuren aufzuschmelzen, wird der Laserstrahl de
fokussiert, um den Schmelzbereich zu vergrößern. Hierzu wird
der Laserstrahl-Fokussierkopf 4 entlang der z2 Achse relativ
zu der Haltevorrichtung 8 nach oben von dem Werkstück 1 weg
bewegt, so daß sich der Abstand zwischen dem Laserstrahl-
Fokussierkopf 4 und dem Werkstück 1 vergrößert. Gleichzeitig
wird der Pulverkopf 5 relativ zu dem Fokussierkopf 4 durch
die Feinverstelleinrichtung 21 entlang der Achse z2′ nach un
ten bewegt, um die Verstellung des Fokussierkopfes 4 auszu
gleichen und das Pulver genau in den Schmelzbereich des La
serstrahles 17 zuzuführen. Auf diese Weise können Schichten
mit hohen Auftragsraten und gleichzeitig dennoch mit einer
hohen Konturgenauigkeit, wie später noch erläutert werden
wird, aufgebaut werden.
Der Laserstrahl-Fokussierkopf 4 ist, wie in den Fig. 1 und 2
zu sehen ist, mit einem Lichtwellenleitfaserkabel 22 verbun
den, durch das der Laserstrahl von einer nicht dargestellten
Laserquelle zu dem Laserstrahl-Fokussierkopf 4 geführt wird.
Als Laserquelle ist vorzugsweise ein Nd-YAG-Laser vorgesehen.
Durch die Führung des Laserstrahls mittels dem Lichtwellen
leitfaserkabel 22 kann die Beschichtungseinheit 6 in einfa
cher Weise bewegt werden, ohne daß aufwendige Umlenkspiegel
vorrichtungen nötig sind. Die Führung des Laserstrahls durch
Umlenkspiegelvorrichtungen ist, wie später noch beschrieben
werden wird, vorzugsweise in Verbindung mit einem CO₂-Laser
als Laserquelle einzusetzen.
Die Kinematik der Haltevorrichtung 8 für den Zerspanungskopf
7 und die Beschichtungseinheit 6 ist in der schematischen
Darstellung gemäß Fig. 7 verdeutlicht. Der Zerspanungskopf 7
und die Beschichtungseinheit 6, die axial versetzt zueinander
angeordnet sind, sind gemeinsam senkrecht zu dem Werktisch 9
verstellbar, um entsprechend der bereits aufgebrachten
Schichten und einer einzustellenden Schichtdicke den Aufbau
eines Werkstücks von unten nach oben zu ermöglichen. Darüber
hinaus ist die Beschichtungseinheit 6 als Ganzes relativ zu
dem Zerspanungskopf 7 verstellbar. Hierbei ist der Pulverkopf
5 wiederum relativ zu dem Laserstrahl-Fokussierkopf 4 ver
stellbar.
In den Zerspanungskopf 7 sind verschiedenen Fräs- und
Schleifwerkzeuge 23 einspannbar, die durch einen nicht darge
stellten Antrieb der Zerspanungsvorrichtung 3, der vorzugs
weise eine ebenfalls nicht dargestellte elektrische Hochge
schwindigkeitsspindel aufweist, mit einer Drehzahl im Bereich
von 10 × 10³ U/min-60 × 10³ U/min antreibbar sind. Dadurch
können auch sehr feine Fräs- bzw. Schleifwerkzeuge verwendet
werden, um die Oberfläche der aufgeschmolzenen Schichten,
insbesondere an deren Konturseite, fein nachzubearbeiten.
Ein nicht unwesentlicher Aspekt bei der Prozeßführung für den
schichtweisen Aufbau des Werkstücks 1 durch Aufschmelzen des
Pulvers ist die Temperatur des Werkstücks 1. Um die Einstel
lung der Parameter für den Beschichtungsvorgang zu erleich
tern, ist eine Kühlvorrichtung vorgesehen, die das Werkstück
1 kühlt und im wesentlichen auf einer konstanten Temperatur
hält. Wie in Fig. 1 zu sehen ist, ist auf dem Werktisch 9 ei
ne Kühlplatte 24 vorgesehen, auf der das Werkstück 1 auf
liegt. In der Kühlplatte 24 sind, wie in Fig. 5 dargestellt
ist, eine Mehrzahl von Kühlmittelkanälen 25 ausgebildet,
durch die Kühlflüssigkeit zirkuliert. Darüber hinaus ist ein
in den Figuren nicht dargestelltes Temperaturmeßsystem vorge
sehen, das vorzugsweise ein Pyrometer aufweist. Dieses Tempe
raturmeßsystem erfaßt nach dem Zerspanen einer Schicht eine
Oberflächentemperatur des Werkstücks 1. Der weitere Aufbau
des Werkstücks wird erst dann fortgeführt, wenn die erfaßte
Temperatur einen vorgegebenen Wert nicht übersteigt. Vorzugs
weise liegt diese Temperatur werkstoffabhängig zwischen 20°
und 100°C. Diese indirekte Prozeßregelung, die von der Pro
zeßsteuerung unterstützt wird, besitzt den Vorteil, daß jede
Schicht unter gleichen Bedingungen erstellt wird.
Um einen Arbeitsbereich herum, d. h. um den Bereich herum, in
dem das Werkstück schichtweise aufgebaut, das Pulver aufge
schmolzen und die Schichten spanend nachbearbeitet werden,
ist eine Absaugvorrichtung 26 vorgesehen, die überschüssiges
Pulver oder durch den Aufschmelzvorgang erzeugte Rückstände
absaugt.
Gemäß Fig. 6 weist die Absaugvorrichtung 26 einen Absaugrah
men 27 auf, der um die Kühlplatte 24 herum verläuft. Der Ab
saugrahmen 27 wird im wesentlichen durch ein Hohlprofil ge
bildet, das einen dreieckigen Querschnitt besitzt. Entlang
einer umlaufenden Kante der Kühlplatte 24 besitzt der Absaug
rahmen 27 eine umlaufende Absaugöffnung, durch die überschüs
siges Pulver von der Oberfläche der Kühlplatte 24 in das In
nere des Absaugrahmens 27 eingesaugt wird. Der Absaugrahmen
27 ist derart angeordnet, daß eine Rahmenoberfläche 29 von
der umlaufenden Kante der Kühlplatte 24 ausgehend, sich
schräg nach außen und nach oben geneigt erstreckt, so daß
überschüssiges Pulver auf der Rahmenoberfläche 29 zurück auf
die Kühlplatte 24 gleitet und durch die Absaugöffnung 28 in
das Innere des Absaugrahmens 27 eingesaugt wird.
An einer Seite des Absaugrahmens 27 ist ein Absaugrohran
schluß 30 vorgesehen, an den ein Saugrohr der Absaugvorrich
tung 28 angeschlossen ist. Wie in Fig. 6 zu sehen ist weist
der Absaugrahmen 27 eine sich ändernde Querschnittsfläche
auf, die von dem Absaugrohranschluß 30 zu dem, bezogen auf
den Absaugrohranschluß 30, entferntesten Abschnitt des Absau
grahmens 27 kontinuierlich abnimmt, um in jedem Bereich des
Absaugrahmens 27 die für das Absaugen von Pulverpartikeln
notwendige Strömungsgeschwindigkeit zu erzielen.
Das überschüssige Pulver und sonstige Rückstandspartikel kön
nen beispielsweise während des Laserbeschichtungsvorganges
und/oder nach dem Laserbeschichtungsvorgang und/oder während
der spanenden Nachbearbeitung abgesaugt werden. Da das abge
saugte Pulver mit ungeschmolzenen Körnern, Oxiden oder Spänen
behaftet ist, ist in der Absaugvorrichtung eine Aufberei
tungseinrichtung vorgesehen, die beispielsweise einen Zyklo
nenabscheider, der die Verunreinigungen abscheidet und/oder
einen Feinstaubfilter aufweist, der Feinstaub von dem über
schüssigen Pulver trennt. Das wiedergewonnene Pulver kann
daraufhin wieder der Pulverzuführungsvorrichtung rückgeführt
werden.
Während in dem gerade beschriebenen Ausführungsbeispiel die
Laserquelle mittels eines Lichtwellenleitfaserkabels 22 mit
dem Fokussierkopf verbunden ist, wird entsprechend weiteren
Ausgestaltungen der Erfindung, die in Fig. 8a und 8b darge
stellt sind, der Laserstrahl 17 mittels einer Umlenkspiegel
vorrichtung 31 von der Laserquelle, die in Fig. 8 mit der Be
zugsziffer 51 gekennzeichnet ist, zu dem Werkstück 1 geführt.
Wie in Fig. 8a gezeigt ist, weist die Umlenkspiegelvorrich
tung 31 einen ersten Umlenkspiegel 53 und einen zweiten Um
lenkspiegel 54 auf, die den Laserstrahl zu dem Fokussierkopf
4 führen, der gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel einen
Fokussierspiegel 44 aufweist.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einer Umlenkspiegelvor
richtung 31 ist in Fig. 8b dargestellt. Die Umlenkspiegelvor
richtung 31 weist lediglich einen ersten Umlenkspiegel 53
auf, der den aus der Laserquelle 51 austretenden Laserstrahl
17 direkt zu dem Fokussierkopf 4 lenkt, der gemäß diesem Aus
führungsbeispiel eine Fokussierlinse 45 besitzt. Als Laser
quelle 51 ist wie im Ausführungsbeispiel nach Fig. 8a ein
CO₂-Laser vorgesehen.
Um die zur Herstellung des Werkstücks 1 notwendige Relativbe
wegung zwischen dem Laserstrahl-Fokussierkopf 4, dem Pulver
kopf 5, dem Zerspanungskopf 7 und dem Werkstück 1 zu gewähr
leisten, sind verschiedene Achsverteilungen möglich.
Zum einen kann das Werkstück entlang einer x- und y-Achse
verschieblich sein, so daß der Fokussierkopf 4, der Pulver
kopf 5 und der Zerspanungskopf 7 nur in Richtung einer
z-Achse verschieblich sind. Hierbei ist der Pulverkopf 5 re
lativ zu dem Fokussierkopf 4, d. h. relativ zu dem Fokussier
spiegel 44 bzw. der Fokussierlinse 45 entlang der z-Achse
verstellbar. Der Umlenkspiegel 53 benötigt bei dieser Ausfüh
rungsform keine Beweglichkeit und ist starr gelagert.
Zum andern kann das Werkstück nur entlang der x-Richtung ver
fahrbar sein, wobei dann der Fokussierkopf 4, der Pulverkopf
5 und der Zerspanungskopf 7 sowohl entlang der y-Achse als
auch der z-Achse verschieblich sind. Der Umlenkspiegel 53 ist
ebenfalls entlang der y-Achse verschieblich.
Wenn hingegen das Werkstück dreiachsig, d. h. entlang der x-
Achse, der y-Achse und der z-Achse verschiebbar ist, ist es
ausreichend, daß der Pulverkopf 5 entlang der z-Achse ver
stellbar ist. Diese Verstellbarkeit des Pulverkopfes, relativ
zu dem Fokussierkopf 4, ist notwendig, um die Pulverzuführung
stets exakt in den Schmelzbereich des Laserstrahls 17 zu
richten. Bei einer derartigen Achsverteilung sind keine Um
lenkspiegel 53 oder 54 notwendig, um den Laserstrahl auf das
Werkstück 1 zu führen. Es ist vielmehr ausreichend, einen Fo
kussierspiegel 44 bzw. eine Fokussierlinse 45 vorzusehen, die
jeweils starr gelagert sind.
Darüber hinaus ist es ebenfalls möglich, das Werkstück 1,
d. h. den Werktisch 9 unverschieblich zu lagern, während der
Fokussierkopf 4, der Pulverkopf 5 und der Zerspanungskopf 7
entlang sowohl der x-Achse, der y-Achse als auch der z-Achse
verfahrbar sind. Auch bei dieser Ausführungsform ist der Pul
verkopf 5 relativ zu dem Fokussierkopf 4 entlang der z-Achse
verstellbar.
In Fig. 8c ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung ähnlich der mit Bezug auf die Fig. 1-7 be
schriebenen Ausführungsform dargestellt. Als Laserquelle 51
ist ein Nd-YAG-Laser vorgesehen, von der ausgehend ein Laser
strahl mittels eines Lichtwellenleitfaserkabels 22 zu dem La
serstrahl-Fokussierkopf 4 geführt wird. Auch bei dieser Aus
führungsform sind unterschiedliche Achsverteilungen möglich.
Zum einen kann das Werkstück 1 entlang der x-Achse und der
y-Achse verfahrbar gelagert werden, während der Fokussierkopf
4 und der Pulverkopf 5 jeweils (und relativ zueinander), ent
lang der z-Achse verschieblich gelagert sind. Der Zerspa
nungskopf 7 ist ebenfalls entlang der z-Achse verfahrbar ge
lagert.
Wenn das Werkstück 1 nur entlang der x-Achse verfahrbar ist,
sind der Zerspanungskopf 7, der Pulverkopf 5 und der Laser
strahl-Fokussierkopf 4 sowohl entlang der y-Achse als auch
der z-Achse verfahrbar.
Zum anderen kann das Werkstück 1 entlang der drei Achsen x, y
und z verfahrbar gelagert sein, so daß in dieser Ausführungs
form nur der Pulverkopf 5 entlang der z-Achse verfahrbar ist.
Der Laserstrahl-Fokussierkopf 4 und der Zerspanungskopf 7
können starr gelagert sein.
Wenn das Werkstück 1, d. h. der Werktisch 9 hingegen starr ge
lagert sind, sind in diesem Falle der Zerspanungskopf 7, der
Laserstrahl-Fokussierkopf 4 und der Pulverkopf 5 entlang der
x-Achse, der y-Achse und der z-Achse verfahrbar. Allen Aus
führungsformen gemeinsam ist, daß der Pulverkopf 5 relativ zu
dem Laserstrahl-Fokussierkopf 4, nämlich entlang der z-Achse,
verschieblich ist.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung
ist in Fig. 9 dargestellt. Die darin gezeigte Vorrichtung un
terscheidet sich von den zuvor beschriebenen Ausführungsbei
spielen im wesentlichen dadurch, daß der Zerspanungskopf 7
und die Beschichtungseinheit 6 nicht axial zueinander ver
setzt gleichzeitig an einer Haltevorrichtung gelagert sind,
sondern daß die Haltevorrichtung, die in diesem Ausführungs
beispiel allgemein mit der Bezugsziffer 34 bezeichnet ist,
eine Werkzeugwechselvorrichtung 33 aufweist, in die wahlweise
die Beschichtungseinheit 6 oder der Zerspanungskopf 7 einge
spannt werden können. Die Werkzeugwechselvorrichtung 33 und
die Beschichtungseinheit 6 bzw. der Zerspanungskopf 7 sind
dabei derart ausgestaltet, daß der Zerspanungskopf 7 koaxial
zu dem Laserstrahl-Fokussierkopf 4 bzw. dem Pulverkopf 5 an
geordnet ist, wenn diese jeweils in die Werkzeugwechselvor
richtung 33 eingespannt sind. Die koaxiale Anordnung der Be
schichtungseinheit 6 und des Zerspanungskopfes 7 erleichtert
die spanende Nachbearbeitung der aufgeschmolzenen Schichten
und vermindert insbesondere den Programmieraufwand für die
Zerspanungsbearbeitung. Ferner ist es besonders von Vorteil,
daß der zur Verfügung stehende Arbeitsbereich bestmöglich
ausgenutzt wird.
Wie in Fig. 10 gezeigt ist, wird das gerade nicht benötigte
Werkzeug, d. h. während des Beschichtungsvorganges der Zerspa
nungskopf 7 und während der Nachbearbeitung die Beschich
tungseinheit 6 in einer Werkzeugaufnahme 35 abgestellt, wäh
rend das andere der beiden jeweils in die Werkzeugwechselvor
richtung 33 eingespannt ist. Die Zerspanungsvorrichtung 3
weist gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine Druckluftspindel
36 zum Antrieb des Fräs- bzw. Schleifwerkzeuges 23 auf. Bau
teile oder Komponenten dieses Ausführungsbeispieles, die im
wesentlichen denen des ersten Ausführungsbeispieles entspre
chen, sind mit denselben Bezugsziffern bezeichnet. Eine wei
tere Erläuterung erscheint nicht notwendig.
Um eine Sollhöhe einer jeden aufgebrachten Schicht zu erfas
sen, ist bei allen zuvor beschriebenen Ausführungsformen eine
entsprechende, in den Figuren nicht explizit dargestellte Er
fassungsvorrichtung vorgesehen, die insbesondere einen Ab
standssensor aufweist, der den Abstand der Oberseite der zu
letzt aufgebrachten Schicht von einem Referenzpunkt mißt.
Dieser Meßvorgang kann während der spanenden Bearbeitung kon
tinuierlich oder nach der spanenden Bearbeitung punktuell
durchgeführt werden. Wenn die Sollhöhe nicht erreicht wird,
erfolgt ein erneuter Beschichtungsvorgang entsprechend der
Geometrie der zuletzt aufgebrachten Schicht. Falls die zu er
zeugende Geometrie, d. h. die Sollhöhe nach einem erneuten
bzw. nach mehrmaligen Beschichtungsvorgängen nicht erreicht
wird, wird Alarm ausgelöst und der Herstellungsprozeß ange
halten, um zuerst entsprechende Fehlerursachen zu beheben,
bevor der Herstellungsprozeß erneut gestartet wird.
Jede der zuvor beschriebenen Vorrichtungen gemäß den ver
schiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung weist ferner
eine elektronische Steuereinrichtung zur Steuerung der Be
schichtungseinrichtung und der Zerspanungsvorrichtung auf.
Die Steuereinrichtung besitzt eine Schnittstelle, um CAD-
Geometriedaten eines CAD-Modells des herzustellenden Werk
stücks, die auf einer CAD-Einheit generiert wurden, zu über
nehmen. Die Steuereinrichtung erzeugt auf der Grundlage die
ser CAD-Geometriedaten und weiterer manuell eingegebener Da
ten, durch die Optionen in der Prozeßführung festgelegt wer
den, selbständig ein Bearbeitungsprogramm zur Ansteuerung der
Beschichtungseinrichtung und der Zerspanungsvorrichtung.
Hierdurch wird die Herstellung des Werkstücks in hohem Maße
automatisiert. Grundsätzlich können die NC-Daten zur Steue
rung der Beschichtungseinrichtung und der Zerspanungsvorrich
tung auf zwei unterschiedlichen Wegen erzeugt werden. Ent
sprechend einer ersten Ausführungsform werden mittels der
CAD-Einheit zwei verschiedene CAD-Modelle generiert, von de
nen eines der Sollgeometrie des herzustellenden Werkstücks
entspricht und für die spanende Nachbearbeitung verwendet
wird und ein zweites dem herzustellenden Werkstück mit größe
ren Maßen entspricht, das für den Beschichtungsprozeß verwen
de wird. Gemäß einer zweiten Ausführungsform wird nur ein
einziges CAD-Modell generiert, wobei bei der Erstellung der
NC-Daten zur Ansteuerung der Beschichtungseinrichtung, d. h.
für den Beschichtungsvorgang, eine fiktive Werkzeugdurchmes
serkorrektur definiert wird, so daß jeweils eine breitere
Schicht aufgebracht wird. Bei der spanenden Nachbearbeitung
wird dann das tatsächliche Werkzeug definiert, so daß die
Sollgeometrie erreicht wird.
Im folgenden sollen die Funktion und die Wirkungsweise der
Vorrichtung der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele und
bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Herstellung von metallischen Werkstücken, insbesondere
mit Bezug auf die Fig. 11-16, näher erläutert werden.
Wie allgemein in Fig. 14 zu sehen ist, wird das Werkstück aus
Schichten 1a, 1b . . . 1n aufgebaut, indem mit der Beschich
tungseinheit 6 metallhaltiges Pulver schichtweise aufge
schmolzen wird. Die Schichten 1a, 1b bis 1n werden jeweils
einzeln oder auch zu mehreren gleichzeitig spanend nachgear
beitet. Diese schichtweise Nachbearbeitung reduziert die
Fräs- bzw. Schleifbearbeitung auf eine zweidimensionale Bear
beitung mit gleichbleibenden Zerspanbedingungen, was die
Nachbearbeitung wesentlich erleichtert und insbesondere den
Programmieraufwand beträchtlich verringert. Darüber hinaus
wird die Kollisionsgefahr reduziert und die Bearbeitung von
dünnen und schlanken tiefen Aussparungen vermieden.
Eine einzelne Schicht wird wie in Fig. 11 zu sehen ist, er
zeugt, indem mehrere Spuren nebeneinander aufgeschmolzen wer
den. Die Anzahl der Spuren variiert je nach der herzustellen
den Wandstärke des Werkstücks 1 an der Stelle dieser Schicht,
d. h. je nach der Breite l der zu erzeugenden Schicht und re
duziert sich im Grenzfall bis zu einer einzigen Spur.
Um bereits beim Aufschmelzen der einzelnen Schichten eine ho
he Formgenauigkeit zu erzielen, werden die Spuren bei einer
Laserleistung, die kleiner 1 kW ist, mit einer Breite b im
Bereich von 0,1 mm-1 mm, vorzugsweise im Bereich von
0,2 mm-0,5 mm und einer Dicke d im Bereich von 0,05 mm-
0,5 mm, vorzugsweise im Bereich von 0,05 mm-0,2 mm aufge
bracht.
Nach Aufbringen der ersten Schicht 1a wird vor dem Aufschmel
zen einer weiteren Schicht die erste Schicht 1a an ihrer
Oberseite 1′ plangefräst, derart, daß die Schicht 1a eine de
finierte Schichtdicke d besitzt. Hierzu wird ein Grobfräs
werkzeug verwendet, um hohe Zerspanleistungen zu erreichen.
Während vor dem Aufschmelzen einer weiteren Schicht die Ober
seite 1′ der ersten Schicht 1a bearbeitet wird, bleibt die
Schicht 1a an ihren Konturseiten 1′′ unbearbeitet, so daß die
erste Schicht zunächst noch über eine Sollkontur 38 hinaus
ragt.
In einem nächsten Verfahrensschritt wird eine weitere Schicht
1b auf die planbearbeitete Oberseite 1′ der ersten Schicht 1a
aufgeschmolzen, wobei die Schicht wiederum in mehreren Spuren
α aufgebaut wird. Die zweite Schicht 1b steht ebenfalls über
die Sollkontur 38 hinaus. In einem darauf erfolgenden Verfah
rensschritt wird die erste Schicht 1a an ihrer Konturseite
1′′ nachbearbeitet, wobei in diesem Schritt die erste Schicht
1a auf die Sollkontur 38 gefräst bzw. geschliffen wird. Die
Konturseite der zweiten Schicht 1b bleibt unbearbeitet.
Die Konturseite 1′′ der Schichten wird mit einem Feinfräs-
oder Schleifwerkzeug feinbearbeitet, um eine hohe Formgenau
igkeit und Oberflächengüte an der Konturseite 1′′ zu erzie
len. Das Feinfräs- oder Schleifwerkzeug wird hierbei mit ei
ner Drehzahl im Bereich von 10 × 10³ bis 60 × 10³ rotiert.
Vor dem Aufschmelzen einer weiteren Schicht wird die Obersei
te der zweiten Schicht planbearbeitet, während jedoch die
Konturseite der zweiten Schicht 1b unbearbeitet bleibt und
erst dann nachbearbeitet wird, wenn die dritte Schicht 1c
aufgeschmolzen ist. Dadurch, daß jeweils die vorletzte
Schicht (oder mehrere vor der letzten Schicht aufgebrachte
Schichten, was besonders bei Prozeßbeginn sehr wichtig ist)
an einer Konturseite nachbearbeitet werden, steht die jeweils
zuletzt aufgebrachte Schicht leicht über die Sollkontur 38
hinaus, so daß das Auftragen einer weiteren Schicht im Kon
turbereich erleichtert wird.
Wie in Fig. 12 zu sehen ist, wird eine einzelne Schicht in
Spuren α unterschiedlicher Geometrie aufgebracht. Während in
Randzonen A einer Schicht 1a Spuren β mit relativ geringer
Breite b und geringer Dicke d aufgebracht werden, werden in
einer Kernzone B der Schicht 1a Spuren α mit relativ größerer
Breite b und größerer Dicke d aufgebracht. Ebenfalls können
Schichten unterschiedlicher Dicke aufgebracht werden.
Auf diese Weise wird eine hohe Genauigkeit bei einer hohen
Aufbauleistung erzielt, da die Schichtbereiche, nämlich die
Kernzonen B, die keinen Einfluß auf die Geometrie- und Maßge
nauigkeit haben, mit größeren Spuren, d. h. mit größerem La
serstrahldurchmesser, höherer Strahlleistung und größerer
Pulvermenge erzeugt werden. Die für die Genauigkeit entschei
denden, äußeren und inneren Randzonen A einer Schicht werden
hingegen mit kleineren Spuren β, d. h. genauer mit kleinerem
Strahldurchmesser, kleinerer Strahlleistung und kleinerer
Pulvermenge aufgebaut.
Wie in Fig. 12b zu sehen ist, kann die Schicht 1a in ihren
Randzonen zunächst spanend nachbearbeitet werden, um eine de
finierte Randzonengeometrie zu erzielen, bevor in einem fol
genden Schritt auf den nachbearbeiteten Konturbereich Spuren
β geringer Dicke und Breite aufgebracht werden.
In einem zusätzlichen Verfahrensschritt wird gemäß einer be
vorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens die
Konturseite 1′′ einer gerade erstellten Schicht mit dem La
serstrahl 17 mit oder ohne Pulverzufuhr behandelt, um Kontur
abweichungen zu verbessern, die aus unterschiedlichen Füll
strategien resultieren können. Hierbei können unterschiedli
che Laserstrahldurchmesser eingesetzt werden.
In den Kernzonen B unterschiedlicher Schichten werden, wie in
Fig. 17b gezeigt ist, vorzugsweise Spuren α in verschiedenen
Richtungen aufgebracht. Dies verbessert die Ebenheit der zu
erzeugenden Schichten. Wie in Fig. 17a zu sehen ist, umfaßt
das erfindungsgemäße Verfahren entsprechend bevorzugter Aus
führungsformen verschiedene Füllungsstrategien, um in einem
Kernbereich einer Schicht Spuren aufzubringen. Grundsätzlich
kann hierbei, wie in den Beispielen I, IV und V gezeigt, kon
tinuierlich nach dem Plotterprinzip, als auch mit Ein- und
Ausschalten der Lasereinheit am Anfang und am Ende einer Spur
gearbeitet werden, wie dies in den Beispielen II und III nach
Fig. 17a gezeigt ist.
Wie in Fig. 12c zu sehen ist, kann eine Schicht 1a zunächst
auch in einer Randzone mit Spuren β geringer Dicke und Breite
aufgebaut werden, bevor in einem darauffolgenden Schritt die
Kernzone B mit größeren Spuren α erzeugt wird. In einem dar
auffolgenden Schritt wird dann der Konturbereich und die
Oberseite der aufgebrachten Schicht spanend nachbearbeitet.
In Fig. 12d hingegen ist eine Ausführungsform des Verfahrens
gezeigt, bei der eine Schicht einheitlich mit größeren Spuren
α aufgebaut wird, wobei der Konturbereich und die Oberseite
alleine durch die spanende Nachbearbeitung geformt wird.
Für unterschiedliche Auftragsraten wird der Laserstrahldurch
messer im Schmelzbereich verändert, in dem der Laserstrahl-
Fokussierkopf 4, wie in Fig. 13 gezeigt ist, relativ zu dem
Werkstück 1 bewegt wird, so daß sich der Abstand zu dem Werk
stück 1 ändert. Um den Laserstrahl zu defokussieren wird der
Laserstrahl-Fokussierkopf 4 von dem Werkstück 1 wegbewegt.
Der Pulverkopf 5 muß dabei relativ zu dem Fokussierkopf 4
entlang der Richtung des Laserstrahls verstellt werden, um
das Pulver in den Schmelzbereich des Laserstrahls 17 zuzufüh
ren, d. h. die Bewegung des Laserstrahl-Fokussierkopfes 4 muß
durch eine Gegenbewegung des Pulverkopfes 5 kompensiert wer
den.
Wie in Fig. 14 dargestellt ist, werden Schichten und Spuren
in einer Schicht aus unterschiedlichen Werkstoffen aufge
bracht. Grundsätzlich werden metallische oder metallgebundene
Keramikwerkstoffe in Pulverform aufgeschmolzen. Während in
beanspruchten Randzonen A des Werkstücks 1 Schichten 1n und
Spuren β in einer Schicht 1n aus hartem, verschleißfestem
Werkstoff aufgebracht werden, wird in Kernzonen B des Werk
stücks ein weichzäher Werkstoff aufgeschmolzen, so daß die
Werkstückeigenschaften optimiert werden.
Die bislang beschriebene Herstellung von Werkstücken betraf
vollwandige Werkstücke, bei denen die Kernzonen mit mehreren
Spuren ausgefüllt werden. Für dünnwandige Hohlkörper werden
nur Spuren im Konturbereich des Werkstücks aufgeschmolzen.
Die zu erzeugende Wanddicke wird durch Anpassung der Spur
breite b erreicht. Für größere Wanddicken können auch mehrere
Spuren überlappend aufgeschmolzen werden.
Fig. 15 zeigt die Verfahrensschritte, die zum partiellen Auf
bau eines Formwerkzeugs, d. h. insbesondere für die Reparatur
des Formwerkzeugs, gemäß einem bevorzugten Ausführungsbei
spieles des Verfahrens erfolgen.
Besitzt ein Werkstück 1 eine schadhafte Stelle S, so wird zu
nächst mit Hilfe der CAD-Einheit 37 ein geometrisch regelmä
ßiger Bereich R in dem Werkstück 1 definiert, der die schad
hafte Stelle S beinhaltet. Der geometrisch regelmäßige Be
reich R wird mittels der Zerspanungsvorrichtung 3 aus dem
Werkstück 1 gefräst, bzw. geschliffen, um anstelle des schad
haften Bereichs S, der eine unregelmäßige und unbestimmte
Form aufweist, einen Bereich bekannter Geometrie zu schaffen.
Das Werkstück 1 wird in dem Bereich der Ausnehmung, die durch
den geometrischen regelmäßigen Bereich R gebildet wird, lokal
neu aufgebaut, indem metallhaltiges Pulver schichtweise auf
geschmolzen wird. Die zuvor beschriebenen Verfahrensstrategi
en werden hierbei entsprechend dem Werkstück abgestimmt.
In dem geometrisch regelmäßigen Bereich R werden vorzugswei
se, um die Festigkeit des Werkstücks 1 im Bereich der zu re
parierenden schadhaften Stelle S zu erhöhen, Stütztaschen zur
Abstützung des neu aufgebauten Bereichs vorgesehen.
Fig. 16 verdeutlicht die Herstellung hinterschnittener Werk
stücke 1 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfin
dungsgemäßen Verfahrens, wobei das Werkstück 1 gemäß Fig. 16a
stufenförmig und gemäß Fig. 16b kegelförmig hinterschnitten
ist.
Um hinterschnittene Werkstücke 1 herzustellen, werden zu
nächst n Schichten aufgeschmolzen, wobei die einzelnen
Schichten jeweils nur an einer Oberseite spanend nachbearbei
tet werden, auf die eine weitere Schicht aufgeschmolzen wird.
Die Konturseiten der Schichten bleiben zunächst unbearbeitet.
Die Anzahl n von Schichten wird entsprechend einer maximalen
Breite bzw. eines maximalen Durchmessers dmax der herzustel
lenden Sollkontur aufgeschmolzen. Wenn die notwendige Materi
aldicke, d. h. die Anzahl n von Schichten erreicht ist, werden
die Schichten 1a, 1b und 1c an ihrer Konturseite spanend be
arbeitet, um die Sollkontur 38 der Hinterschneidung herzu
stellen. In Fig. 16 ist die maximale Breite, die kollisions
frei mit dem Fräs- bzw. dem Schleifwerkzeug herzustellen ist,
mit dem Buchstaben v gekennzeichnet.
Die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele des erfin
dungsgemäßen Verfahrens sowie der zugehörigen Vorrichtung
zeichnen sich durch eine schnelle und sehr genaue Fertigung
von Formwerkzeugen aus, die durch partiell abgestimmten Mate
rialeinsatz optimierte Werkzeugeigenschaften besitzt, wobei
insbesondere die hohe Automatisierbarkeit und der geringe
Programmieraufwand von Vorteil sind.
Claims (44)
1. Verfahren zur Herstellung von metallischen Werkstücken,
insbesondere von Formwerkzeugen, wobei mit einem Laserstrahl
metallhaltiges Pulver in einem Schmelzbereich des Laser
strahls schichtweise aufgeschmolzen wird, und aufgebrachte
Schichten spanend nachbearbeitet werden, dadurch gekennzeich
net, daß das Pulver koaxial zu dem Laserstrahl (17) in den
Schmelzbereich zugeführt wird und die einzelnen Schichten
(1a, 1b . . . 1n) in Spuren (α, β) mit einer Breite (b) im Be
reich von 0,1 mm-1 mm und einer Dicke (d) im Bereich von
0,05 mm-0,5 mm aufgebracht werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Spuren (α, β) mit einer Breite (b) im Bereich von 0,2 mm -
0,5 mm und einer Dicke (d) im Bereich von 0,05 mm-0,2 mm
aufgebracht werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß eine einzelne Schicht (1a, 1b, 1n) in Spuren (α, β) un
terschiedlicher Geometrie aufgebracht wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in
Randzonen (A) einer Schicht (1a) Spuren (β) mit relativ ge
ringer Breite (b) und geringer Dicke (d) aufgebracht werden,
während in einer Kernzone der Schicht (1a) Spuren (α) mit re
lativ größerer Breite (b) und größerer Dicke (d) aufgebracht
werden.
5. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1-4, da
durch gekennzeichnet, daß Spuren (α) in Kernzonen (B) unter
schiedlicher Schichten (1a, 1b, 1n) in verschiedenen Richtun
gen aufgebracht werden.
6. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1-5, da
durch gekennzeichnet, daß das Pulver bei einer Laserleistung
1 kW aufgeschmolzen wird.
7. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1-6, da
durch gekennzeichnet, daß ein Nd-YAG-Laser verwendet wird.
8. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1-6, da
durch gekennzeichnet, daß ein CO₂-Laser verwendet wird.
9. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1-8, da
durch gekennzeichnet, daß Schichten (1a, 1b, 1n) und/oder
Spuren (α, β) in einer Schicht aus unterschiedlichen Werk
stoffen aufgebracht werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in
beanspruchten Randzonen (A) des Werkstücks (1) Schichten (1n)
und/oder Spuren (β) in einer Schicht (1n) aus hartem ver
schleißfestem Werkstoff aufgebracht werden, während in Kern
zonen (B) des Werkstücks (1) Schichten (1a, 1b) und/oder Spu
ren (α) in einer Schicht aus weichzähem Werkstoff aufgebracht
werden.
11. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1-10, da
durch gekennzeichnet, daß die aufgebrachten Schichten (1a,
1b, 1n) jeweils einzeln nachbearbeitet werden.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß
die jeweils zuletzt aufgebrachte Schicht (1a, 1b) vor Auf
bringen einer weiteren Schicht (1b, 1c) an einer Oberseite
(1′), auf die die weitere Schicht aufgebracht wird, planbear
beitet wird, während eine Konturseite (1′′) der zuletzt auf
gebrachten Schicht vor Auftragen der weiteren Schicht unbear
beitet bleibt.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeich
net, daß jeweils die vorletzte Schicht (1a, 1b) oder mehrere
vor der letzten Schicht (1c) aufgebrachte Schichten an einer
Konturseite (1′′) nachbearbeitet werden.
14. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1-13, da
durch gekennzeichnet, daß die Schichten (1a, 1b, 1n) durch
Fräsen und/oder Schleifen nachbearbeitet werden.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß
die Konturseiten (1′′) der Schichten (1a, 1b, 1n) mit Fein
fräswerkzeugen bearbeitet werden, während die Oberseite (1′)
der jeweils zuletzt aufgebrachten Schicht mit Grobfräswerk
zeugen bearbeitet wird.
16. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1-15, da
durch gekennzeichnet, daß die Schichten (1a, 1b, 1n) mit
Feinfräs- oder Schleifwerkzeugen (23) bei einer Drehzahl im
Bereich von 10 × 10³ U/min-60 × 10³ U/min feinbearbeitet
werden.
17. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1-16, da
durch gekennzeichnet, daß die zuletzt aufgebrachte Schicht
(1a) in einem Konturbereich nachbearbeitet wird, derart, daß
der Konturbereich in eine vorbestimmte Form gebracht wird und
daß in einem folgenden Schritt auf den nachbearbeiteten Kon
turbereich Spuren (β) geringer Dicke (d) und Breite (b) auf
gebracht werden.
18. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1-17, da
durch gekennzeichnet, daß das Werkstück (1) während der La
ser- und/oder der spanenden Bearbeitung gekühlt wird.
19. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1-18, da
durch gekennzeichnet, daß ungeschmolzenes Pulver aus einem
Arbeitsbereich weggeblasen und/oder abgesaugt wird.
20. Vorrichtung zur Herstellung von metallischen Werkstücken,
insbesondere von Formwerkzeugen, mit einer Beschichtungsein
richtung, die eine Lasereinheit mit einem Laserstrahl-
Fokussierkopf und eine Pulverzuführungsvorrichtung zur Zufüh
rung von metallhaltigem Pulver in einen Schmelzbereich des
Laserstrahls aufweist, und einer Zerspanungsvorrichtung, ins
besondere zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Pulverzuführungsvorrichtung
einen Pulverkopf (5) aufweist, der koaxial mit dem Laser
strahl-Fokussierkopf (4) angeordnet ist, und in Richtung des
Laserstrahls (17) relativ zu dem Laserstrahl-Fokussierkopf
(4) verstellbar ist.
21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß
der Laserstrahl-Fokussierkopf (4) und der Pulverkopf (5) eine
integrale Beschichtungseinheit (6) bilden.
22. Vorrichtung nach Anspruch 20 oder 21 , dadurch gekenn
zeichnet, daß die Zerspanungsvorrichtung (3) einen Zerspa
nungskopf (7) mit einem Fräs- oder Schleifwerkzeug (23) auf
weist.
23. Vorrichtung nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Zerspanungskopf (7) und die Beschichtungs
einheit (6) an einer Haltevorrichtung (8, 34) gelagert sind.
24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß
die Haltevorrichtung (34) eine Werkzeugwechselvorrichtung
(33) aufweist, in die wahlweise der Zerspanungskopf (7) und
die Beschichtungseinheit (6) einspannbar sind.
25. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß
der Zerspanungskopf (7) und die Beschichtungseinheit (6) zu
einander koaxial angeordnet sind.
26. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 21-23,
dadurch gekennzeichnet, daß der Zerspanungskopf (7) und die
Beschichtungseinheit (6) zueinander versetzt angeordnet sind.
27. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß
der Zerspanungskopf (7) relativ zu der Beschichtungseinheit
(6) in einer Richtung senkrecht zu einem Werktisch (9) ver
stellbar ist.
28. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 23-27,
dadurch gekennzeichnet, daß die Haltevorrichtung (8, 34) und
der Werktisch (9) relativ zueinander entlang Dreierachsen
(xyz) verstellbar sind.
29. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 23-27,
dadurch gekennzeichnet, daß die Haltevorrichtung (8, 34) und
der Werktisch (9) relativ zueinander fünfachsig verstellbar
sind.
30. Vorrichtung nach Anspruch 28 oder 29, dadurch gekenn
zeichnet, daß jeweils numerisch gesteuerte Vorschubantriebe
zur Verstellung der Haltevorrichtung (8) und des Werktisches
(9) relativ zueinander vorgesehen sind.
31. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 20-30,
dadurch gekennzeichnet, daß ein numerisch gesteuerter Antrieb
zur Verstellung des Laserstrahl-Fokussierkopfes (4) und des
Pulverkopfes (5) relativ zueinander vorgesehen ist.
32. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 20-31,
dadurch gekennzeichnet, daß ein Lichtwellenleitfaserkabel
(22) mit dem Laserstrahl-Fokussierkopf (4) verbunden ist.
33. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 20-31,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Umlenkspiegelvorrichtung
(50) vorgesehen ist.
34. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 20-33,
dadurch gekennzeichnet, daß als Laserquelle ein Nd-YAG-Laser
vorgesehen ist.
35. Vorrichtung nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß
als Laserquelle ein CO₂-Laser vorgesehen ist.
36. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 21-35,
dadurch gekennzeichnet, daß dem Zerspanungskopf (7) eine An
triebsvorrichtung zum Antrieb des Fräs- oder Schleifwerkzeugs
(23) zugeordnet ist.
37. Vorrichtung nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, daß
das Fräs- oder Schleifwerkzeug (23) im Bereich von 10 × 10³
U/min-60 × 10³ U/min antreibbar ist.
38. Vorrichtung nach Anspruch 36 oder 37, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Antriebsvorrichtung eine elektrische Hoch
geschwindigkeitsspindel aufweist.
39. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 20-38,
dadurch gekennzeichnet, daß ein Werktisch (9) eine Kühlvor
richtung (24) aufweist.
40. Vorrichtung nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, daß
die Kühlvorrichtung im Werktisch (9) ausgebildete Kühlmit
telkanäle (25) aufweist.
41. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 20-40,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Pulverabsaugvorrichtung (26)
in einem Arbeitsbereich der Beschichtungseinheit (6) vorgese
hen ist.
42. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 20-41,
dadurch gekennzeichnet, daß eine elektronische Steuereinrich
tung zur Steuerung der Beschichtungseinrichtung (2) und der
Zerspanungsvorrichtung (3) vorgesehen ist.
43. Vorrichtung nach Anspruch 42, dadurch gekennzeichnet, daß
die Steuereinrichtung eine Schnittstelle aufweist, die mit
einer CAD-Einheit (37) verbindbar ist.
44. Vorrichtung nach Anspruch 43, dadurch gekennzeichnet, daß
die Steuereinrichtung auf der Grundlage von CAD-Geometrie
daten und manuell eingegebener Daten ein Bearbeitungsprogramm
zur Ansteuerung der Beschichtungseinrichtung (2) und der Zer
spanungsvorrichtung (3) erzeugt.
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