DE19832185A1

DE19832185A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Behandlung von Oberflächen

Info

Publication number: DE19832185A1
Application number: DE19832185A
Authority: DE
Inventors: Konrad Wissenbach; Werner Knoeppel; Andreas Gasser
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1998-07-17
Filing date: 1998-07-17
Publication date: 2000-01-27

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Behandlung von Oberflächen mit einer Laserstrahlquelle und Mitteln für die Übertragung des Laserlichts zu einem der Ausrichtung des Laserlichts auf die Oberfläche dienenden Bearbeitungskopf, wobei für den Bearbeitungskopf Mittel zur Einkopplung des Laserlichts, Mittel zur Kollination des Laserlichts, sowie optionale Aufnahmeeinrichtungen zum Auftragsschweißen und Reinigen mit Laserlicht vorgesehen sind. Bevorzugtes Anwendungsgebiet ist die Behandlung von Werkzeugen für den Spritz- und Druckguß sowie für Vulkanisierungsprozesse, bei denen die Oberfläche sowohl gereinigt als auch repariert werden muß.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Behandlung von Oberflä chen, insbesondere von Oberflächen von Bauteilen, mittels Laserstrahlung nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 10, wie sie aus der WO 94/21418 bekannt sind. Bevorzugtes Anwendungsgebiet ist die Behandlung von Werkzeugen für den Spritz- und Druckguß sowie für Vulkanisationsprozesse, bei denen die Oberfläche sowohl gereinigt als auch repariert werden muß.

Stand der Technik

Werkzeuge, insbesondere Formwerkzeuge für den Spritz- und Druckguß, müssen in regelmäßigen Abständen von den Resten des Spritzgutes gereinigt werden, da sich auf der Formoberfläche nach und nach ein störender Belag bildet. Die Beläge bestehen dabei aus dem Spritzgut selbst, oder aus dessen kondensierten Ausgasungen. Zur Reinigung werden die meist beheizten Werkzeuge abgekühlt, ausgebaut und nach erfolgter Reinigung erneut aufgeheizt, was zu erheblichen Maschinenstillstandzeiten und Produktionsausfällen führt. Ein weiterer Problemkreis im Werkzeugbau sind fehlerhafte Fertigungen bzw. Maßungenauigkeiten. Diese können bereits bei der Herstellung auftreten und müssen dann nachträglich korrigiert werden. Kommt es durch das Spritzgut zum Verschleiß von Werkzeugteilen so müssen von Zeit zu Zeit deren Oberflächen zu repariert werden um Qualitätseinbußen bei den Spritzgußteilen zu vermeiden. Wünschenswert kann es ferner sein, den Verschleiß besonders beanspruchter Bereiche durch das Auftragen einer verschleißbeständigen Schicht zu reduzieren.

In der WO 94/21418 wird ein System zur Reinigung von Formwerkzeugen offenbart, bei welchem Laserlicht auf die zu reinigende Formoberfläche gerichtet wird, um die anhaftenden Beläge durch einen Verdampfungsprozeß abzutragen, und bei welchem die Formwerkzeuge ohne einen zeitaufwendigen Ausbau gereinigt werden können. Die WO 94/21418 enthält jedoch keine Angaben über die verwendete Bearbeitungsoptik, aus welchem das Laserlicht austritt. Die konkrete Ausführung dieses Bearbeitungskopfes ist allerdings wichtig bei der Lösung des Problems, wie die Rekondensation des ablatierten Materials auf benachbarten Flächen vermieden werden kann. Eine effiziente Entfernung des abgetragenen Materials aus dem Bearbeitungsbereich ist jedoch Voraussetzung für eine vollständige Reinigung der Oberflächen. Ein weiterer Nachteil der WO 94/21418 besteht darin, daß mit die sem System die Oberflächen lediglich gereinigt, aber nicht durch Beschichten repariert werden können.

In der EP 0 742 089 A2 werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reinigung von Vulkanisationsformen offenbart, bei denen die Rückstände der Vulkanisationsprozesse durch Beaufschlagung mit Laserlicht gereinigt werden, ohne daß es eines Ausbaus der Formen bedarf. Nachteilig bei dieser Lösung ist das große, aus einer Spiegeloptik mit mehreren Einzelspiegeln bestehende Strahlführungssystem, welches unflexibel bzgl. der zu reinigenden Bauteile ist, und mit welcher insbesondere kleinere Formen nur schwer zu reinigen sind. Die Spiegeloptik und auch der Bearbeitungskopf verursachen hohe Kosten und erlauben nur in sehr eingeschränktem Maße einen Handbetrieb. Zusätzlich ist es nachteilig, daß auch mit dieser Lösung eine Reparatur der Oberflächen durch Beschichten nicht möglich ist.

Die Reparatur von Oberflächen bei den oben genannten Beispielfällen kann grundsätzlich durch Auftragsschweißen bzw. Laserstrahlbeschichten erfolgen, einer allgemein bekannten Arbeitstechnik. Hierzu werden meist draht- und seltener pulverförmige Zusatzwerkstoffe in das vom Laser aufgeschmolzene Werkstoffvolumen zugeführt. Als Zusatzwerkstoffe werden Eisen-, Nickel-, Kobalt-, Kup ferlegierungen, Leichtmetalle und verschiedene Hartstoffe verwendet. Beim Auftragschweißen werden CO₂- und Nd:YAG-Laser im gepulsten oder kontinuierlichen Betrieb eingesetzt. Zunehmend finden auch Diodenlaser Verwendung. Die Reparatur von Formen oder Werkzeugen wird industriell vorwiegend an Handarbeitsplätzen durchgeführt. Diese bestehen meist aus einem der o.g. Laser, einer Lichtleitfaser, welche die Laserstrahlung zur Bearbeitungsoptik führt, und einer Bearbeitungsoptik mit Mikroskop. Die Zufuhr des Zusatzwerkstoffes erfolgt entweder manuell oder automatisiert über eine geeignete Zufuhreinrichtung. Zur Zeit wird fast ausschließlich Draht als Zusatzwerkstoff verwendet. Bei drahtförmi gen Zusatzwerkstoffen können jedoch häufig nur weiche Werkstoffe eingesetzt wer den, welche zudem exakt mit dem Laserstrahl geführt werden müssen. Allgemein sind für den Handbetrieb keine Zufuhrsysteme für pulverförmige Zusatzwerkstoffe bei Laserleistungen größer 100 W bekannt. Zwar wird in der Zeitschrift "Laser und Optoelektronik", Sonderdruck Ausgabe Juni Heft 3/97 von Laserstrahlbeschichten mit einer Laserleistung von 1200 W unter Verwendung pulverförmigem Schweißzusatzwerkstoffs berichtet, die zitierte Druckschrift macht jedoch keine Ausführungen über die Ausgestaltung des verwendeten Bearbeitungskopfs.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Reinigung von Oberflächen von Formwerkzeugen zu schaffen, die die oben ge nannten Nachteile vermeiden, und welche auch zum Reparieren der Oberflächen geeignet sind.

Die Lösung der vorrichtungsgemäßen Aufgabe erfolgt durch die im Anspruch 1 gege benen Merkmale. Vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Vorrichtung werden in den Un teransprüchen 2-9 angegeben. Die Lösung der verfahrensmäßigen Aufgabe erfolgt durch die im Anspruch 10 gegebenen Merkmale, wobei die Unteransprüche 11-13 vorteilhafte Ausgestaltungen enthalten.

Erfindungsgemäß wurde erkannt, daß sich die oben genannten Nachteile der bekannten Reinigungs- und Auftragschweißvorrichtungen durch einen kompakten Bearbeitungskopf in modularer Bauweise vermeiden lassen. Der Bearbeitungskopf ist dabei derart modular aufgebaut, so daß neben der Reinigung der Oberflächen durch Beaufschlagung mit Laserlicht auch ein Auftragsschweißen der Oberfläche möglich ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus einer Laserstrahlquelle, vorteilhafterweise einer mobilen Laserstrahlquelle, Mitteln für die Übertragung des Laserlichts zum Bearbeitungskopf, sowie dem modular konzipierten Bearbeitungskopf selbst. Dies ist in Fig. 1 graphisch dargestellt. Die Modularität des Bearbeitungskopfes äußert sich darin, daß für den Bearbeitungskopf optionale Aufnahmevorrichtungen (6, 8, 9, 10, 11) vorgesehen sind die zum Beispiel ein Auftragsschweißen mit Laserlicht ermöglichen.

Wegen der geringen Abmessungen des Bearbeitungskopfes ist sowohl ein automatischer Betrieb, z. B. mittels CNC-Maschinen, als auch ein Handbetrieb möglich. Bei automatischer Bedienung erschließen sich Anwendungsbereiche mit immer wiederkehrenden Werkstückgeometrien. Des weiteren lassen sich Werkzeuge bei ungünstigen Arbeitsbedingungen wie hohen Temperaturen der Werkzeuge oder beengte Platzverhältnisse, mit diesen Maschinen automatisiert reinigen.

Als Strahlquellen werden vorteilhafterweise Laser eingesetzt, deren Strahlung mit Lichtleitfasern geführt werden kann, wie z. B. Nd:YAG- oder Diodenlaser. Es ist dabei vorteilhaft, den Laser sowie die Versorgungseinheiten inklusive Pulver- oder Drahtfördersystem auf einer mobilen Plattform bzw. einem Gestell zu montieren. Der Laser und die Lichtleitfaser werden dann zu den verschiedenen Arbeitsstationen geführt, wo ein Reinigungs- und/oder Reparaturprozeß durchgeführt werden soll. Das optische System als Zwischenglied zwischen Laser und Bearbeitungskopf kann ein Lichtleitkabel sein.

Der Bearbeitungskopf, in welchen das Laserlicht zum Beispiel über einen Lichtleitkabelstecker eingekoppelt wird, besteht in seiner einfachsten Form aus einem Optikgehäuse mit einer Kollimationslinse, welches das aus dem Lichtleitkabel divergent austretende Laserlicht kollimiert, vgl. Fig. 2. Vorteilhafterweise kann das Optikgehäuse eine variable Anzahl optischer Linsen und/oder Spiegeln zur Erzielung unterschiedlicher Strahlformungen beherbergen. Der kollimierte Laserstrahl erlaubt einen großen Arbeitsbereich A, da sich die Strahldichteverteilung im propagierenden Strahl nur geringfügig ändert. Bei einem typischen Arbeitsabstand L von 5-20 cm (gemessen von der Austrittsöffnung des Laserstrahls) ist die Leistungsdichte im Bereich einiger Zentimeter vor und hinter der Arbeitsebene E nahezu konstant, wodurch das handgeführte Bearbeiten realisierbar ist. Typische Strahldurchmesser liegen im Bereich einiger Millimeter. Andere Optikkonfigurationen können zum Beispiel aus zwei, drei- oder mehrlinsigen Systemen bestehen, welche eine Strahlkaustik erzeugen. Insbesondere kleine und tiefere Oberflächenstrukturen wie zum Beispiel Löcher, Nuten und Stege können so bearbeitet werden. Nicht direkt mit Laserlicht beaufschlagbare Oberflächenbereiche können dadurch gereinigt werden, daß das Laserlicht durch andere Oberflächenbereiche reflektiert wird, so daß die Laserstrahlung an die nicht direkt zugänglichen Bereiche gelangt.

Für leistungsstarke Laser kann modular eine Kühlvorrichtung, zum Beispiel eine Wasserkühlung, vorgesehen sein, die einen Einsatz von Lasern mit Leistungen bis in den Kilowattbereich ermöglicht. Zum Auftragsschweißen bzw. Laserstrahlbeschichten wird an den Bearbeitungskopf eine Zufuhreinrichtung für Schweißzusatzwerkstoffe angebaut. Die Wahl der Schweißmittelzufuhr, welche seitlich, aber auch koaxial erfolgen kann, hängt dabei von der Zugänglichkeit der zu behandelnden Oberfläche ab. Die Koaxialzufuhr, bei der der Schweißzusatzwerkstoff koaxial zum Laserstrahl geführt wird, erlaubt eine richtungsunabhängige Beschichtung. Bei dieser Art der Zufuhr ist der Einsatz pulverförmiger Zusatzwerkstoffe möglich. Für die Drahtzufuhr ist lediglich eine seitliche Zufuhr möglich.

Um eine gleichbleibende Bearbeitungsqualität zu erzielen ist es notwendig, den Ar beitsabstand L von der Optik zur Werkstückoberfläche in einem gewissen Toleranzbereich konstant zu halten. Um dies bei handgeführtem Betrieb zu realisieren, kann der Bearbeitungskopf zusätzlich mit einem Abstandssensor wie zum Beispiel einem Triangulationssensor ausgestattet werden, der kontinuierlich den Abstand von der Optik zur Werkstückoberfläche mißt. Wird der vorgegebene Toleranzbereich für den Abstand überschritten, so gibt eine Elektronik ein entsprechendes Signal, zum Beispiel ein akustisches Signal, ab, und der Bediener kann den Abstand korrigieren.

Des weiteren ist es möglich, den Bearbeitungskopf mit einer Vorrichtung zum Absau gen von Gasen und Partikeln beim Reinigen auszustatten, wobei die Absaugung bevorzugt lokal im Bearbeitungsbereich erfolgt. Die Absaugvorrichtung kann sowohl in Form einer Rohrdüse als auch konzentrisch zur Schutzgaszuführung ausgeführt sein. Über einen flexiblen Schlauch kann dann das abgesaugte Gas mit Verunreinigungen einer kommerziellen Hochvakuum-Absauganlage mit integrierten Filtern angeschlossen werden. Zusätzlich kann eine globale Absaugung wie zum Beispiel bei einer Einhausung des Arbeitsbereichs oder eine gezielte Belüftung zur Minimierung der Schadstoffbelastung am Arbeitsplatz eingesetzt werden.

Vorteilhafterweise verfügt der Bearbeitungskopf über eine Zufuhrvorrichtung für Schutzgas wie z. B. Preßluft, Stickstoff, Argon oder Helium. Der Einsatz eines Schutzgases hilft zum einen bei der Vermeidung von Oxidationen, andererseits wird abgetragenes Material effektiver aus der Wechselwirkungszone entfernt, wodurch jeweils die Bearbeitungsqualität gesteigert wird.

Zum Schutz von Bediener und Umgebung vor reflektierter Strahlung kann neben der obligatorischen Schutzkleidung ein transparenter, auf die Optik aufsteckbarer Schutz schirm eingesetzt werden.

Ohne Einschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens sollen die erfindungsge mäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren an Ausführungsbeispielen erläutert werden.

Fig. 2 zeigt den Bearbeitungskopf in einer einfachen Form. Das Laserlicht wird vom Lichtleitkabel (1) mittels eines Lichtleitkabelsteckers (2) in den Bearbeitungskopf ein gekoppelt. Der Kollimation des divergent aus dem Lichtleitkabelstecker austretenden Laserlichts dient die Kollimationslinse (3). Die modulare Bauweise äußert sich hierbei in dem Optikgehäuse (4), welches eine variable Anzahl und Anordnung von Linsen (5) zur Erzielung unterschiedlicher Strahlformungen zuläßt. Die Linsen werden in Fig. 2 schematisch durch Abstufungen dargestellt. Je nach Brennweite der Linsen können unterschiedliche Strahldurchmesser D und damit Strahlintensitäten erreicht werden, um zum Beispiel den unterschiedlichen Verdampfungstemperaturen der Oberflächenbeläge Rechnung tragen zu können. Modular ist eine Wasserkühlung (6) vorgesehen, die den Einsatz von Hochleistungslasern bis in den Kilowattbereich ermöglicht. Zum Schutz der Optik vor abgetragenem Material ist ein Schutzglas (7) montiert. Der Arbeitsbereich A beträgt bei diesem Ausführungsbeispiel ca. ±10 cm.

Zum Auftragsschweißen bzw. Laserstrahlbeschichten wird an den Bearbeitungskopf eine Zufuhreinrichtung für Schweißzusatzwerkstoffe wie Pulver oder Draht angebaut.

Fig. 3 zeigt ein Beispiel für die Zufuhr von pulverförmigem Zusatzwerkstoff. Das Pul ver wird von einem geeignetem Pulvergeber über Zufuhrleitungen (8) zur Zufuhrdüse (9) transportiert. Mit der abgebildeten Düse wird eine koaxiale Zufuhr des Pulvers realisiert. Gleichzeitig ist modular eine Zuführung von Schutzgas (10) unter Verwendung einer Schutzgasdüse (11) vorgesehen. Der Arbeitsabstand L beträgt hier ca. 8-10 cm.

Zur Reinigung von Vulkanisationswerkzeugen wird der in Fig. 2 dargestellte Bearbeitungskopf eingesetzt. Strahlquelle ist ein gepulst betriebener Nd:YAG-Laser, dessen Licht über eine Lichtleitfaser mit einem Durchmesser von 600 µm in den wassergekühlten Bearbeitungskopf eingekoppelt wird. Mit einer Kollimationslinse der Brennweite f = 25 mm wird die Laserstrahlung parallelisiert. Bei einem Abstand von L = 27 cm vom Bearbeitungskopf wird ein Strahldurchmesser D von ca. 7 mm erreicht. Zur Reinigung werden Pulse von 0,3 ms Dauer und einer Pulsenergie von 2 J eingesetzt. Durch die Variation der Pulsfrequenz im Bereich von 1 Hz bis 330 Hz kann die Laserleistung von 2 W bis ca. 660 Watt eingestellt werden. Mit zunehmender Frequenz kann eine höhere Bearbeitungsgeschwindigkeit realisiert werden, wobei auch die Wärmebelastung für den Grundwerkstoff steigt. Gute Ergebnisse wurden bei einer Pulsfolgefrequenz von 90 Hz bei einer mittleren Laserleistung von ca. 180 W erzielt. Die pulsbezogene Leistungsdichte beträgt dann ca. 1,7.10⁴ W/cm² bei einer Energiedichte von ca. 5 J/cm². Die Bearbeitungsgeschwindigkeit hängt stark von der Dicke der Verunreinigungsschicht ab. Bei 1-2 mm dicken Schichten aus Vulkanisationsrückständen wurde eine Flächenrate von ca. 2,5 cm²/min erzielt. Bei dünneren Schichten erfolgte eine deutlich schnellere Abtragung. Die abgetragenen Partikel und Gase wurden unter Zuhilfenahme einer mitgeführten Preßluftdüse sowie einer lokalen Absaugung entfernt. Die Abluft wurde mittels einer Partikel- sowie eines Aktivkohlefilters gereinigt.

Das in Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel für den Bearbeitungskopf kann vorteilhaft beim Reparatur-Beschichten von Spritzgußwerkzeugen eingesetzt werden. Unter Einsatz einer seitlichen Düse für die Pulverzufuhr wurde unter Einsatz der Vorrichtung nach Fig. 4 auf einem Stahlsubstrat eine flächige Beschichtung aus mehreren Einzelspuren aufgebracht. Zur Führung des Bearbeitungskopfes wurde ein CNC-gesteuertes Handhabungssystem eingesetzt. Bei einem Strahldurchmesser von D = 2 mm wurden Pulse von 3,3 ms Länge bei einer Pulsenergie von ca. 5 J verwendet. Bei einer Pulswiederholfrequenz von 80 Hz betrug die mittlere Leistung 385 W bei einem Tastverhältnis von 26%. Mit einer pulsbezogenen Leistungsdichte von etwa 4,8.10⁴ W/cm² erfolgte eine Beschichtung mit einer Geschwindigkeit von 300 mm/min. Bei einer Fe-Basis Legierung konnte mit diesen Parametern eine Schichtdicke von 0,3 mm erreicht werden. Dieses Ergebnis wurde durch einen einzigen Beschichtungsvorgang erzielt, d. h. der Bearbeitungskopf wurde nur einmal über die verschiedenen Oberflächenbereiche geführt.

Bezugszeichenliste

1

Lichtleitkabel

2

Lichtleitkabelstecker

3

Kollimationslinse

4

Optikgehäuse

5

Anordnung von Linsen und/oder Spiegeln

6

Wasserkühlung

7

Schutzglas

8

Zufuhrleitung für pulverförmigen Schweißzusatzwerkstoff

9

Zufuhrdüse für pulverförmigen Schweißzusatzwerkstoff

10

Schutzgas

11

Schutzgasdüse

12

Laserstrahlquelle
A Arbeitsbereich
D Strahldurchmesser
E Arbeitsebene
L Arbeitsabstand

Claims

1. Vorrichtung zur Behandlung von Oberflächen, mit einer Laserstrahlquelle (12) und Mitteln (1) für die Übertragung des Laserlichts zu einem der Ausrichtung des Laserlichts auf die Oberfläche dienenden Bearbeitungskopf, dadurch gekennzeichnet, daß für den Bearbeitungskopf Mittel (2) zur Einkopplung des Laserlichts, Mittel (3) zur Kollimation des Laserlichts, sowie optionale Aufnahmeeinrichtungen (6, 8, 9,10,11) zum Auftragschweißen und Reinigen mit Laserlicht vorgesehen sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserstrahlquelle portabel ist.

3. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Aufnahmeeinrichtung eine Kühlvorrichtung (6) ist.

4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Bearbeitungskopf eine variable Anzahl optischer Linsen und/oder Spiegeln (5) vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Aufnahmeeinrichtung eine Zufuhreinrichtung für Schweißzusatzwerkstoff (8, 9) ist.

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Aufnahmeeinrichtung eine Vorrichtung für die Zufuhr von Schutzgas (10, 11) ist.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Aufnahmeeinrichtung eine Vorrichtung zur Absaugung von Gasen und Partikeln ist.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß dem Bearbeitungskopf eine Vorrichtung zum Schutz vor reflektierter Laserstrahlung zugeordnet ist.

9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß dem Bearbeitungskopf ein den Abstand von Bearbeitungskopf zur Werkstückoberfläche messenden Abstandssensor zugeordnet ist.

10. Verfahren zur Behandlung von Oberflächen mit Hilfe der Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche gereinigt wird.

11. Verfahren zur Behandlung von Oberflächen mit Hilfe der Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß mittels des Laserlichts eine Schicht auf die Oberfläche aufgebracht wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10-11, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenbehandlung manuell erfolgt.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10-11, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenbehandlung automatisiert erfolgt.