DE19606383C2 - Pulverbeschichtungseinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Pulverbeschichtungseinrichtung zum Auftragen von geschmolzenem Beschichtungspulver auf ein Substrat, umfassend eine Aufbereitungseinheit zur Erzeugung eines Beschichtungspulverstroms, einen Pulverauftragkopf, von welchem ausgehend der Beschichtungspulverstrom sich in Form eines gerichteten Pulverstrahls zum Substrat hin ausbreitet, eine im Pulverauftragkopf angeordnete Schmelzzone, welche der Beschichtungspulverstrom in einer Durchlaufrichtung passiert, und eine Strahlführungsoptik, welche einen von einem Laser erzeugten Laserstrahl zum Schmelzen des Beschichtungspulvers auf die Schmelzzone richtet.

Derartige Pulverbeschichtungseinrichtungen sind aus der DE-A 39 42 049 bekannt. Diese Lösung hat jedoch den Nachteil, daß das Beschichtungspulver vielfach nur ungenügend aufgeschmolzen wird und daß ein großer Teil der Laserleistung nicht vom Beschichtungspulver absorbiert wird und dann ungenutzt bleibt.

Bei anderen bekannten Pulverbeschichtungseinrichtungen wird vorwiegend die Schmelzzone in die Nähe des Substrats gelegt, so daß die Strahlführungsoptik den Laserstrahl zum Substrat hin ausrichtet und sich der Pulverstrahl und der Laserstrahl nahe einer Oberfläche des Substrats in der Schmelzzone treffen. In dieser erfolgt kein vollständiges Aufschmelzen des Beschichtungspulvers sondern ein Anschmelzen desselben. Daher wird durch den Laserstrahl nicht nur das im Pulverstrahl geförderte Beschichtungspulver in der Schmelzzone aufgeheizt, sondern gleichzeitig auch noch eine sich auf dem Substrat ausbildende Schmelze, in der letztendlich das Beschichtungspulver vollständig erschmolzen wird.

Dadurch ist es beispielsweise nicht möglich, mit einer der­ artigen Pulverbeschichtungseinrichtung all diejenigen Substrate zu beschichten, die sich bei Einwirkung von Laser­ licht in unerwünschter Art und Weise verändern.

Der Erfindung liegt daher ausgehend von der DE-A 39 42 049 die Aufgabe zugrunde, eine Pulverbeschichtungseinrichtung der gattungsgemäßen Art derart zu verbessern, daß das Beschichtungspulver vor Auftreffen auf dem Substrat im wesentlichen vollständig und möglichst effizient aufschmelzbar ist.

Diese Aufgabe wird bei einer Pulverbeschichtungseinrichtung der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Strahlführungsoptik mit mehreren, den Laser­ strahl reflektierenden Elementen versehen ist, welche den Laserstrahl im Bereich der Schmelzzone quer zur Durchlauf­ richtung mehrfach durch mindestens eine Aufheizzone für den Beschichtungspulverstrom hindurchtreten lassen.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist darin zu sehen, daß durch die Verlegung der Schmelzzone in den Pulverauftrag­ kopf und das Hindurchtreten des Laserstrahls durch den Be­ schichtungspulverstrom in einer quer zur Durchlaufrichtung verlaufenden Richtung sichergestellt ist, daß mit dem Laser­ licht das Beschichtungspulver vollständig erschmelzbar ist.

Darüber hinaus ist durch das mehrfache Hindurchtreten des Laserlichts durch den Beschichtungspulverstrom eine effektive und ausreichende Aufheizung des Beschichtungspulvers gewähr­ leistet, so daß es zum Erzeugen einer ausreichend gut haften­ den Schicht nicht mehr zwingend erforderlich ist, noch zusätzlich unmittelbar auf dem Substrat eine durch den Laser­ strahl aufgeheizte Schmelze vorliegen zu haben.

Zum Erschmelzen des Beschichtungspulvers in der Schmelzzone wäre es ausreichend, wenn der mehrfach den Beschichtungs­ pulverstrom durchsetzende Laserstrahl stets dieselbe Aufheiz­ zone passiert.

Die Ausnutzung der in dem Laserstrahl zur Verfügung stehenden Leistung ist jedoch noch effizienter, wenn die Strahlfüh­ rungsoptik den Laserstrahl durch mehrere in der Schmelzzone nebeneinander liegende Aufheizzonen führt, so daß die Beschichtungspulverpartikel in mehrere nebeneinander lie­ genden Aufheizzonen durch denselben Laserstrahl aufheizbar sind und somit die zur Verfügung stehende Leistung besser ausgenützt werden kann.

Eine besonders vorteilhafte Lösung sieht daher vor, daß die Aufheizzonen eine in Durchlaufrichtung verlaufende Reihe auf­ einander folgender Aufheizzonen bilden.

Die Aufheizzonen könnten rein prinzipiell so angeordnet sein, daß sie jeweils nur einen Teil des Querschnitts des Beschich­ tungspulverstroms umfassen.

Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn die Aufheizzone den gesamten Querschnitt des Beschichtungspulverstroms erfaßt.

Prinzipiell wäre es denkbar, mit der Strahlführungsoptik den Laserstrahl als parallelen Strahl mehrfach durch den Be­ schichtungspulverstrom hindurchzuführen. Besonders vorteil­ haft ist es jedoch, insbesondere da ein Querschnitt des Beschichtungspulverstroms in der Regel relativ klein ist, wenn die Strahlführungsoptik den Laserstrahl fokussierende Elemente aufweist.

Vorzugsweise sind die fokussierenden Elemente so ausgebildet, daß sie den Laserstrahl in mindestens einer Strahlebene auf die Aufheizzone fokussieren.

Für die effektive Wechselwirkung mit dem Beschichtungspulver­ strom ist es dabei besonders vorteilhaft wenn die Strahl­ ebene, in welcher der Laserstrahl fokussiert wird, quer zur Durchlaufrichtung verläuft.

Die Effizienz der Wechselwirkung zwischen Laserstrahl und Beschichtungspulverstrom ist ferner besonders gut, wenn der Laserstrahl in einer zur Durchlaufrichtung parallelen Strahl­ ebene unfokussiert, vorzugsweise kollimiert. durch die Auf­ heizzone hindurchtritt um in Durchlaufrichtung eine große Wechselwirkungslänge für die Aufheizung zu erhalten. Die große Wechselwirkungslänge ist nötig, da eine zu große Energie auf kleinem Raum zum Verdampfen des Pulvers führen würde.

Hinsichtlich der Strahlführung durch die Strahlführungsoptik wurden im Zusammenhang mit der bisherigen Beschreibung einzelner Ausführungsbeispiele keine näheren Angaben gemacht. So könnte es beispielsweise denkbar sein, den Laserstrahl in der Art eines Ringlasers stets im Kreis oder spiralförmig zu führen. Eine besonders kompakt bauende Lösung sieht jedoch vor, daß die Strahlführungsoptik den Laserstrahl hin- und herreflektiert.

Besonders zweckmäßig ist es dabei, wenn die Strahlführungs­ optik den Laserstrahl in einer Ebene hin- und herreflektiert, wobei der Laserstrahl in dieser Ebene zickzackförmig laufen kann, um in der Schmelzzone mehrere Aufheizzonen zu durch­ laufen.

Die Ebene ist dabei vorzugsweise so ausgerichtet, daß sie parallel zur Durchlaufrichtung verläuft. Vorzugsweise bildet die Ebene eine Symmetrieebene zum sich in Durchlaufrichtung durch die Schmelzzone bewegenden Beschichtungspulverstrom, so daß durch den hin- und herreflektierten Laserstrahl das Beschichtungspulver in mehreren aufeinanderfolgenden Aufheiz­ zonen aufheizbar ist.

Die Ebene, in welcher der Laserstrahl hin- und herreflektiert wird, verläuft vorzugsweise senkrecht zu der Strahlebene, in welcher die Strahlführungsoptik den Laserstrahl in Richtung auf die jeweilige Aufheizzone fokussiert.

Vorzugsweise ist ferner vorgesehen, daß die Strahlführungs­ optik den Laserstrahl in der Strahlebene, die mit der Ebene, in welcher der Laserstrahl zickzackförmig verläuft, zusammen­ fällt, als im wesentlichen parallelen (kollimierten) Strahl führt, da somit der Laserstrahl in der jeweiligen Aufheizzone einen möglichst großen, sich in Durchlaufrichtung erstrecken­ den Abschnitt des Beschichtungsteilchenstroms erfaßt.

Hinsichtlich der Ausbildung der Strahlführungsoptik sind die unterschiedlichsten Lösungen denkbar. So ist es beispiels­ weise denkbar, die Strahlführungsoptik aus einzelnen getrennt angeordneten reflektierenden Flächen aufzubauen.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Strahlführungsoptik lediglich zwei einander gegenüberliegend angeordnete reflek­ tierende Flächen aufweist, auf welche der Laserstrahl mehr­ fach auftrifft.

Vorzugsweise erstrecken sich dabei die reflektierenden Flächen im wesentlichen parallel zur Durchlaufrichtung sowie quer zur Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls in der Strahl­ führungsoptik, so daß der Laserstrahl bei Hin- und Herre­ flexion zwischen diesen Reflexionsflächen mehrfach auf jeweils dieselbe Reflexionsfläche, allerdings gegebenenfalls an einem anderen Ort derselben, auftrifft.

Zur Fokussierung des Laserstrahls auf die jeweilige Aufheiz­ zone ist es prinzipiell möglich, eigens die hierfür ange­ ordnete Fokussierungselemente, beispielsweise Linsen vorzu­ sehen.

Eine besonders vorteilhafte erfindungsgemäße Lösung sieht jedoch vor, daß die reflektierenden Flächen eine den Laser­ strahl fokussierende Krümmung aufweisen.

Insbesondere wenn die Fokussierung des Laserstrahls lediglich in einer quer zur Durchlaufrichtung liegenden Strahlebene erfolgen soll ist vorteilhafterweise vorgesehen, daß die reflektierenden Flächen als zylindrisch gekrümmte reflek­ tierende Flächen ausgebildet sind, wobei die reflektierende Fläche im einfachsten Fall eine kreiszylindrische Krümmung aufweist.

Vorzugsweise ist die Zylinderachse der reflektierenden Flächen so gelegt, daß diese parallel zu der Ebene verläuft, in welcher der Laserstrahl hin- und herreflektiert wird.

Um ferner optimale Abbildungsverhältnisse zu erreichen ist vorgesehen, daß die reflektierenden Flächen ungefähr konzen­ trisch zueinander angeordnet sind, wobei im Fall von zylin­ drischen reflektierenden Flächen die Fokuslinien ungefähr zusammenfallen. Es könnte sich dabei statt um zwei Zylinder­ spiegel auch um ein verspiegeltes Rohr oder einen lichten Kegel handeln.

Um eine optimale Abschirmung des Substrats gegen die Laser­ strahlung zu erreichen, ist vorzugsweise vorgesehen, daß der Laserstrahl aus der Strahlführungsoptik nach Durchlaufen des­ selben auf einer dem Substrat abgewandten Seite austritt, so daß auf der dem Substrat zugewandten Seite aus der Strahl­ führungoptik lediglich Streulicht austritt.

Dem Substrat abgewandt sind dabei alle Seiten der Strahl­ führungsoptik die nicht direkt dem Substrat zugewandt sind.

Besonders vorteilhaft für die Abschirmung der Laserstrahlung ist es, wenn der Laserstrahl nach Durchlaufen der Strahl­ führungsoptik auf einer Einkoppelseite derselben wieder aus­ tritt, so daß eine Absorption des austretenden Laserstrahls in einfacher Weise möglich ist.

Vorzugsweise liegt die Einkoppelseite für den Laserstrahl auf einer dem Substrat abgewandten Seite der Strahlführungsoptik, so daß die Abschirmung des Substrats gegen die Laserstrahlung besonders günstig erfolgen kann.

Bei zwei exakt parallel ausgerichteten und einander gegen­ überliegenden reflektierenden Flächen wandert ein quer oder schräg zur Durchlaufrichtung eingekoppelter Laserstrahl durch Hin- und Herreflexion zwischen den reflektierenden Flächen, von der Einkoppelseite durch die Strahlführungsoptik hindurch zu einer der Einkoppelseite gegenüberliegenden Seite und ver­ läßt die Strahlführungsoptik auf dieser Seite.

Um jedoch zu erreichen, daß der Laserstrahl lediglich auf einer Seite der Strahlführungsoptik ein- und dann wieder aus dieser austritt, sind vorzugsweise die reflektierenden Flächen nicht parallel zueinander ausgerichtet, sondern gegeneinander um einen kleinen Kippwinkel gekippt, welcher sich zur Einkoppelseite des Laserstrahls hin öffnet, so daß der hin- und herreflektierte Laserstrahl mit zunehmender Anzahl von Reflexionen an den reflektierenden Flächen nicht stetig weiter von der Einkoppelseite weg wandert, sondern nur bis zu einem durch den Kippwinkel festlegbaren Ort und danach durch weitere Hin- und Herreflexion zwischen den reflek­ tierenden Flächen wieder zur Einkoppelseite zurückwandert.

Hinsichtlich der Art der Führung des Beschichtungspulver­ stroms durch die Schmelzzone wurden im Zusammenhang mit der bisherigen Beschreibung der einzelnen Ausführungsbeispiele keine näheren Angaben gemacht.

So sieht eine vorteilhafte Lösung vor, daß das Beschichtungs­ pulver in Form eines von einem Schutzgasmantel umgebenen Pulverstrahls durch die Schmelzzone geführt ist, wobei der Schutzgasmantel nicht nur zum Schutz des Pulverstrahls gegen von außen in diesen eindringende Gase dient, sondern auch insbesondere dazu, den Pulverstrahl auf einem möglichst engen Querschnitt zusammenzuhalten und somit sicherzustellen, daß der Beschichtungspulverstrom vom Laserstrahl über seinen vollen Querschnitt erfaßt wird.

Um diese, den Pulverstrahl auf einem engen Querschnitt haltende Wirkung des Schutzgasmantels zu unterstützen, ist vorzugsweise vorgesehen, daß der Schutzgasmantel und der Pulverstrahl im Bereich der Schmelzzone ein für den Laser­ strahl transparentes Hüllrohr durchsetzen, wobei das Hüllrohr dazu dient, eine radiale Aufweitung des Schutzgasmantels auf seiner Außenseite zu vermeiden und somit über den Schutzgas­ mantel auch den Pulverstrahl auf einem möglichst engen Quer­ schnitt zu halten.

Hinsichtlich der Art der Erzeugung des Schutzgasmantels wurden keine näheren Angaben gemacht. So sieht ein vorteil­ haftes Ausführungsbeispiel vor, daß der Schutzgasmantel durch eine Ringdüse erzeugbar ist.

Vorzugsweise ist dabei zur Erzeugung des Schutzgasmantels eine Ringdüse vorgesehen, welche in Durchlaufrichtung gesehen stromaufwärts der Schmelzzone angeordnet ist, um sicherzu­ stellen, daß der Pulverstrahl umgeben vom Schutzgasmantel in dieser Konfiguration durch die gesamte Schmelzzone hindurch­ führbar ist.

Um die Strömungsgeschwindigkeit des Beschichtungspulvers in der Schmelzzone unabhängig von der Geschwindigkeit festlegen zu können, mit welcher das Beschichtungspulver nach der Schmelzzone in Richtung des Substrats strömt, ist vorzugs­ weise vorgesehen, daß der Beschichtungspulverstrom nach Durchlaufen der Schmelzzone von einem Beschleunigungsgasstrom erfaßt und zum Substrat gefördert wird.

Vorzugsweise ist auch der Beschleunigungsgasstrom ein Schutz­ gasstrom.

Durch den Beschleunigungsgasstrom besteht insbesondere die Möglichkeit den Beschichtungspulverstrom auf eine so große Geschwindigkeit zu bringen, daß mit dieser auch eine schräg oder senkrecht zur Horizontalen verlaufende Fläche oder sogar eine Fläche von unten beschichtet werden kann.

Eine besonders vorteilhafte Konfiguration sieht ferner vor, daß das den Pulverstrahl und den Schutzgasmantel führende Hüllrohr außenseitig ebenfalls von einem weiteren Schutzgas­ strom umgeben ist, welcher das Hüllrohr auf seiner Außenseite und den Raum zwischen den reflektierenden Flächen kühlt und insbesondere zusätzlich nach einer Austrittsöffnung des Hüll­ rohrs auf den Schutzgasmantel einwirkt, um diesen den Pulver­ strahl weiter möglichst eng umgebend bis zum Substrat zu führen.

Besonders zweckmäßig ist es, den weiteren Schutzgasstrom als Beschleunigungsgasstrom einzusetzen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichnerischen Dar­ stellung einiger Ausführungsbeispiele.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfin­ dungsgemäßen Pulverbeschichtungseinrichtung;

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung einer Strahl­ führungsoptik der erfindungsgemäßen Pulver­ beschichtungseinrichtung mitsamt einer Ein­ kopplungsoptik;

Fig. 3 einen Schnitt längs Linie 3-3 in Fig. 2;

Fig. 4 einen Schnitt längs Linie 4-4 in Fig. 2;

Fig. 5 eine perspektivische Darstellung eines Ver­ laufs des Laserstrahls in der erfindungsge­ mäßen Strahlführungsoptik zusammen mit dem Beschichtungsteilchenstrom;

Fig. 6 einen Schnitt längs Linie 6-6 in Fig. 5;

Fig. 7 ein den Strahlquerschnitt darstellendes Diagramm bei einer Kombination aus Ein­ kopplungsoptik und Strahlführungsoptik gemäß Fig. 2;

Fig. 8 einen vertikalen Schnitt ähnlich Fig. 6 im Bereich eines eine Schmelzzone durchsetzenden Pulverstrahls;

Fig. 9 einen Schnitt längs Linie 9-9 in Fig. 8;

Fig. 10 einen Schnitt ähnlich Fig. 6 durch eine Variante der erfindungsgemäßen Strahl­ führungsoptik und

Fig. 11 einen Schnitt längs Linie 11-11 in Fig. 10.

Ein in Fig. 1 dargestelltes Ausführungsbeispiel einer erfin­ dungsgemäßen Pulverbeschichtungseinrichtung umfaßt eine Auf­ bereitungseinheit 10 für Beschichtungspulver, welche einen Beschichtungspulverstrom 12 erzeugt, in welchem vorzugsweise einzelne Teilchen des Beschichtungspulvers durch ein Träger­ gas transportiert werden.

Der Beschichtungspulverstrom 12 wird dabei durch eine Pulver­ leitung 14 zu einem als Ganzes mit 16 bezeichneten Pulverauf­ tragkopf geführt. In diesem Pulverauftragkopf durchläuft der Beschichtungspulverstrom 12 eine als Ganzes mit 18 bezeich­ nete Schmelzzone, tritt dann als sich frei auftretender Pulverstrahl 20 aus dem Pulverauftragkopf 16 aus und breitet sich in Richtung eines Substrats 22 aus, auf dessen Ober­ fläche 24 sich dann eine aus dem Beschichtungspulver ge­ bildete Schicht 26 ausbildet, wenn der Pulverauftragkopf 16 und das Substrat 22 relativ zueinander bewegt werden.

Zum Erschmelzen des Beschichtungspulvers 12 in der Schmelz­ zone 18 ist ein einen Laserstrahl 28 erzeugender Laser 30 vorgesehen, wobei der Laserstrahl 28 in den Pulverauftragkopf 16 eintritt und innerhalb desselben von einer als Ganzes mit 32 bezeichneten Strahlführungsoptik so geführt wird, daß der Laserstrahl in der Schmelzzone 18 den Beschichtungspulver­ strom quer zu seiner Durchlaufrichtung 34 durch die Schmelz­ zone 18 mehrfach durchsetzt und dabei im Bereich der Kreuzung zwischen dem Laserstrahl 28 und dem Beschichtungspulverstrom 12 eine Vielzahl von Aufheizzonen 36 bildet, so daß das die Aufheizzonen 36 durchlaufende Beschichtungspulver beim Ver­ lassen der Schmelzzone 18 aufgeschmolzen ist.

Wie in den Fig. 2 bis 4 dargestellt, umfaßt die Strahl­ führungsoptik 32 zwei einander zugewandte Zylinderspiegel 40 und 42, deren als Zylinderflächen geformte Spiegelflächen 44 bzw. 46 im wesentlichen konzentrisch zu einer Fokuslinie 48 angeordnet sind, wobei die Fokuslinie 48 parallel zur Durchlaufrichtung 34 des Beschichtungspulverstroms 12 orientiert ist.

Die Spiegelflächen 44 und 46 der Zylinderspiegel 40 und 42 sind so geformt, daß diese jeweils einen von der Fokuslinie 48 kommenden in einer parallel zur x-Richtung verlaufenden Strahlebene divergenten Strahl reflektieren und im wesent­ lichen in einer weiteren zur x-Richtung parallelen Strahl­ ebene auf die Fokuslinie 48 zurückfokussieren, so daß die beiden Zylinderspiegel 40 und 42 insgesamt ein resonator­ ähnliches, den Laserstrahl zwischen sich hin- und herreflek­ tierendes und jeweils in zur x-Richtung parallelen Strahl­ ebene auf die Fokuslinie 48 fokussierendes optisches Element bilden, welches die Strahlführungsoptik 32 zur Aufheizung des Beschichtungspulverstroms 12 in der Schmelzzone 18 darstellt.

Um den vom Laser 30 kommenden divergenten Laserstrahl in geeigneter Weise auf einer dem Substrat 22 abgewandten Ein­ koppelseite 31 in die Strahlführungsoptik 32 einzukoppeln, ist eine als Ganzes mit 52 bezeichnete Einkopplungsoptik vorgesehen, welche den Laserstrahl 28 in unterschiedlichen Strahlebenen unterschiedlich fokussiert.

Der Laserstrahl 28 tritt zunächst durch eine erste Zylinder­ linse 54 hindurch, welche aus dem sich divergent ausbreiten­ den Laserstrahl 28 einen sich in der YZ-Ebene im wesentlichen parallel oder kollimiert ausbreitenden Laserstrahl 28a formt. Dieser sich im wesentlichen parallel in der YZ-Ebene (Fig. 3) ausbreitende Laserstrahl 28a führt nun schräg durch die Fokuslinie 48 hindurch und trifft auf die Spiegelfläche 44 des Spiegels 40, wird dann als Laserstrahl 28b in Richtung der Fokuslinie 48 reflektiert, trifft auf die Spiegelfläche 46 des Zylinderspiegels 42 und wird dann von diesem wieder zurück zur Fokuslinie 48 reflektiert usw. . Da die Fokuslinie 48 ebenfalls in der YZ-Ebene liegt, wird somit der parallel ankommende Laserstrahl in der YZ-Ebene auch durch die Zylin­ derspiegel 40 und 42 in seiner Form, wenn man von einer geringfügigen Aufweitung absieht, im wesentlichen nicht ver­ ändert, sondern lediglich in der YZ-Ebene hin- und herreflek­ tiert.

Dagegen sind die Verhältnisse in der XZ-Ebene anders. Die erste Zylinderlinse 54 wirkt sich auf die Strahlform in der XZ-Ebene nicht aus. Zur Formung des Laserstrahls in der XZ-Ebene sind eine zweite Zylinderlinse 56 und eine dritte Zylinderlinse 58 vorgesehen, die zunächst aus dem divergenten Laserstrahl 28 einen im wesentlichen parallelen oder kolli­ mierten Laserstrahl formen und dann den Laserstrahl in der XZ-Ebene auf die Fokuslinie 48, die ungefähr senkrecht zur XZ-Ebene verläuft, fokussieren und zwar mit einer an die Krümmung der Spiegelflächen 44 und 46 angepaßten Divergenz, so daß der von der Fokuslinie 48 kommende und erstmals auf den Zylinderspiegel 40 treffende und in die Strahlführungs­ optik 32 einzukoppelnde Laserstrahl genau die Divergenz auf­ weist, die bei der gegebenen Krümmung der Spiegelfläche 44 dazu führt, daß diese den Laserstrahl 28b nach Reflexion auf die Fokuslinie 48 wieder fokussiert, wobei der reflektierte Laserstrahl 28b nicht mehr exakt in der XZ-Ebene liegt, sondern, wie aus Fig. 3 ersichtlich, in einer geringfügig gegenüber der XZ-Ebene geneigten XZ'-Ebene verläuft, und die Richtung Z' mit der Richtung Z einen kleinen spitzen Winkel einschließt.

Die Zylinderlinsen 54, 56 und gegebenenfalls auch noch die Zylinderlinse 58 können zu einer speziellen Optik, im ein­ fachsten Fall einer Linse, zusammengefaßt werden.

Dadurch daß, wie aus in Fig. 3 dargestellt, auch die Y-Rich­ tung mit der Fokuslinie 48 einen kleinen Winkel einschließt, wird in der Strahlführungsoptik 32 der eingekoppelte Laser­ strahl 28b in der YZ-Ebene hin- und herreflektiert, wobei sich der Strahlquerschnitt in der YZ-Ebene nur unwesentlich ändert, allerdings jeweils im Bereich der Fokuslinie in allen XZ'-Ebenen, die senkrecht zur YZ-Ebene stehen, eine Fokussie­ rung erfolgt, so daß ein mit seiner Durchlaufrichtung 34 vor­ zugsweise koaxial zur Fokuslinie 48 die Schmelzzone durch­ laufender Beschichtungspulverstrom 12 in jeder der Aufheiz­ zonen 36 von einem in Durchlaufrichtung 34 einen unver­ änderten Querschnitt aufweisenden, jedoch quer zur Durchlauf­ richtung 34 fokussierten Laserstrahl 28b aufgeheizt wird.

Die erfindungsgemäße Strahlführungsoptik 32 führt somit ins­ gesamt dazu, daß der Beschichtungspulverstrom 12 in der Schmelzzone 18 eine Vielzahl von in Richtung der Fokuslinie 48 aufeinanderfolgenden Aufheizzonen 36 durchläuft, so daß der Laserstrahl 28b mehrfach den Beschichtungspulverstrom 12 kreuzt und damit der Laserstrahl 28b mehrfach zur Aufheizung des Beschichtungspulverstroms 12 und somit zum Erschmelzen des durch die Schmelzzone 18 geförderten Beschichtungspulvers eingesetzt werden kann.

Sind die beiden Zylinderspiegel 40 und 42 exakt konzentrisch zur Fokuslinie 48 angeordnet, so durchwandert der Laserstrahl 28b die Strahlführungsoptik 32 und tritt an einer einer Ein­ koppelseite gegenüberliegenden Seite wieder aus der Strahl­ führungsoptik 32 aus.

Um die Wechselwirkung zwischen dem Laserstrahl 28b und dem Beschichtungspulverstrom 12 in der Schmelzzone 18 noch zu vervielfachen ist vorzugsweise vorgesehen, daß die beiden Zylinderspiegel 40 und 42 nicht exakt konzentrisch zur Fokuslinie 48 angeordnet sind, sondern - wie in Fig. 6 dargestellt - um einen in der YZ-Ebene liegenden kleinen Winkel α gegeneinander verkippt. Dies führt dazu, daß sich bei zunehmender Reflexion des Laserstrahls in der Strahl­ führungsoptik 32 der Winkel zwischen der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls 28b und der Fokuslinie 48 vergrößert, schließlich 90° erreicht, so daß sich der Laserstrahl 28b in Durchlaufrichtung 34 nicht weiter in Richtung des Substrats 22 wandert sondern wieder durch Hin- und Herreflexion zwischen den Zylinderspiegeln 40 und 42 in Richtung des eintretenden Laserstrahls 28a zurückwandert und auf seiner Einkoppelseite die Strahlführungsoptik 32 wieder verläßt.

Dadurch wird erreicht, daß sich die Zahl der Schmelzzonen 36 aufgrund des durch die Strahlführungsoptik 32 wieder zurück­ wandernden Laserstrahls 28b verdoppeln und somit die Wechsel­ wirkung zwischen dem Laserstrahl 28b und dem Beschichtungs­ pulverstrom 12 in der Schmelzzone 18 noch steigern läßt.

Das Zusammenwirken der Einkopplungsoptik 52 mit der Strahl­ führungsoptik 32 zur Formung des Laserstrahls ist noch einmal zusammenfassend in Fig. 7 dargestellt. Die durchgezogene Linie zeigt dabei den Strahlquerschnitt in der XZ- und den nachfolgenden XZ'-Ebenen, während die gestrichelte Linie den Verlauf des Strahlquerschnitts in der YZ-Ebene zeigt.

Der vom Laser 30 kommende Laserstrahl 28 wird, wie in Fig. 7 dargestellt, durch die zweite Zylinderlinse 56 zu einem im wesentlichen parallelen Strahl geformt, durch die dritte Zylinderlinse 58 wieder fokussiert und durchsetzt als Laser­ strahl 28a die Fokuslinie 48, in welcher er zum ersten mal den geringsten Strahlquerschnitt in der XZ-Ebene aufweist. Nach Durchlaufen der Fokuslinie 48 trifft der Laserstrahl 28a als divergenter Strahl zum ersten mal auf die Spiegelfläche 44 und wird von dieser als nunmehr in der Strahlführungsoptik 32 verlaufender Laserstrahl 28b erneut zur Fokuslinie 48 reflektiert und auf diese fokussiert. Nach Durchlaufen der Fokuslinie 48 trifft der Laserstrahl 28b dann auf die Spiegelfläche 46 des Zylinderspiegels 42, von welcher dieser wieder erneut zur Fokuslinie 48 reflektiert und auf diese fokussiert wird, um dann wieder auf die Spiegelfläche 44 zu treffen.

Dagegen erfährt der Laserstrahl 28a in der YZ-Ebene lediglich eine geringfügige Querschnittsvariation, die sich dann auch bei in die Strahlführungsoptik 32 eingekoppeltem Laserstrahl 28b fortsetzt und zu einer mit zunehmendem Strahlweg zu­ nehmenden Querschnittsaufweitung führt, die durch die natür­ liche Divergenz eines Laserstrahls bedingt ist.

Zur Führung des Beschichtungspulverstroms 12 durch die Schmelzzone 18 wurden im Zusammenhang mit der bisherigen Erläuterung der einzelnen Ausführungsbeispiele keine näheren Angaben gemacht. Prinzipiell wäre es möglich, wie in Fig. 5 dargestellt, den Beschichtungspulverstrom 12 in Form eines frei fliegenden Pulverstrahls 20a durch die Schmelzzone 18 hindurchlaufen zu lassen.

Um jedoch eine definierte Führung des Beschichtungspulver­ stroms 12 zu erreichen, ist, wie in Fig. 8 dargestellt, vor­ zugsweise vorgesehen, daß der Beschichtungspulverstrom 12 sich zwar in Form eines Pulverstrahls 20b bereits durch die Schmelzzone 18 ausbreitet, jedoch wird der Beschichtungs­ pulverstrom 20b geführt von einem diesen mantelseitig um­ schließenden Schutzgasstrom 60, der seinerseits wieder außen von einem für den Laserstrahl 28b transparenten Hüllrohr 62 umgeben ist.

Das Hüllrohr 62 führt dazu, daß der Schutzgasstrom 60 sich nicht aufweitet und somit dieser seinerseits wiederum den Pulverstrahl 20b mit möglichst engem Querschnitt längs der Fokuslinie 48 führt. Ferner verhindert der Schutzgasstrom 60, daß erschmolzene Teilchen des Beschichtungspulvers sich an dem Hüllrohr 62, insbesondere einer Innenwand 64 desselben, festsetzen und somit dessen Transparenz für den Laserstrahl 28b verschlechtern.

Zur Ausbildung derartiger Strömungsverhältnisse in dem Hüll­ rohr 62, ist, wie in Fig. 8 und 9 dargestellt, stromaufwärts des Schmelzzone 18 eine als Ganzes mit 66 bezeichnete Düse vorgesehen, welche einen Innenkanal 68 zur Führung des Beschichtungspulverstroms 12 aufweist und einen diesen Innen­ kanal 68 ringförmig umgebenden Ringkanal 70, durch welchen Schutzgas strömt und aus welchem dann Schutzgas unter Bildung des Schutzgasstroms 60 austritt.

Ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfin­ dungsgemäßen Realisierung der Strahlführungsoptik 32 (Fig. 10, 11) sieht vor, daß die Zylinderspiegel 40 und 42 sich zwischen zwei Seitenwänden 80 und 82 eines kompakten Spiegel­ blocks erstrecken und mit diesen Seitenwänden 80 und 82 fest verbunden sind. Die Spiegel 40 und 42 sowie die Seitenwände 80 und 82 sitzen dann ihrerseits noch auf einer Grundplatte 86, welche eine Öffnung 88 aufweist, durch welche sich das Rohr 62 hindurcherstreckt, wobei eine untere Öffnung 90 des Hüllrohrs 62 ungefähr in Höhe der Öffnung 88 liegt.

Die Öffnung 88 ist jedoch größer als ein Außendurchmesser des Hüllrohrs 62, so daß die Möglichkeit besteht, zwischen dem Rohr 62 und den Spiegelflächen 44 und 46 ebenfalls noch einen Schutzgasstrom 92 hindurchtreten zu lassen, welcher einer­ seits die Spiegelflächen 44 und 46 und andererseits das Hüll­ rohr 62 kühlt und durch die Öffnung 88 in der Grundplatte 86 das Hüllrohr 90 umgebend austritt, um eine zusätzliche Ab­ schirmung für den aus der Öffnung 90 des Hüllrohrs 62 aus­ tretenden Schutzgasstrom 60a zu bilden und somit den vom Schutzgasstrom 60a umgebenen Pulverstrahl 20 mit erschmol­ zenem Beschichtungspulver noch besser zu schützen und diesen als Beschleunigungsgasstrom gleichzeitig in Richtung des Substrats zu beschleunigen, so daß die Möglichkeit eröffnet wird, zumindest schräg zur Horizontalen oder senkrecht zur Horizontalen verlaufende Flächen zu beschichten. Bei extremer Beschleunigung ist auch die Beschichtung von Flächen auf einer Unterseite möglich.

Claims (23)

1. Pulverbeschichtungseinrichtung zum Auftragen von geschmolzenem Beschichtungspulver auf ein Substrat, umfassend eine Aufbereitungseinheit zur Erzeugung eines Beschichtungspulverstroms, einen Pulverauftragkopf, von welchem ausgehend der Beschichtungspulverstrom sich in Form eines gerichteten Pulverstrahls zum Substrat hin ausbreitet, eine im Pulverauftragkopf angeordnete Schmelzzone, welche der Beschichtungspulverstrom in einer Durchlaufrichtung passiert, und eine Strahlführungsoptik, welche einen von einem Laser erzeugten Laserstrahl zum Schmelzen des Beschichtungs­ pulvers auf die Schmelzzone richtet, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlführungsoptik (32) mit mehreren, den Laserstrahl (28b) reflektierenden Elementen (40, 42) versehen ist, welche den Laserstrahl (28b) im Bereich der Schmelzzone (18) quer zur Durchlaufrichtung (34) mehrfach durch mindestens eine Aufheizzone (36) für den Beschichtungspulverstrom (12) hindurchtreten lassen.

2. Pulverbeschichtungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlführungsoptik (32) den Laserstrahl (28b) durch mehrere, in der Schmelzzone (18) nebeneinander liegende Aufheizzonen (36) führt.

3. Pulverbeschichtungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufheizzonen (36) eine in Durchlaufrichtung (34) verlaufende Reihe aufeinander­ folgender Aufheizzonen (36) bilden.

4. Pulverbeschichtungseinrichtung nach einem der voran­ stehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufheizzone (36) den gesamten Querschnitt des Beschich­ tungspulverstroms (12) erfaßt.

5. Pulverbeschichtungseinrichtung nach einem der voran­ stehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlführungsoptik (32) den Laserstrahl (28b) fokussie­ rende Elemente (40, 42) aufweist.

6. Laserbeschichtungseinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die fokussierenden Elemente (40, 42) so ausgebildet sind, daß sie den Laserstrahl (28b) in mindestens einer Strahlebene (XZ') auf die jeweilige Aufheizzone (36) fokussieren.

7. Laserbeschichtungseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlebene (XZ') zu quer zur Durchlaufrichtung (34) verläuft.

8. Laserbeschichtungseinrichtung nach einem der voran­ stehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl (28b) in einer zur Durchlaufrichtung (34) parallelen Strahlebene (YZ) unfokussiert durch die Auf­ heizzone (36) hindurchtritt.

9. Laserbeschichtungseinrichtung nach einem der voran­ stehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlführungsoptik (32) den Laserstrahl (28b) hin- und herreflektiert.

10. Laserbeschichtungseinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlführungsoptik (32) den Laserstrahl (28b) in einer Ebene hin- und herreflek­ tiert.

11. Laserbeschichtungseinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ebene, in welcher der Laser­ strahl (28b) hin- und herreflektiert wird, parallel zur Durchlaufrichtung (34) verläuft.

12. Laserbeschichtungseinrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Ebene, in welcher der Laserstrahl (28b) hin- und herreflektiert wird, senk­ recht zu der Strahlebene (XZ') verläuft, in welcher die Strahlführungsoptik (32) den Laserstrahl (28b) in Rich­ tung auf die jeweilige Aufheizzone (36) fokussiert.

13. Laserbeschichtungseinrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlführungsoptik (32) den Laserstrahl (28b) in der Strahlebene (YZ) die paral­ lel der Ebene verläuft, in welcher der Laserstrahl (28b) hin- und herreflektiert wird, als im wesentlichen paral­ lelen oder kollimierten Strahl führt.

14. Laserbeschichtungseinrichtung nach einem der voran­ stehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlführungsoptik (32) zwei einander gegenüberliegend angeordnete reflektierende Flächen (44, 46) aufweist, auf welche der Laserstrahl (28b) mehrfach auftrifft.

15. Laserbeschichtungseinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierenden Flächen (44, 46) eine den Laserstrahl (28b) fokussierenden Krümmung auf­ weisen.

16. Laserbeschichtungseinrichtung nach einem der voran­ stehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl (28b) aus der Strahlführungsoptik (32) nach Durchlaufen derselben auf einer dem Substrat (22) abge­ wandten Seite austritt.

17. Laserbeschichtungseinrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl (28b) nach Durch­ laufen der Strahlführungsoptik (32) auf einer Einkoppel­ seite derselben wieder austritt.

18. Laserbeschichtungseinrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Einkoppelseite für den Laser­ strahl (28a) auf einer dem Substrat (22) abgewandten Seite der Strahlführungsoptik (32) liegt.

19. Laserbeschichtungseinrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei einander gegenüberliegenden reflektierenden Flächen (44, 46) gegeneinander um einen kleinen Winkel gekippt sind, welcher sich zur Einkoppel­ seite des Laserstrahls (28a) hin öffnet.

20. Laserbeschichtungseinrichtung nach einem der voran­ stehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Beschichtungspulver in Form eines von einem Schutzgas­ mantel (60) umgebenden Pulverstrahls (20b) durch die Schmelzzone (18) geführt ist.

21. Laserbeschichtungseinrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Schutzgasmantel (60) und der Pulverstrahl (20b) im Bereich der Schmelzzone (18) ein Hüllrohr (62) durchsetzen.

22. Laserbeschichtungseinrichtung nach einem der voran­ stehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Beschichtungspulverstrom (12) nach Durchlaufen der Schmelzzone (18) mit einem Beschleunigungsgasstrom (92) beschleunigbar ist.

23. Laserbeschichtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß das den Pulver­ strahl (20b) und den Schutzgasmantel (60) führende Hüll­ rohr (62) außenseitig von einem weiteren Schutzgasstrom (92) umgeben ist.