DE202008013569U1 - Device for applying layer structures to at least one substrate by means of laser deposition welding - Google Patents

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Abstract

Einrichtung zum Aufbringen von Schichtstrukturen auf wenigstens ein Substrat (1) mittels Laserauftragschweißen mit
– einer feststehenden Zufuhrvorrichtung (2) für Partikel mit einer Korngröße kleiner 100 μm auf das Substrat (1),
– einem festplatzierten Scanner (4) für die Laserstrahlen (5) eines Lasers (3), so dass die Laserstrahlen (5) bereichsweise auf dem Substrat (1) schnell abgelenkt und fokussiert werden, wobei über eine Breitstrahldüse (7) als Bestandteil der Zufuhrvorrichtung (2) entsprechend dem Ablenkbereich zugeführte Partikel bereichsweise auf dem Substrat (1) oder bereits entstandenen Schweißpunkten geschweißt werden,
– einer in wenigstens der x-Achse und der y-Achse sowie der z-Achse angetrieben bewegbaren Positioniereinrichtung (6) für das Substrat (1), so dass nacheinander angeordnete Bereiche auf dem Substrat (1) mit den Laserstrahlen (5) des Lasers (3) über den Scanner (4) beaufschlagt werden,
– einem mit dem Laser (3), dem Scanner (4), der Positioniereinrichtung (6) und der Zufuhrvorrichtung (2) zusammengeschalteten Datenverarbeitungssystem (11), das den...Device for applying layer structures on at least one substrate (1) by means of laser deposition welding
A stationary supply device (2) for particles having a particle size of less than 100 μm onto the substrate (1),
- A fixed scanner (4) for the laser beams (5) of a laser (3), so that the laser beams (5) in areas on the substrate (1) are quickly deflected and focused, via a broad-jet nozzle (7) as part of the supply device (2) particles supplied in accordance with the deflection region are welded in regions on the substrate (1) or already formed weld points,
- A movable in at least the x-axis and the y-axis and the z-axis positioning device (6) for the substrate (1), so that successively arranged areas on the substrate (1) with the laser beams (5) of the laser (3) be acted upon by the scanner (4),
- One with the laser (3), the scanner (4), the positioning device (6) and the supply device (2) interconnected data processing system (11), which the ...

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Description

Die Erfindung betrifft Einrichtungen zum Aufbringen von Schichtstrukturen auf wenigstens ein Substrat mittels Laserauftragschweißen.The The invention relates to devices for applying layer structures on at least one substrate by laser cladding.

Das Aufbringen von Schichtstrukturen auf Körper erfolgt bei bekannten Vorrichtungen mittels einer Rakel. Eine derartige Vorrichtung ist unter anderem durch die DE 10 2005 025 199 A1 bekannt. Der Körper selbst befindet sich dazu in einem Bauraum, dessen Boden absenkbar ist. Durch ein nacheinander folgendes Aufbringen von Schichten aus Partikeln und Beaufschlagen der jeweiligen Schicht mit Laserstrahlen wird der Körper aufgebaut. Die Partikel sintern und/oder schmelzen bei der Beaufschlagung mit den Laserstrahlen. Die Größe des Körpers ist dabei auf die Größe des Bauraums begrenzt.The application of layer structures on the body takes place in known devices by means of a doctor blade. Such a device is inter alia by the DE 10 2005 025 199 A1 known. The body itself is located in a space whose bottom is lowered. By sequentially applying layers of particles and applying the laser beam to the respective layer, the body is built up. The particles sinter and / or melt when exposed to the laser beams. The size of the body is limited to the size of the installation space.

Der im Schutzanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einfach und schnell Schichten auf Substrate aufzubringen.Of the The protection claimed in claim 1 is based on the object easy and quick to apply layers to substrates.

Diese Aufgabe wird mit den im Schutzanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.These Task is with the features listed in the protection claim 1 solved.

Die Einrichtungen zum Aufbringen von Schichtstrukturen auf wenigstens ein Substrat mittels Laserauftragschweißen zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass einfach und schnell Schichten auf Substrate aufgebracht werden können.The Devices for applying layer structures on at least a substrate by laser cladding are distinguished in particular characterized in that simply and quickly layers on substrates can be applied.

Dazu besteht die Einrichtung aus

  • – einer feststehenden Zufuhrvorrichtung für Partikel mit einer Korngröße kleiner 100 μm auf das Substrat,
  • – einem festplatzierten Scanner für die Laserstrahlen eines Lasers,
  • – einer in wenigstens der x-Achse und der y-Achse sowie der z-Achse bewegbaren Positioniereinrichtung für das Substrat und
  • – einem mit dem Laser und dem Scanner sowie der Positioniereinrichtung zusammengeschalteten Datenverarbeitungssystem.
For this purpose, the device consists of
  • A stationary supply device for particles having a particle size of less than 100 μm onto the substrate,
  • A fixed scanner for the laser beams of a laser,
  • - A movable in at least the x-axis and the y-axis and the z-axis positioning device for the substrate and
  • - An interconnected with the laser and the scanner and the positioning device data processing system.

Mittels des Scanners werden die Laserstrahlen bereichsweise auf dem Substrat schnell abgelenkt und fokussiert, wobei zugeführte Partikel auf dem Substrat oder bereits entstandene Schweißpunkte geschweißt werden. Über die Positioniereinrichtung für das Substrat werden nacheinander beabstandet zueinander angeordnete und eine Pulverschicht aufweisende Bereiche auf dem Substrat mit den Laserstrahlen des Lasers beaufschlagt. Das Datenverarbeitungssystem steuert den Laser, den Scanner, die Positioniereinrichtung und die Zufuhrvorrichtung, so dass vorbestimmte geschlossene Schichten, Schichten in Linienform, Schichten als Punktraster, dreidimensionale Schichtstrukturen einzeln oder in wenigstens einer Kombination daraus jeweils gebildet aus den mit den Laserstrahlen beaufschlagten Bereichen vorhanden sind.through of the scanner, the laser beams are partially on the substrate quickly deflected and focused, with added particles on the substrate or already formed welds be welded. About the positioning device for the substrate are sequentially spaced from each other arranged and a powder layer having areas on the Substrate with the laser beams of the laser applied. The data processing system controls the laser, the scanner, the positioning device and the Feeding device, so that predetermined closed layers, Layers in line form, layers as dot matrix, three-dimensional Layer structures individually or in at least one combination thereof each formed from the acted upon by the laser beams areas available.

Das Aufbringen der Schicht erfolgt bereichsweise über die Zufuhrvorrichtung mit einer Breitstrahldüse, so dass die Pulverschicht als ein rechteckförmiger Bereich auf das Substrat aufgebracht wird. Die Größe der Bereiche werden durch die Bewegung des Scanners zum Ablenken der Laserstrahlen des Lasers bestimmt. Das Schweißen mit hoher Ablenkgeschwindigkeit und von beabstandet zueinander angeordneten Bereichen führt dazu, dass vorteilhafterweise ein geringer Wärmeeintrag in das Substrat erfolgt. Daraus resultierende mechanische Deformationen werden weitestgehend vermieden.The Applying the layer takes place partially over the supply device with a broad jet nozzle, so that the powder layer as a rectangular area is applied to the substrate. The size of the areas are determined by the movement of the scanner for deflecting the laser beams of the laser determined. Welding with high deflection speed and spaced arranged to each other areas causes that advantageously a low heat input into the substrate takes place. from that resulting mechanical deformations are largely avoided.

Weiterhin ist eine geringe Spurbreite und somit eine hohe Auflösung realisierbar. Die Bewegung des Substrats erfolgt über die Positioniereinrichtung, die in mindestens drei Freiheitsgraden frei programmierbar ist. Im Wesentlichen besteht die Positioniereinrichtung bekannterweise aus der Kinematik, dem Steuerungssystem, dem Antriebssystem und einem Wegmesssystem. Die Systeme sind mit dem Datenverarbeitungssystem verbunden, so dass hohe Positioniergenauigkeiten für eine Bearbeitung des Substrats erzielbar sind.Farther is a small track width and thus a high resolution realizable. The movement of the substrate takes place over the Positioning device that is free in at least three degrees of freedom is programmable. Essentially, the positioning device known from the kinematics, the control system, the drive system and a displacement measuring system. The systems are with the data processing system connected so that high positioning accuracy for a Processing of the substrate can be achieved.

Damit eignet sich die Einrichtung bei entsprechender Realisierung sowohl für Mikro- als auch für Makrobearbeitungen für Substrate als Werkstücke. Weiterhin sind auch Reparaturen von Werkstücken als Substrate leicht möglich.In order to the device is suitable both with appropriate realization for micro as well as macro machining for Substrates as workpieces. There are also repairs of workpieces as substrates easily possible.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Schutzansprüchen 2 bis 11 angegeben.advantageous Embodiments of the invention are in the claims 2 to 11 indicated.

Der Oberflächenbereich des Substrats mit Partikeln ist nach der Weiterbildung des Schutzanspruchs 2 kleiner als die mit dem Scanner überstreichbare Fläche, so dass ein vollständiges Schweißen des Bereichs ohne zusätzliche Bewegung des Substrats sichergestellt ist.Of the Surface area of the substrate with particles is after the development of the protection claim 2 smaller than that with the Scanner paintable surface, allowing complete welding of the area ensured without additional movement of the substrate is.

Der Oberflächenbereich des Substrats mit aufgebrachten Partikeln ist nach der Weiterbildung des Schutzanspruchs 3 größer als die mit dem Scanner überstreichbare Fläche, so dass das Substrat mit der bewegbaren Positioniereinrichtung sukzessive platzierbar wird. Weiterhin ist eine mit dem Datenverarbeitungssystem zusammengeschaltete Absaugvorrichtung so angeordnet, dass nach Schweißen des Bereichs nicht gebundene Partikel von der Oberfläche des Substrats entfernt werden. Dadurch werden nur definiert aufgebrachte Partikel mit Laserstrahlen beaufschlagt, ohne dass Laserstrahlen auf vorher undefiniert abgelagerte Partikel treffen. Eine ansonsten dadurch hervorgerufene Formveränderung wird vermieden.Of the Surface area of the substrate with applied particles is greater according to the embodiment of the protection claim 3 as the area that can be painted with the scanner, so that the substrate can be successively placed with the movable positioning device becomes. Furthermore, an interconnected with the data processing system Suction device arranged so that after welding the Area unbonded particles from the surface of the Substrate are removed. As a result, only defined applied Particles are exposed to laser beams without laser beams encounter previously undefined deposited particles. An otherwise This caused change in shape is avoided.

Die Zufuhrvorrichtung weist nach der Weiterbildung des Schutzanspruchs 4 eine ansteuerbare Breitstrahldüse für eine flächige Zufuhr von Partikeln auf das Substrat auf. Weiterhin ist die Breitstrahldüse über ein Transportsystem für Partikel mit einem Behälter für Partikel verbunden. Das Transportsystem besitzt für Partikel eine Fördereinrichtung. Diese Fördereinrichtung des Transportsytems für Partikel sowie die Breitstrahldüse sind mit dem Datenverarbeitungssystem zusammengeschaltet. Mit einer Bewegung des Substrats in einer Richtung kann gesteuert eine bestimmte Fläche und damit ein bestimmter Bereich mit Partikeln versehen werden.The Supply device has according to the embodiment of the protection claim 4 a controllable broad-jet nozzle for a flat Supply of particles to the substrate. Furthermore, the broad jet nozzle is over a transport system for particles with a container connected for particles. The transport system owns for Particles a conveyor. This conveyor the transport system for particles as well as the broad jet nozzle are interconnected with the data processing system. With a Movement of the substrate in one direction can be controlled a certain Area and thus a certain area provided with particles become.

Nach der Weiterbildung des Schutzanspruchs 5 ist wenigstens ein Wandbereich als Regelorgan der ansteuerbaren Breitstrahldüse mit einem Antrieb gekoppelt und entweder geführt bewegbar oder mit einem Gelenk drehbar angeordnet. Weiterhin ist der Antrieb mit dem Datenverarbeitungssystem zusammengeschaltet, so dass die Breite des Austritts der Partikel gesteuert veränderbar ist. Dadurch ist eine gezielte Dosierung der Partikel und damit des eingesetzten Pulvers gegeben. Das Pulver wird optimal verwendet, so dass auch ein hoher Pulververbrauch vermieden wird. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Breite der Breitstrahldüse auch während des Partikelauftrags veränderbar ist. Das Pulver kann dadurch gezielt Aufgetragen werden.To the development of the protection claim 5 is at least one wall area as a control element of the controllable wide-jet nozzle with a drive coupled and either guided movable or with one Rotatable hinge. Furthermore, the drive with the data processing system interconnected so that the width of the exit of the particles controlled is changeable. This is a targeted dosage the particles and thus the powder used. The powder will optimally used, so that even a high powder consumption avoided becomes. Another advantage is that the width of the wide jet nozzle also changeable during particle application is. The powder can be applied by targeted.

Der mit dem Wandbereich gekoppelte Antrieb und die Fördereinrichtung des Transportsystems sind vorteilhafterweise nach der Weiterbildung des Schutzanspruchs 6 mit dem Datenverarbeitungssystem so zusammengeschaltet, dass die Menge an Partikeln der Breite der Austrittsöffung der Breitstrahldüse angepasst ist, so dass ein gleichmäßige Schichtdicke an Partikeln gewährleistet ist.Of the coupled to the wall area drive and the conveyor of the transport system are advantageously according to the development of the Protection claim 6 interconnected with the data processing system, that the amount of particles of the width of the outlet opening the broad jet nozzle is adjusted, so that a uniform layer thickness is ensured on particles.

An die Breitstrahldüse ist nach der Weiterbildung des Schutzanspruchs 7 wenigstens ein mechanische Schwingungen erzeugendes Element gekoppelt. Weiterhin ist das mechanische Schwingungen erzeugende Element über eine Ansteuerung mit dem Datenverarbeitungssystem verbunden. Das Element ist vorzugsweise ein piezoelektrisches Element, das mit einer elektrischen Wechselspannungsquelle als Ansteuerung verbunden ist. Durch Wirken des reziproken piezoelektrischen Effekts sind das Element und die daran gekoppelte Breitstrahldüse Bestandteile eine Schwingungssystems. Dadurch wird eine gleichmäßige Zufuhr von Partikeln auf die Oberfläche des Substrats gewährleistet.At the broad jet nozzle is after the development of the protection claim 7 coupled at least one mechanical vibration generating element. Furthermore, the mechanical vibration generating element is over a control connected to the data processing system. The Element is preferably a piezoelectric element, which with an electrical AC voltage source connected as control is. By acting on the reciprocal piezoelectric effect the element and the coupled broad-jet nozzle components a vibration system. This will be a uniform Ensures supply of particles to the surface of the substrate.

Das Substrat befindet sich nach der Weiterbildung des Schutzanspruchs 8 auf einem drehbar angetriebenem Träger, wobei dieser ein Bestandteil der Positioniereinrichtung ist. Der Antrieb ist weiterhin mit dem Datenverarbeitungssystem verbunden. Neben der dreidimensionalen Bewegung im Raum, kann das Substrat auch zusätzlich gedreht werden. Damit ergeben sich die vielfältigsten Bearbeitungsmöglichkeiten für ein Werkstück als Substrat.The Substrate is located after the development of the protection claim 8 on a rotatably driven support, this is part of the positioning. The drive is still connected to the data processing system. In addition to the Three-dimensional movement in space, the substrate can also be added to be turned around. This results in the most diverse processing options for a workpiece as a substrate.

Der Laser ist nach der Weiterbildung des Schutzanspruchs 9 ein gepulster Laser für Laserstrahlen mit Pulsen gleich/kleiner 1 μs, so dass vorteilhafterweise Mikro strukturen auf Substraten erzeugbar sind.Of the Laser is according to the embodiment of the protection claim 9 a pulsed Laser for laser beams with pulses equal to or less than 1 μs, so that advantageously microstructures on substrates produced are.

Der Laser ist nach der Weiterbildung des Schutzanspruchs 10 ein Laser im cw-Betrieb, so dass vorteilhafterweise makroskopische Schichten und/oder Schichtstrukturen auf beliebigen Substraten erzeugbar sind.Of the Laser is according to the embodiment of the protection claim 10 is a laser in cw mode, so that advantageously macroscopic layers and / or Layer structures can be generated on any substrates.

Die Partikel weisen nach der Weiterbildung des Schutzanspruchs 11 eine Korngröße kleiner 20 μm auf, so dass insbesondere Mikrostrukturen auf Substraten realisierbar sind.The Particles have according to the embodiment of the protection claim 11 a Grain size less than 20 microns, so that In particular, microstructures on substrates can be realized.

Die Positioniereinrichtung ist nach der Weiterbildung des Schutzanspruchs 12 vorteilhafterweise ein bekannter Industrieroboter, insbesondere ein Gelenkarm-Industrieroboter. Dieser ermöglicht eine ökonomisch günstige, hochdynamische und präzise Bewegung des Substrats.The Positioning device is according to the embodiment of the protection claim 12 advantageously a known industrial robot, in particular an articulated arm industrial robot. This allows an economical favorable, highly dynamic and precise movement of the substrate.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen jeweils prinzipiell dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.One Embodiment of the invention is in the drawings each shown in principle and will be closer in the following described.

Es zeigen:It demonstrate:

1 eine Einrichtung zum Aufbringen von Schichtstrukturen, 1 a device for applying layer structures,

2 eine Breitstrahldüse mit einem geführt verfahrbaren Wandbereich, 2 a broad-jet nozzle with a guided movable wall area,

3 eine Breitstrahldüse mit einem schwenkbaren Wandbereich und 3 a broad jet nozzle with a pivotable wall area and

4 eine Breitstrahldüse mit einem piezoelektrischen Element. 4 a broad-jet nozzle with a piezoelectric element.

1. Ausführungsbeispiel1st embodiment

Eine Einrichtung zum Aufbringen von Schichtstrukturen auf wenigstens ein Substrat 1 mittels Laserauftragschweißen besteht im Wesentlichen aus einer feststehenden Zufuhrvorrichtung 2 für Partikel, einem Laser 3, einem festplatzierten Scanner 4 für die Laserstrahlen 5 des Lasers 3, einem Industrieroboter als Positioniereinrichtung 6 für die Bewegungen des Substrats 1 und einem Datenverarbeitungssystem 11.A device for applying layer structures to at least one substrate 1 By laser deposition welding consists essentially of a fixed supply device 2 for particles, a laser 3 , a fixed scanner 4 for the laser beams 5 the laser 3 , an industrial robot as a positioning device 6 for the movements of the substrate 1 and a data processing system 11 ,

Die 1 zeigt eine Einrichtung zum Aufbringen von Schichtstrukturen in einer prinzipiellen Darstellung.The 1 shows a device for applying layer structures in a principal Presentation.

Die Zufuhreinrichtung 2 und der Scanner 4 sind feststehend in Bezug zum Industrieroboter angeordnet.The feeder 2 and the scanner 4 are fixedly arranged with respect to the industrial robot.

Ein Bestandteil der Zufuhrvorrichtung 2 ist eine Breitstrahldüse 7 zum flächigen Aufbringen von Partikeln auf das Substrat 1.A component of the feed device 2 is a wide jet nozzle 7 for the planar application of particles to the substrate 1 ,

Dazu ist wenigstens ein Wandbereich 9 als Regelorgan der ansteuerbaren Breitstrahldüse 7 mit einem Antrieb gekoppelt und entweder geführt bewegbar oder mit einem Gelenk 10 drehbar angeordnet. Weiterhin ist der Antrieb mit dem Datenverarbeitungssystem 11 zusammengeschaltet, so dass die Breite des Austritts der Partikel gesteuert veränderbar ist.This is at least one wall area 9 as control element of the controllable wide jet nozzle 7 coupled with a drive and either guided movable or with a joint 10 rotatably arranged. Furthermore, the drive with the data processing system 11 interconnected, so that the width of the exit of the particles controlled variable.

Dazu zeigen
die 2 eine Breitstrahldüse 7 mit einem geführt verfahrbaren Wandbereich 9 und die 3 eine Breitstrahldüse 7 mit einem schwenkbaren Wandbereich 9 jeweils in prinzipiellen Darstellungen.Show this
the 2 a broad jet nozzle 7 with a guided movable wall area 9 and the 3 a broad jet nozzle 7 with a swiveling wall area 9 each in basic representations.

Die Breite des Austritts der Partikel der Breitstrahldüse 7 wird im Prozess entsprechend der zu erzeugenden Struktur angepasst.The width of the exit of the particles of the broad jet nozzle 7 is adjusted in the process according to the structure to be created.

Die Partikel besitzen eine Korngröße kleiner 20 μm.The Particles have a particle size of less than 20 μm.

Die Breitstrahldüse 7 ist über ein Transportsystem für Partikel mit einem Behälter für Partikel verbunden. Die Breitstrahldüse 7 ist für eine flächige Zufuhr von Partikeln so gestaltet, dass Partikel auf einer Fläche von beispielsweise 5 × 5 mm2 als Bereich gleichmäßig auf das Substrat 1 aufgebracht werden. Dazu ist die Breitstrahldüse 7 in einem entsprechenden Winkel von beispielsweise 25° zur Oberfläche des Substrats 1 angeordnet.The broad jet nozzle 7 is connected via a particle transport system to a container for particles. The broad jet nozzle 7 is designed for a two-dimensional supply of particles so that particles on an area of, for example, 5 × 5 mm 2 as an area uniformly on the substrate 1 be applied. This is the wide jet nozzle 7 at a corresponding angle of, for example, 25 ° to the surface of the substrate 1 arranged.

Weiterhin ist eine ansteuerbare Absaugvorrichtung 8 vorhanden, so dass undefiniert abgelagerte Partikel gezielt entfernbar sind.Furthermore, a controllable suction device 8th present, so that undefined deposited particles are selectively removable.

Das Fördersystem für den Transport von Partikeln mit der gesteuerten Breitstrahldüse 7 und die Absaugvorrichtung 8 sind mit dem Datenverarbeitungssystem 11 zusammengeschaltet, so dass eine gesteuerte Zu- und Abfuhr von Partikeln auf das Substrat 1 erfolgt.The conveyor system for the transport of particles with the controlled broad jet nozzle 7 and the suction device 8th are with the data processing system 11 interconnected, allowing a controlled supply and removal of particles to the substrate 1 he follows.

Der Laser 3 ist ein gepulster oder gütegeschalteter Laser 3 für Laserstrahlen 5 mit Pulsen gleich/kleiner 1 μs. Durch die kurzen Pulszeiten wird nur eine begrenzte Energie in die Bereiche eingebracht, so dass insbesondere Miniaturkörper als Substrate 1 bearbeitbar und Mikrostrukturen erzeugbar sind.The laser 3 is a pulsed or Q-switched laser 3 for laser beams 5 with pulses equal to or less than 1 μs. Due to the short pulse times only a limited energy is introduced into the areas, so that in particular miniature bodies as substrates 1 machinable and microstructures are generated.

Die Laserstrahlen 5 des Lasers 3 werden über den Scanner 4 bereichsweise auf dem Substrat 1 schnell abgelenkt und fokussiert, wobei zugeführte Partikel auf das Substrat 1 oder bereits entstandene Schweißpunkte geschweißt werden. Dies erfolgt typischerweise in einer Auflösung der Spurbreite von 25 μm und einer Spurhöhe von 10 μm.The laser beams 5 the laser 3 be over the scanner 4 partially on the substrate 1 quickly deflected and focused, with added particles on the substrate 1 or welds already formed are welded. This is typically done in a resolution of the track width of 25 microns and a track height of 10 microns.

Dadurch können vorteilhafterweise mikrostrukturierte Schichten mit bestimmten geometrischen Abmessungen und Schichtstrukturen erzeugt werden.Thereby may advantageously be microstructured layers be generated with certain geometric dimensions and layer structures.

Nach der Bearbeitung eines ersten Bereiches wird ein nächster beabstandeter Bereich des Substrats 1 mit Partikeln versehen und mit den Laserstrahlen 5 des Lasers 3 über den Scanner 4 beaufschlagt, wobei durch die sukzessive Bewegung des Industrieroboters gegenüber der Zufuhrvorrichtung 2 mit der Breitstrahldüse 7 und dem Scanner 4 vorbestimmte geschlossene Schichten, Schichten in Linienform, Schichten als Punktraster, dreidimensionale Schichtstrukturen einzeln oder in wenigstens einer Kombination davon auch auf größeren Flächen entstehen. Das sind beispielsweise Mikroleitbahnen auf Funktionskörpern, 2,5 D Mikrostrukturen auf Werkzeugen, Brücken für Zahnersatz oder beliebig geformte rohrförmige Körper mit einem Durchmesser bis 4,5 mm mit dünnen Wänden auf Trägersubstraten.After processing a first area, a next spaced area of the substrate becomes 1 with particles and with the laser beams 5 the laser 3 over the scanner 4 acted upon, whereby by the successive movement of the industrial robot relative to the supply device 2 with the wide jet nozzle 7 and the scanner 4 predetermined closed layers, layers in line form, layers as a dot matrix, three-dimensional layer structures arise individually or in at least a combination thereof on larger surfaces. These are, for example, microguides on functional bodies, 2.5 D microstructures on tools, bridges for dentures or arbitrarily shaped tubular bodies with a diameter of up to 4.5 mm with thin walls on carrier substrates.

Das Substrat 1 ist dazu an den Industrieroboter angebracht, der in mindestens drei Freiheitsgraden frei programmierbar ist. Im Wesentlichen besteht der Industrieroboter dabei bekannterweise aus der Kinematik, dem Steuerungssystem, dem Antriebssystem und dem Sensorsystem zur Lageerkennung der Drehachsen. Die Systeme sind mit dem Datenverarbeitungssystem 11 verbunden, so dass hohe Positioniergenauigkeiten für eine Bearbeitung des Substrats 1 erzielbar sind.The substrate 1 is attached to the industrial robot, which is freely programmable in at least three degrees of freedom. Essentially, the industrial robot is known to consist of the kinematics, the control system, the drive system and the sensor system for detecting the position of the axes of rotation. The systems are with the data processing system 11 connected, so that high positioning accuracy for processing the substrate 1 can be achieved.

2. Ausführungsbeispiel2nd embodiment

Eine Einrichtung zum Aufbringen von Schichtstrukturen auf wenigstens ein Substrat 1 mittels Laserauftragschweißen besteht im Wesentlichen aus einer feststehenden Zufuhrvorrichtung 2 für Partikel, einem Laser 3, einem festplatzierten Scanner 4 für die Laserstrahlen 5 des Lasers 3, einem Industrieroboter als Positioniereinrichtung 6 für die Bewegungen des Substrats 1 und einem Datenverarbeitungssystem 11.A device for applying layer structures to at least one substrate 1 By laser deposition welding consists essentially of a fixed supply device 2 for particles, a laser 3 , a fixed scanner 4 for the laser beams 5 the laser 3 , an industrial robot as a positioning device 6 for the movements of the substrate 1 and a data processing system 11 ,

Die 1 zeigt eine Einrichtung zum Aufbringen von Schichtstrukturen in einer prinzipiellen Darstellung.The 1 shows a device for applying layer structures in a schematic representation.

Der Laser 3 ist ein Laser im cw-Betrieb, so dass insbesondere makroskopische Strukturen erzeugbar sind. Die Leistung des Lasers 3 wird durch die jeweilige Anwendung und das zu generierende Volumen bestimmt und beträgt typischerweise einschließlich 100 W bis 5 kW. Die Laserstrahen 5 wird über den Scanner 4 geleitet, so dass vorteilhafterweise brillante Laserstrahlung eingesetzt wird. Der Laser 3 ist dazu ein Faser-, Scheiben- oder Diodenlaser.The laser 3 is a laser in cw mode, so that in particular macroscopic structures he are certifiable. The power of the laser 3 is determined by the particular application and the volume to be generated and is typically including 100W to 5kW. The laser beams 5 will be over the scanner 4 directed so that advantageously brilliant laser radiation is used. The laser 3 is a fiber, disc or diode laser.

Die Ausgestaltungen und Anordnungen der einzelnen Komponenten entsprechen denen des ersten Ausführungsbeispiels. Sie unterscheiden sich nur hinsichtlich des Anwendungsziels und der daraus resultierenden Auslegung der Komponenten. Ein Bestandteil der Zufuhrvorrichtung 2 ist gleichfalls eine Breitstrahldüse 7 zur Zufuhr von Partikeln auf das Substrat 1. Die Breitstrahldüse 7 entspricht der des ersten Ausführungsbeispiels, die im Prozess entsprechend der zu erzeugenden Struktur anpassbar ist. Die Partikel besitzen jedoch eine Korngröße kleiner 100 μm. Die Breitstrahldüse 7 ist so ausgestaltet, dass Partikel auf einer Fläche von beispielsweise 40 × 5 mm2 gleichmäßig auf das Substrat 1 aufbringbar sind. Dazu ist die Breitstrahldüse 7 in einem Winkel von beispielsweise 70° zur Oberfläche des Substrats 1 angeordnet.The embodiments and arrangements of the individual components correspond to those of the first embodiment. They differ only in terms of the application target and the resulting design of the components. A component of the feed device 2 is also a broad jet nozzle 7 for supplying particles to the substrate 1 , The broad jet nozzle 7 corresponds to that of the first embodiment, which is adaptable in the process according to the structure to be generated. However, the particles have a particle size less than 100 microns. The broad jet nozzle 7 is designed so that particles on an area of for example 40 × 5 mm 2 uniformly on the substrate 1 can be applied. This is the wide jet nozzle 7 at an angle of, for example, 70 ° to the surface of the substrate 1 arranged.

Das Fördersystem mit der Breitstrahldüse 7 ist mit dem Datenverarbeitungssystem 11 zusammengeschaltet, so dass eine gesteuerte Zufuhr von Partikeln auf das Substrat 1 erfolgt.The conveyor system with the wide jet nozzle 7 is with the data processing system 11 interconnected, allowing a controlled supply of particles to the substrate 1 he follows.

In einer Ausführungsform ist ein Wandbereich der Breitstrahldüse 7 entsprechend der Ausführung des ersten Ausführungsbeispiels und den Darstellungen in den 2 und 3 gesteuert bewegbar.In one embodiment, a wall portion of the broad jet nozzle 7 according to the embodiment of the first embodiment and the illustrations in the 2 and 3 controlled movable.

Die Laserstrahlen 5 des Lasers 3 werden über den Scanner 4 bereichsweise auf dem Substrat 1 sehr schnell abgelenkt und fokussiert, wobei Partikel oder bereits entstandene Schweißpunkte geschweißt werden.The laser beams 5 the laser 3 be over the scanner 4 partially on the substrate 1 Distracted and focused very quickly, welding particles or already formed welds.

Durch die schnelle Bewegung des Laserstrahls 5 auf dem Substrat 1 wird im Scannbereich eine bestimmte Temperaturverteilung erzielt. Im Zusammenhang mit der Breitstrahldüse 7 sind auch sehr breite Spuren homogen herstellbar. Parallel zur Strahlablenkung des Scanners 4 erfolgt eine kontinuierliche oder sukzessive Bewegung des Industrieroboters gegenüber der Zufuhrvorrichtung 2 mit der Breitstrahldüse 7 und dem Scanner 4.Due to the fast movement of the laser beam 5 on the substrate 1 a certain temperature distribution is achieved in the scanning area. In connection with the broad jet nozzle 7 Even very wide tracks can be produced homogeneously. Parallel to the beam deflection of the scanner 4 There is a continuous or successive movement of the industrial robot relative to the feed device 2 with the wide jet nozzle 7 and the scanner 4 ,

Die Systeme sind mit dem Datenverarbeitungssystem 11 verbunden, so dass eine hohe Präzision für eine Bearbeitung des Substrats 1 erzielbar ist. Dadurch können vorbestimmte geschlossene großflächige Schichten, Schichten in Linienform, Schichten als Flächenraster, dreidimensionale Schichtstrukturen jeweils einzeln oder in wenigstens einer Kombination entstehen, zum Beispiel als Segmente von Turbinenschaufeln, als 2,5 D Strukturen auf Werkzeugen, als Brücken für Zahnersatz oder beliebig geformte massive Körper ohne Hinterschneidungen auf Trägersubstraten.The systems are with the data processing system 11 connected, giving high precision for processing the substrate 1 is achievable. As a result, predetermined closed large-area layers, layers in line form, layers as surface grid, three-dimensional layer structures each individually or in at least one combination arise, for example as segments of turbine blades, as 2.5 D structures on tools, as bridges for dental prostheses or arbitrarily shaped massive Body without undercuts on carrier substrates.

In einer Ausführungsform der Ausführungsbeispiele ist an die Breitstrahldüse 7 wenigstens ein mechanische Schwingungen erzeugendes Element in Form eines piezoelektrischen Elements 12 gekoppelt. Dieses Element 12 ist über eine Ansteuerung 13 in Form einer elektrischen Wechselspannungsquelle mit dem Datenverarbeitungssystem 11 verbunden. Das Element 12 und die daran gekoppelte Breitstrahldüse 7 sind Bestandteile eine Schwingungssystems.In one embodiment of the embodiments is the broad-jet nozzle 7 at least one mechanical vibration generating element in the form of a piezoelectric element 12 coupled. This element 12 is via a control 13 in the form of an electrical alternating voltage source with the data processing system 11 connected. The element 12 and the broad jet nozzle coupled thereto 7 are components of a vibration system.

4 zeigt eine Breitstrahldüse 7 mit einem piezoelektrischen Element 12 in einer prinzipiellen Darstellung. 4 shows a broad jet nozzle 7 with a piezoelectric element 12 in a schematic representation.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • - DE 102005025199 A1 [0002] - DE 102005025199 A1 [0002]

Claims (12)

Einrichtung zum Aufbringen von Schichtstrukturen auf wenigstens ein Substrat (1) mittels Laserauftragschweißen mit – einer feststehenden Zufuhrvorrichtung (2) für Partikel mit einer Korngröße kleiner 100 μm auf das Substrat (1), – einem festplatzierten Scanner (4) für die Laserstrahlen (5) eines Lasers (3), so dass die Laserstrahlen (5) bereichsweise auf dem Substrat (1) schnell abgelenkt und fokussiert werden, wobei über eine Breitstrahldüse (7) als Bestandteil der Zufuhrvorrichtung (2) entsprechend dem Ablenkbereich zugeführte Partikel bereichsweise auf dem Substrat (1) oder bereits entstandenen Schweißpunkten geschweißt werden, – einer in wenigstens der x-Achse und der y-Achse sowie der z-Achse angetrieben bewegbaren Positioniereinrichtung (6) für das Substrat (1), so dass nacheinander angeordnete Bereiche auf dem Substrat (1) mit den Laserstrahlen (5) des Lasers (3) über den Scanner (4) beaufschlagt werden, – einem mit dem Laser (3), dem Scanner (4), der Positioniereinrichtung (6) und der Zufuhrvorrichtung (2) zusammengeschalteten Datenverarbeitungssystem (11), das den Laser (3) und den Scanner (4) sowie die Positioniereinrichtung (6) so steuert, dass vorbestimmte geschlossene Schichten, Schichten in Linienform, Schichten als Punktraster, dreidimensionale Strukturen einzeln oder in wenigstens einer Kombination daraus jeweils gebildet aus den mit den Laserstrahlen (5) beaufschlagten Bereichen vorhanden sind.Device for applying layer structures to at least one substrate ( 1 ) by means of laser cladding with a fixed supply device ( 2 ) for particles with a particle size of less than 100 μm on the substrate ( 1 ), - a fixed scanner ( 4 ) for the laser beams ( 5 ) of a laser ( 3 ), so that the laser beams ( 5 ) in regions on the substrate ( 1 ) are quickly deflected and focused, with a broad-jet nozzle ( 7 ) as part of the delivery device ( 2 ) supplied in accordance with the deflection region partially on the substrate ( 1 ) or welding points already formed, - a positioning device which can be moved in at least the x-axis and the y-axis and the z-axis ( 6 ) for the substrate ( 1 ), so that successively arranged areas on the substrate ( 1 ) with the laser beams ( 5 ) of the laser ( 3 ) over the scanner ( 4 ), - one with the laser ( 3 ), the scanner ( 4 ), the positioning device ( 6 ) and the delivery device ( 2 ) interconnected data processing system ( 11 ), the laser ( 3 ) and the scanner ( 4 ) as well as the positioning device ( 6 ) such that predetermined closed layers, layers in line form, layers in the form of a dot matrix, three-dimensional structures individually or in at least one combination thereof each formed from those with the laser beams ( 5 ) acted upon areas. Einrichtung nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Oberflächenbereich des Substrats (1) mit aufgebrachten Partikeln kleiner als die mit dem Scanner (4) überstreichbare Fläche ist.Device according to protection claim 1, characterized in that the surface area of the substrate ( 1 ) with applied particles smaller than those with the scanner ( 4 ) is paintable area. Einrichtung nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Oberflächenbereich des Substrats (1) mit aufgebrachten Partikeln größer als die mit dem Scanner (4) überstrichene Fläche ist und dass eine mit dem Datenverarbeitungssystem (11) zusammengeschaltete Absaugvorrichtung (8) so angeordnet ist, dass nach Schweißen des Bereichs nicht gebundene Partikel von der Oberfläche des Substrats (1) entfernt werden.Device according to protection claim 1, characterized in that the surface area of the substrate ( 1 ) with applied particles larger than those with the scanner ( 4 ) and that one with the data processing system ( 11 ) connected suction device ( 8th ) is arranged so that after welding of the region unbonded particles from the surface of the substrate ( 1 ) are removed. Einrichtung nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhrvorrichtung (2) eine ansteuerbare Breitstrahldüse (7) für eine flächige Zufuhr von Partikeln auf das Substrat (1) besitzt, dass die Breitstrahldüse (7) über ein Transportsystem für Partikel mit einem Behälter für Partikel verbunden ist, und dass die Breitstrahldüse (7) und die Fördereinrichtung des Transportsystems für Partikel mit dem Datenverarbeitungssystem (11) zusammengeschaltet sind.Device according to protection claim 1, characterized in that the supply device ( 2 ) a controllable broad-jet nozzle ( 7 ) for a two-dimensional supply of particles to the substrate ( 1 ) has that the broad jet nozzle ( 7 ) is connected via a transport system for particles with a container for particles, and that the broad-jet nozzle ( 7 ) and the conveyor of the particle transport system with the data processing system ( 11 ) are interconnected. Einrichtung nach Schutzanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Wandbereich (9) als Regelorgan der ansteuerbaren Breitstrahldüse (7) mit einem Antrieb gekoppelt und entweder geführt bewegbar oder mit einem Gelenk (10) drehbar angeordnet ist und dass der Antrieb mit dem Datenverarbeitungssystem (11) zusammengeschaltet ist, so dass die Breite des Austritts der Partikel gesteuert veränderbar ist.Device according to protection claim 4, characterized in that at least one wall area ( 9 ) as a control element of the controllable broad-jet nozzle ( 7 ) coupled to a drive and either guided movable or with a joint ( 10 ) is rotatably arranged and that the drive with the data processing system ( 11 ) is interconnected, so that the width of the exit of the particles controlled variable. Einrichtung nach Schutzanspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass der mit dem Wandbereich (9) gekoppelte Antrieb und die Fördereinrichtung des Transportsystems mit dem Datenverarbeitungssystem (11) so zusammengeschaltet sind, dass die Menge an Partikeln der Breite der Austrittsöffung der Breitstrahldüse (7) angepasst ist, so dass ein gleichmäßige Schichtdicke an Partikeln gewährleistet ist.Device according to protection claim 4 and 5, characterized in that the with the wall area ( 9 ) coupled drive and the conveyor of the transport system with the data processing system ( 11 ) are interconnected so that the amount of particles of the width of the outlet opening of the jet nozzle ( 7 ), so that a uniform layer thickness of particles is ensured. Einrichtung nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an die Breitstrahldüse (7) wenigstens ein mechanische Schwingungen erzeugendes Element gekoppelt ist und dass das mechanische Schwingungen erzeugende Element über eine Ansteuerung (13) mit dem Datenverarbeitungssystem (11) verbunden ist.Device according to protection claim 1, characterized in that the broad-jet nozzle ( 7 ) at least one mechanical vibration generating element is coupled and that the mechanical vibration generating element via a control ( 13 ) with the data processing system ( 11 ) connected is. Einrichtung nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Substrat (1) auf einem drehbar angetriebenem Träger befindet, dass dieser Träger ein Bestandteil der Positioniereinrichtung ist und dass der Antrieb mit dem Datenverarbeitungssystem (11) verbunden ist.Device according to protection claim 1, characterized in that the substrate ( 1 ) is on a rotatably driven carrier that this carrier is a part of the positioning and that the drive with the data processing system ( 11 ) connected is. Einrichtung nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser (3) ein gepulster Laser für Laserstrahlen (5) mit Pulsen gleich/kleiner 1 μs ist, so dass auf Substraten (1) Mikrostrukturen erzeugbar sind.Device according to protection claim 1, characterized in that the laser ( 3 ) a pulsed laser for laser beams ( 5 ) with pulses equal to / less than 1 μs, so that on substrates ( 1 ) Microstructures are generated. Einrichtung nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser (3) ein Laser im cw-Betrieb ist, so dass makroskopische Schichten und/oder Schichtstrukturen auf Substraten (1) erzeugbar sind.Device according to protection claim 1, characterized in that the laser ( 3 ) is a laser in cw mode, so that macroscopic layers and / or layer structures on substrates ( 1 ) are producible. Einrichtung nach Schutzanspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Korngröße der Partikel kleiner 20 μm ist.Device for protection claim 1 and 2, characterized characterized in that the particle size of the particles less than 20 microns. Einrichtung nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Positioniereinrichtung (6) ein Industrieroboter, insbesondere ein Gelenkarm-Industrieroboter ist.Device according to protection claim 1, characterized in that the positioning device ( 6 ) is an industrial robot, in particular an articulated arm industrial robot.
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