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Die
Erfindung betrifft Einrichtungen zur Stoffzuführung bei
einer Bearbeitung von Werkstücken mittels Laser- oder Elektronenstrahlung.
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Einrichtungen
zur Stoffzuführung insbesondere zum Schweißen
sind unter anderem bekannte Pulverdüsen.
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Die
Druckschrift
DE 199
09 390 C1 (Bearbeitungskopf und Verfahren zur Oberflächenbearbeitung
von Werkstücken mittels Laserstrahl) beinhaltet einen Bearbeitungskopf,
in dem eine Verwirbelungskammer vorhanden ist, in die ein Pulver-Gasstrom zumindest über
eine Einströmöffnung eingeführt und der
Pulver-Gasstrom durch einen konischen Ringspalt, als koaxialer Hohlstrahl,
auf eine Werkstückoberfläche gerichtet ist. Weiterhin
sind sogenannte Beruhigungskanäle parallel zur Längsachse
des Laserstrahls für das Pulver mit dem Trägergas
integriert. Durch die Druckschrift
DE 103 21 614 A1 (Beschichtungsverfahren
sowie Pulverdüse und Beschichtungskabine) ist auch eine
Pulverdüse bekannt, wobei der aus der Pulverdüse
austretende, mit Beschichtungsmaterial beladene Luftstrom (Materialluftstrom)
durch einen weiteren, nicht mit Beschichtungsmaterial beladenen
Luftstrom (Mantelluftstrom) umschlossen ist. Eine derartige Pulverdüse
soll einen gleichmäßigeren Materialauftrag bewirken.
Zur Erzielung des Mantelluftstromes befinden sich die Pulverzuführungen
in einem Haltebalken. Die Pulverzuführung besteht aus einer
Verteilervorrichtung mit mehreren nachgeordneten Fingerdüsen.
Die Druckschrift
DE
10 2005 058 172 A1 (Vorrichtung für die Lasermaterialbearbeitung)
betrifft eine Vorrichtung für die Lasermaterialbearbeitung
mit einem Bearbeitungskopf. Der Düsenkopf weist Öffnungen
für die Laserstrahlung sowie für ein Schutzgas
und Pulveraustrittsbohrungen mit mindestens drei Pulveraustrittsöffnungen
auf. Jede der Pulveraustrittsbohrungen ist dabei mit einem Anschlusssockel
für eine Pulverzuführung verbunden. Die Pulverzuführung
erfolgt von außen über die drei Anschlusssockel.
Die Weiterleitung basiert auf den drei eingebrachten Bohrungen mit
den Pulveraustrittsöffnungen. Neben diesen Pulveraustrittsbohrungen
und den Austrittsöffnungen für das Schutzgas besitzt
der Bearbeitungskopf eine Zoom-Optik und eine Justageeinrichtung.
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Die
Bearbeitungseinrichtungen zum Schweißen bestehen aus mehreren
Bestandteilen, die durch Montage miteinander verbunden werden müssen. Darüber
hinaus sind Verbindungsstellen vorhanden, bei denen Wärmestaus
in den jeweiligen Düsen nicht auszuschließen sind.
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Der
im Schutzanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
eine einfach realisierte Einrichtung zur Stoffzuführung
wenigstens eines Stoffes bei der Bearbeitung von Werkstücken mittels
Laser- oder Elektronenstrahlung zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird mit den im Schutzanspruch 1 aufgeführten Merkmalen
gelöst.
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Die
Einrichtungen zur Stoffzuführung bei einer Bearbeitung
von Werkstücken mittels Laser- oder Elektronenstrahlung
zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass wenigstens ein Stoff
einfach der Bearbeitungsstelle zuführbar ist.
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Dazu
bestehen die Einrichtungen aus einem einstückig ausgebildeten
Konstruktionselement
- – mit wenigstens
einem nicht geradlinig verlaufenden Rohr mit einer nach außen
weisenden Öffnung sowie einer in Richtung der Bearbeitungsstelle
endenden Öffnung,
- – mit mindestens einem Rohrsystem mit wenigstens einer
Rohrverzweigung mit einer nach außen weisenden Öffnung
sowie in Richtung der Bearbeitungsstelle endenden Öffnungen
oder
- – mit einer Kombination mit jeweils wenigstens einem
nicht geradlinig verlaufenden Rohr und einem Rohrsystem.
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Weiterhin
besteht das Rohr oder das Rohrsystem aus einem Material, dessen Schmelztemperatur
größer als die für das Urformen des einstückig ausgebildeten
Konstruktionselements notwendige Temperatur ist.
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Das
einstückige Konstruktionselement selbst ist vorteilhafterweise
durch Urformen hergestellt. Dabei erhält das Konstruktionselement
beim Urformen weitestgehend die Gestalt und die Abmessung des fertigen
Konstruktionselements. Das Konstruktionselement und das Rohr und/oder
das Rohrsystem bestehen aus Metall, wobei die Formgebung des Konstruktionselements
durch Gießen oder Sintern erfolgt. Das Rohr und/oder das
Rohrsystem kann vorteilhafterweise gleichzeitig als Stützstruktur
für das Urformen eingesetzt werden. Damit kann beispielsweise
ein Kern segr genau positioniert werden. Das damit realisierte Konstruktionselement
mit dem inliegenden Rohr und/oder Rohrsystem ist damit ökonomisch
günstig und einfach realisierbar. Mehrere Teile sind für
das einstückig ausgebildete Konstruktionselement nicht
vorhanden, so dass Montagearbeiten zur Realisierung der Einrichtungen
selbst nicht notwendig sind.
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Vorteilhafterweise
besteht das Konstruktionselement aus einem Wärme gut leitendem
Material, so dass die in unmittelbarer Nähe der Bearbeitungsstelle
auftretende Wärme gut über das Konstruktionselement
ableitbar ist. Durch die einstückige Realisierung werden
Wärmeübergange im Konstruktionselement selbst
vermieden, so dass ansonsten daraus resultierende lokale Überhitzungen
während des Einsatzes der Einrichtungen nicht auftreten.
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Ein
weiterer Vorteil besteht darin, dass das Rohr und/oder das Rohrsystem
geometrisch unterschiedlich ausgebildet sein kann. Bogenförmig
verlaufende oder mit wenigstens einer Krümmung ausgebildete
Rohre als Rohr und/oder als Bestandteile des Rohrsystems können
durch die Urformung leicht im Konstruktionselement integriert werden.
Darüber hinaus können auch kreis- oder spiralförmig
ausgebildete Rohre leicht integriert werden. Das Rohr und/oder das
Rohrsystem besitzt im Ausgangszustand, dass heißt vor der
Urformung des Konstruktionselements, die fertige Gestalt, die es
auch im realisierten Konstruktionselement beibehält. Damit
können leicht entsprechend der vorhandenen technologischen
Bedingungen angepasste Einrichtungen bereitgestellt werden. Dabei
können auch sehr dünne und bogenförmig
ausgebildete Einrichtungen leicht realisiert werden. Darüber
hinaus können auch dünnwandige und schlanke Einrichtungen
bereit gestellt werden. Derartige Einrichtungen haben den Vorteil, eine
geringe Angriffsfläche gegenüber Streustrah lung
aus dem Prozess aufzuweisen. Daher werden diese Einrichtungen daher
weniger thermisch belastet. Schlanke Einrichtungen haben den weiteren
Vorteil, dass sie eine bessere Zugänglichkeit bei der Bearbeitung
komplex geformter Bauteile ermöglichen.
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Die
nach außen weisende Öffnung des Rohres und/oder
des Rohrsystems dient dabei der Zuführung des Stoffes in
das Rohr und/oder Rohrsystem des Konstruktionselements. Dazu ist
diese Öffnung ein Bestandteil einer Wand des Konstruktionselements.
Das kann eine Seiten- oder eine Stirnwand des Konstruktionselements
sein. Durch die in Richtung der Bearbeitungsstelle endende/n Öffnung/en tritt
der Stoff aus dem Konstruktionselement heraus.
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Ein
weiterer Vorteil besteht darin, dass der in der Einrichtung transportierte
Stoff während dessen Transports erwärmt wird,
so dass dieser im temperiertem Zustand auf die Bearbeitungsstelle
gelangt. Durch die Erwärmung des Stoffes sinkt die Temperatur
des Konstruktionselements, so dass auch dadurch eine Kühlwirkung
vorhanden ist.
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Damit
eignen sich die Einrichtungen vorteilhafterweise zum Schweißen,
Sintern und Legieren von Werkstücken.
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In
Verbindung mit Laserstrahlen zur Bearbeitung von Werkstücken
ergeben sich mit dem Einsatz der Einrichtungen besondere Vorteile.
Das Konstruktionselement mit dem Rohr und/oder dem Rohrsystem können
dabei leicht so ausgebildet werden, dass der Stoff nah an die Bearbeitungsstelle
führbar ist. Dazu endet/enden die Öffnung/en des
Rohres und/oder Rohrsystems beabstandet zur Bearbeitungsstelle.
Durch einen geringen Abstand zwischen Öffnung/en und Laserstrahlen
kann der über das Rohr und/oder Rohrsystem zugeführte
Stoff unmittelbar danach mit den Laserstrahlen beaufschlagt werden.
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Das
Rohrsystem mit wenigstens einer Verzweigung und mit einer nach außen
weisenden Öffnung sowie in Richtung der Bearbeitungsstelle
endenden Öffnungen führt weiterhin vorteilhafterweise dazu,
dass der Stoff auch verteilt in einer breiten Spur aufgebracht werden
kann.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Schutzansprüchen
2 bis 10 angegeben.
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Nach
der Weiterbildung des Schutzanspruchs 2 ist wenigstens ein weiteres
Rohr für ein Kühlmittel mit wenigstens einer Krümmung
im Konstruktionselement angeordnet, wobei die Krümmung in
Richtung Bearbeitungsstelle weist sowie die Öffnungen nach
außen weisen und wobei das Rohr aus einem Material besteht,
dessen Schmelztemperatur größer als die für
das Urformen des Konstruktionselements notwendige Temperatur ist.
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Die Öffnungen
sind eine Einlass- und eine Auslassöffnung für
das Kühlmittel. Das Rohr besitzt dabei beispielsweise überwiegend
eine U-Form, wobei die Krümmung im zur Bearbeitungsstelle
weisenden Endenbereich der Einrichtung angeordnet ist. Vorteilhafterweise
wird durch die Anordnung des weiteren Rohres im Konstruktionselement
neben diesem Endenbereich auch das Konstruktionselement insgesamt
selbst gekühlt.
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Im
Konstruktionselement ist nach der Weiterbildung des Schutzanspruchs
3 wenigstens ein weiteres Rohr so angeordnet, dass eine Öffnung
des weiteren Rohres in Richtung der Bearbeitungsstelle des Werkstücks
angeordnet ist und die andere Öffnung nach außen
weist und wobei das Rohr aus einem Material besteht, dessen Schmelztemperatur größer
als die für das Urformen des Konstruktionselements notwendige
Temperatur ist.
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Über
dieses weitere Rohr kann ein weiterer Stoff der Bearbeitungsstelle
des Werkstücks zugeführt werden. Die Zuführung
der Stoffe durch das Rohr und/oder das Rohrsystem sowie des weiteren Rohres
kann leicht gesteuert erfolgen, so dass definierte Stoffmengen zuführbar
sind.
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Im
weiteren Rohr können darüber hinaus auch Vorrichtungen,
beispielsweise Sensoren, angeordnet werden, die damit sowohl beabstandet
als auch geschützt gegenüber der Bearbeitungsstelle angeordnet
sind.
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Im
weiteren Rohr ist nach der Weiterbildung des Schutzanspruchs 4 wenigstens
ein Sensor angeordnet. Dadurch kann dieser unmittelbar an der Bearbeitungsstelle
platziert werden. Gleichzeitig dient die Einrichtung als Gehäuse
des Sensors. Durch die gute Wärmeleitfähigkeit
der Einrichtung ist der Sensor mechanisch und thermisch geschützt
in der Einrichtung untergebracht. Damit steht dem Nutzer ein kompaktes
System zur Verfügung, mit dem neben der Stoffzufuhr auch
eine Überwa chung der Bearbeitungsstelle erfolgen kann.
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Im
weiteren Rohr befindet sich nach der Weiterbildung des Schutzanspruchs
5 vorteilhafterweise ein Lichtleiter. Der Lichtleiter dient der
Weiterleitung von bei der Bearbeitung auftretender optischer Strahlung.
Diese kann als Steuerungsmittel des Bearbeitungsprozesses eingesetzt
werden, so dass optimale Bearbeitungen der Werkstücke möglich
sind.
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Günstigerweise
weist das Konstruktionselement nach der Weiterbildung des Schutzanspruchs
6 eine Platten-, eine Rinnen-, eine Rohr- oder eine Düsenform
auf. Diese Formen können sehr dünnwandig ausgeführt
sein, so dass die Konstruktionselemente sehr nah an der Bearbeitungsstelle
angeordnet und geführt werden können. Eine Ausführung
des Konstruktionselementes in einer Rohr- oder Düsenform bietet
weiterhin die Möglichkeit, ein Rohrsystem mit mehreren
Verzweigungen, mehrere Rohrsysteme auch mit mehreren Verzweigungen
darüber hinaus in Verbindung mit weiteren Rohren in der
Wandung unterzubringen. Damit steht dem Nutzer eine kompakte Einrichtung
zur Verfügung.
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Das
Konstruktionselement mit dem nicht geradlinig verlaufenden Rohr
und/oder Rohrsystem ist nach der Weiterbildung des Schutzanspruchs
7 ein Guss- oder Sinterkörper, welcher weitestgehend die Gestalt
und die Abmessungen des Konstruktionselements als Finalprodukt besitzt.
Die Einrichtung weist eine einfache Realisierung auf, die weiterhin ökonomisch
günstig herstellbar ist.
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Günstigerweise
besteht der Guss- oder Sinterkörper nach der Weiterbildung
des Schutzanspruchs 8 aus Kupfer oder einem Kupfer enthaltenen Material.
Diese Materialien sind gute Wärmeleiter.
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Nach
der Weiterbildung des Schutzanspruchs 9 ist die Einrichtung zur
Stoffzuführung vorteilhafterweise eine Pulverzuführeinrichtung
für ein Auftragschweißen mit Laser- oder Elektronenstrahlung,
wobei entweder das Konstruktionselement mit der Platten- oder der
Rinnenform beabstandet zu der Laser- oder Elektronenstrahlung angeordnet
ist oder die Laser- oder Elektronenstrahlung die Rohr- oder Düsenform durchtritt.
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Die
Pulverzuführeinrichtung mit der und/oder den in Richtung
der Bearbeitungsstelle des Werkstücks endenden Öffnung
und/oder Öffnungen ist nach der Weiterbildung des Schutzanspruchs
10 in Bearbeitungsrichtung vor und/oder seitlich der Laser- oder
Elektronenstrahlung angeordnet. Das Pulver fällt dabei
in Form wenigstens einer Raupe auf die Oberfläche des Werkstücks,
so dass ein schneller Materialauftrag erfolgt.
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Ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen
jeweils prinzipiell dargestellt und wird im Folgenden näher
beschrieben.
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Es
zeigen:
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1 eine
Einrichtung zur Stoffzuführung bei einer Bearbeitung von
Werkstücken mittels Laserstrahlung,
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2 die
Einrichtung in einer Schnittdarstellung und
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3 eine
Pulverdüse als Einrichtung zur Stoffzuführung.
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Einrichtung
zur Stoffzuführung bei einer Bearbeitung von Werkstücken 3 mittels
Laser- oder Elektronenstrahlung besteht im Wesentlichen aus einem
Konstruktionselement 1 mit wenigstens einem Rohrsystem 2.
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Die 1 zeigt
eine Einrichtung zur Stoffzuführung bei einer Bearbeitung
von Werkstücken mittels Laserstrahlung in einer prinzipiellen
Darstellung.
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In
dem einstückig ausgebildeten Konstruktionselement 1 befindet
sich das Rohrsystem 2 mit zwei nebeneinander in Richtung
der Bearbeitungsstelle des Werkstücks 3 endenden Öffnungen 5a, 5b.
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Die 2 zeigt
dazu die Einrichtung in einer prinzipiellen Schnittdarstellung.
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Dazu
weist das Rohrsystem 2 wenigstens eine Rohrverzweigung 6 auf,
wobei die zwei abgezweigten Rohre 7a, 7b des Rohrsystems 2 in
Richtung der Bearbeitungs stelle des Werkstücks 3 enden und
die Öffnungen 5a, 5b bilden. Das andere
Ende 8 des Rohrsystems 2 oder ein damit verbundenes
rohrförmiges Teil 9 ist so angeordnet, dass das
Ende 8 des Rohrsystems 2 oder das rohrförmige
Teil 9 eine nach außen weisende Öffnung
aufweist. Das Ende 8 oder das rohrförmige Teil 9 ist
gleichzeitig ein Verbindungselement für ein externes Rohr
oder einen externen Schlauch zum Transport des Stoffes von einem Behälter
zu dem Rohrsystem 2 des Konstruktionselementes 1.
Zwischen dem Rohrsystem 2 und dem Behälter kann
auch wenigstens eine Fördereinrichtung für den
Stoff angeordnet sein. Das Konstruktionselement 1 ist durch
Urformen hergestellt und besteht insbesondere aus Kupfer oder einem
Material mit Kupfer. Das damit durch Gießen oder Sintern
hergestellte Konstruktionselement 1 besitzt weitestgehend die
Gestalt und die Abmessungen des Konstruktionselements 1 als
Finalprodukt. Das Rohrsystem 2 im Konstruktionselement 1 besteht
aus einem Material, dessen Schmelztemperatur größer
als die für das Urformen des Konstruktionselements 1 notwendige Temperatur
ist. Das Rohrsystem besteht dazu aus einem Stahl. Das Konstruktionselement 1 weist
eine Platten- oder eine Rinnenform auf.
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Die
Einrichtung zur Stoffzuführung ist vorteilhafterweise eine
Pulverzuführeinrichtung für ein Auftragschweißen
mit Laserstrahlung 4, wobei das Konstruktionselement 1 und
damit die Einrichtung zur Stoffzuführung beabstandet zur
Laserstrahlung 4 angeordnet ist. Die Pulverzuführeinrichtung
mit den zwei nebeneinander in Richtung der Bearbeitungsstelle des
Werkstücks 3 endenden Öffnungen 5a, 5b des
Rohrsystems 2 ist in Bearbeitungsrichtung vor der Laserstrahlung 4 angeordnet.
Weiterhin wird dieses System so geführt, dass die Einrichtung
zur Stoffzuführung beabstandet zur Oberfläche
des Werkstücks 3 angeordnet ist und das Pulver
vor der Laserstrahlung 4 auf die Oberfläche gelangt.
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In
einer Ausführungsform kann das Konstruktionselement 1 auch
ein Rohr oder eine Düse sein, wobei die Laserstrahlung 4 das
Rohr oder die Düse durchtritt. Die Düse ist dabei
beispielsweise eine Pulverdüse 10.
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Die 3 zeigt
eine Pulverdüse als Einrichtung zur Stoffzuführung
in einer prinzi piellen Darstellung.
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Das
Rohrsystem 2 in der Pulverdüse 10 weist
mehrere Rohrverzweigungen 6 auf.
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Zur
leichteren Herstellung der Pulverdüse 10 können
auch mehrere Ringe 11 neben dem Rohrsystem 2 als
zusätzliche Stützstruktur angeordnet sein.
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In
einer weiteren Ausführungsform kann im Konstruktionselement 1 wenigstens
ein weiteres Rohr so angeordnet sein, dass eine Öffnung
des weiteren Rohres in Richtung der Bearbeitungsstelle des Werkstücks 3 angeordnet
ist und die andere Öffnung nach außen weist.
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In
diesem weiteren Rohr kann sich wenigstens ein Sensor oder ein Lichtleiter
befinden. Natürlich können sich auch mehrere weitere
Rohre im Konstruktionselement 1 befinden, so dass Sensoren und/oder
Lichtwellenleiter und/oder wenigstens eine Kombination daraus angeordnet
werden können.
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In
einer weiteren Ausführungsform kann sich wenigstens ein
weiteres Rohr für ein Kühlmittel so im Konstruktionselement 1 befinden,
dass das weitere Rohr in Richtung der Bearbeitungsstelle des Werkstücks 3 und über
wenigstens eine Krümmung von dieser weg angeordnet ist.
Die Öffnungen des weiteren Rohres sind am der Bearbeitungsstelle
des Werkstücks 3 gegenüberliegenden Endenbereich des
Konstruktionselements 1 angeordnet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19909390
C1 [0003]
- - DE 10321614 A1 [0003]
- - DE 102005058172 A1 [0003]