WO2010054642A1 - Verfahren und laserbearbeitungsmaschine mit mitteln zum ermitteln einer dejustage einer pulverzufuhrdüse der laserbearbeitungsmaschine - Google Patents

Verfahren und laserbearbeitungsmaschine mit mitteln zum ermitteln einer dejustage einer pulverzufuhrdüse der laserbearbeitungsmaschine Download PDF

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Markus Pieger
Sebastian Kaufmann
Philip Anthony Carroll
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Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to both a method of detecting a misalignment of a powder feed nozzle via which a powder as a filler of a laser processing is guided on a workpiece relative to a laser beam and a machine for laser machining a workpiece by means of a laser beam with a powder feed nozzle for supplying a powder as filler material on the workpiece and with a laser processing head for directing the laser beam onto the workpiece.
  • a powdery filler material such as in the case of powder build-up welding or laser metal deposition (LMD)
  • the powder is applied to a substrate via the energy input of a laser beam.
  • any 2- and 3-dimensional surfaces or volumes can be produced.
  • the quality of the layer depends in particular also on the adjustment of the powder focus to the laser beam and on the powder quality.
  • uniform, reproducible layer characteristics and / or their adaptation during the process are required.
  • US 2004/0133298 A1 discloses a method in which the layer properties, such as dimensions, the solidification rate and / or the roughness, are recorded and the process parameters laser power and feed rate are adapted on the basis of the measurement.
  • US Pat. No. 6,459,951 B1 specifies a method in which, in addition to laser power and feed rate, the powder rate can also be regulated via the process temperature.
  • This object is achieved by a method for determining a misalignment of a Pulverzuchtdüse over which a powder is fed as a filler material of a laser machining on a workpiece, relative to a laser beam, wherein on the workpiece in at least two different directions a test structure by means of powder build-up welding with the same Ordering parameters and without relative rotation between Pulverzuchtdüse and laser beam is constructed, wherein the height and / or wall thicknesses of the test structure constructed in the different directions are measured, and wherein the direction and possibly a degree of misalignment of the Pulverzuchtdüse relative to the laser beam based on the differences in the different directions measured heights and / or wall thicknesses are determined.
  • the powder and laser focus take in the test structure at least two different positions with respect to the contour of the test structure in maladjustment without further movement components take place in addition to the relative movement required for Konturabfahrung the test structure.
  • a test structure or geometry is constructed and measured on a workpiece by means of powder build-up welding, and then the misalignment is determined via spatially resolved height differences in the layer structure.
  • the invention makes use of the property that, with constant application parameters, a powder focus trailing the laser beam has a maximum high layer buildup and a powder focus leading to the laser beam produces a minimally high layer structure.
  • a test structure on the workpiece which preferably has all possible relative positions of powder focus and laser beam, and subsequent measurement of the test structure can be determined by the amount of height difference and their direction distribution, the position of the powder focus to the laser beam and thus a misalignment can be determined.
  • the heights and wall thicknesses of the constructed test structure can be measured per se with any suitable known measuring method.
  • Particularly suitable is the so-called light-section method, ie a method of optical 3-D measurement technology, which allows the measurement of a height profile along a projected light line and based on the principle of triangulation.
  • An associated light-section sensor consists of a line projector (usually with a laser as light source), which projects as narrow and bright a line as possible onto the measurement object, as well as an electronic camera, which observes the projection of the line on the object. The displacement of the line in the camera image is converted into 3-D coordinates using the methods of photogrammetry.
  • a self-contained annular, in particular circular or elliptical wall is constructed as a test structure on the workpiece, advantageously with a maximum extent or a maximum diameter of 30 to 50 mm.
  • a circular or elliptical wall all possible relative positions of powder focus and laser beam are realized due to the annular path of movement of the powder feed nozzle.
  • annular structures instead of annular structures, it is also possible to construct a plurality of walls or webs in different coordinate directions or angular positions as a test structure, which extend in the different directions. The accuracy depends on the number of webs with different directions.
  • Another alternative is based on a comparison of a newly welded geometry with reference geometries with different, known defects, which are deposited in a matrix.
  • the direction and optionally a measure of a required adjustment of the powder feed nozzle relative to the laser beam are selected on the basis of the differences in the heights and / or wall thicknesses measured in the different directions and then the necessary adjustment is made. Can the degree of necessary adjustment of the powder feed nozzle depending on the
  • Adjustment drives in particular electrically, or manually by the operator, for example, the correction direction gets displayed and makes a corresponding adjustment of the Pulverzuchtdüse.
  • the Pulverzuchtdüse is adjusted relative to the laser beam in that of the different directions in which the largest height of the constructed test structure was measured, so the highest layer structure was achieved. If this direction is not in one of the two adjustment axes of the powder feed nozzle, the necessary adjustment movement of the powder feed nozzle is distributed over an angle function to the two adjustment axes. In other words, can be specified by a suitable evaluation of the maximum height difference, a suitable delivery of Pulverzuchtdüse for one or both adjustment axes. Depending on the height difference and the required resolution or tolerable height differences, which are also dependent on the total number of layers and the thus to be considered addition of the deviations, the deliveries are made either incremental or continuous.
  • the adjustment of the Pulverzuchtdüse relative to the laser beam based on the measured heights and / or wall thickness automatically according to a corresponding algorithm.
  • the method according to the invention also permits derivation of the occurrence of further influencing factors on the layer quality. So can with adjusted nozzle and yet different construction result, the For example, based on a set as a result of the nozzle adjustment statistical design height, be closed on quality deviations in the powder. In particular, after a batch change so the quality of the powder can be tested. If differences in height occur within a powder batch, a problem with the jet source or jet guidance and / or beam shaping and / or the powder feed can be assumed.
  • the associated laser processing machine should be equipped with appropriate means for monitoring and identifying parameter deviations in order to determine such correlations.
  • the invention also relates to a machine suitable for carrying out the above-described detection or adjustment method for laser machining a workpiece by means of a laser beam with a Pulverzuchtdüse for supplying a powder as filler material to the workpiece and with a laser processing head for directing the laser beam to the workpiece
  • the Laser processing machine comprises a measuring device for measuring the heights and / or wall thicknesses applied to a workpiece by powder deposition welding application structure and an evaluation, based on the measured heights and / or wall thicknesses in at least two different directions on the workpiece with constant application parameters and without relative rotation between the powder feed nozzle and the laser beam applied test structure determines the direction and possibly a measure of maladjustment of Pulverzuchtdüse relative to the laser beam.
  • the measuring device has one or more sensors, such as triangulation sensors or optical distance sensors, in order to measure the height of the constructed test structure and to transfer the values to the evaluation unit.
  • the evaluation unit calculates the direction and, if necessary, a measure of the existing misalignment.
  • the height of the constructed test structure should not exceed a defined height, which is limited for example by the resolution of the measuring means.
  • the powder feed nozzle is formed by the outer annular opening of a coaxial nozzle, wherein the laser beam passes through the inner opening of the coaxial nozzle.
  • the laser processing machine has an adjustment device for adjusting the Pulverzuchtdüse relative to the laser beam, wherein the evaluation based on the measured heights and / or wall thicknesses of at least two different directions on the workpiece with constant application parameters and without relative rotation between Pulverzuchtdüse and laser beam applied test structure the direction and optionally determines a measure of a required adjustment of the Pulverzuchtdüse relative to the laser beam as manipulated variables for the adjustment device.
  • the invention also relates to a computer product having code means adapted to perform all the steps of the above method.
  • Fig. 1 shows an embodiment of an inventive
  • Laser processing machine for carrying out the method according to the invention for a powder feed nozzle of the laser processing machine
  • Fig. 2 is a circular produced by the laser processing machine
  • FIGS. 3 and 4 further examples of test structures.
  • the laser processing machine 1 shown in Fig. 1 is used for material processing of workpieces by means of a laser beam 2 and a powder (eg metal powder) 3, which is supplied as a filler material via a Pulverzuchtdüse 4 of the machine 1 to a workpiece 5 to be machined.
  • a powder eg metal powder
  • the machine 1 comprises a laser processing head 6 for directing the laser beam 2 in the z-direction onto the workpiece 5, the laser processing head 6 being an adjusting or adjusting device 7 driven by servomotors for displacing the powder feed nozzle 4 in the x and y directions and thus to the laser beam 2 has.
  • the Pulverzuchtdüse 4 is provided at the bottom of the laser processing head 6 and formed in the embodiment shown as a coaxial nozzle with an inner opening 8 through which the laser beam 2 passes, and with an outer annular opening 9, through which the powder 3 is applied to the workpiece 5.
  • a measuring device 10 is further provided with a plurality of sensors 11 for measuring the height of the workpiece 5.
  • the quality of processing depends essentially on the collinear orientation of the laser
  • Powder focus 12 of the powder 3 on the workpiece 5 Impact point (powder focus) 12 of the powder 3 on the workpiece 5 to the laser beam 2 from.
  • the powder focus 12 formed on the workpiece 5 is not collinear with the laser beam 2, ie the powder feed nozzle 4 is not collinear with the laser beam 2 in the embodiment shown, a powder focus 12 following the laser beam 2 produces a maximum layer buildup and a laser beam 2 leading powder focus 12 a minimal high layer structure.
  • the relative position of the powder focus 12 and thus the relative position of the powder feed nozzle 4 to the laser beam 2 are determined on the basis of the measured data or the height profile determined therefrom, and in the case of a misalignment thereof the direction and possibly a measure of a required adjustment of the Pulverzuchtdüse 4 to the laser beam 2 as manipulated variables for the servomotors of the adjustment device 7 determined.
  • the required adjustment of the Pulverzuchtdüse 4 is thus fully automatic.
  • FIG. 2 shows, by way of example, the height data of the circular wall 21 measured at a 45 ° angular distance.
  • the powder feed nozzle 4 On the basis of the maximum height difference of 1 mm in the y-direction and a minimum height difference of 0.15 mm in the x-direction is for the powder feed nozzle 4 a misalignment - and thus a required correction adjustment - for example, from -300 microns in the x-direction and of -20 ⁇ m in y-direction.
  • the required correction adjustment takes place in that direction of movement of the powder feed nozzle 4, in which the greatest height of the constructed circular wall 21 was measured. in the
  • the maximum wall height H max of 6.21 mm was measured at 270 °, that is to say when the powder feed nozzle 4 moved in the clockwise direction was in the (-x) direction.
  • the round test structure 20 shown in FIG. 2 all directions of movement of the powder feed nozzle 4 to the laser beam 2 are detected, and consequently the correction parameters for a required adjustment can be determined therefrom.
  • the delivery direction is exactly determined, but not necessarily the amount of delivery, which depends on a variety of application conditions and therefore generally an approximation over several iteration steps required.
  • a rectangular test structure 30 having four walls 31a-31d extending in only two different directions (x, y) is formed on the workpiece 5 by powder build-up welding. From the measured heights of the walls 31a-31d, the correction parameters for the powder feed nozzle 4 in the x and y directions can be determined, generally requiring several iteration steps for exact alignment.
  • the wall thickness D of the test structures 11, 30, 40 can also be measured.

Abstract

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Ermitteln einer Dejustage einer Pulverzufuhrdüse (4), über die ein Pulver (3) als Zusatzwerkstoff einer Laserbearbeitung auf ein Werkstück (5) geführt wird, relativ zu einem Laserstrahl (2) ist vorgesehen, dass auf dem Werkstück (5) in mindestens zwei unterschiedlichen Richtungen eine Teststruktur mittels Pulverauftragschweißens mit gleich bleibenden Auftragparametern und ohne Relativdrehung zwischen Pulverzufuhrdüse (4) und Laserstrahl (2) aufgebaut wird, dass die in den unterschiedlichen Richtungen aufgebauten Höhen und/oder Wandstärken der Teststruktur gemessen werden, und dass die Richtung und ggf. ein Maß einer Dejustage der Pulverzufuhrdüse (4) relativ zum Laserstrahl (2) anhand der Unterschiede der in den unterschiedlichen Richtungen gemessenen Höhen und/oder Wandstärken ermittelt werden.

Description

VERFAHREN UND LASERBEARBEITUNGSMASCHINE MIT MITTELN ZUM ERMITTELN EINER DEJUSTAGE EINER PULVERZUFUHRDÜSE DER LASERBEARBEITUNGSMASCHINE
Die vorliegende Erfindung betrifft sowohl ein Verfahren zum Ermitteln einer Dejustage einer Pulverzufuhrdüse, über die ein Pulver als Zusatzwerkstoff einer Laserbearbeitung auf ein Werkstück geführt wird, relativ zu einem Laserstrahl als auch eine Maschine zur Laserbearbeitung eines Werkstückes mittels eines Laserstrahls mit einer Pulverzufuhrdüse zum Zuführen eines Pulvers als Zusatzwerkstoff auf das Werkstück und mit einem Laserbearbeitungskopf zum Richten des Laserstrahls auf das Werkstück. Bei der Lasermaterialbearbeitung unter Verwendung eines pulverförmigen Zusatzwerkstoffes, wie beispielsweise beim Pulverauftragschweißen bzw. Laser Metal Deposition (LMD), wird das Pulver über die Energieeinbringung eines Laserstrahls auf ein Substrat aufgebracht. Über das Nebeneinander- und Übereinanderlegen einzelner Pulverbahnen zu einzelnen Schichten und/oder Schichtpaketen können nahezu beliebige 2- und 3-dimensionale Flächen bzw. Volumina hergestellt werden. Beim Pulvertragauftragschweißen ist die Güte der Schicht dabei insbesondere auch von der Justage des Pulverfokus zum Laserstrahl sowie von der Pulverqualität abhängig. Für eine hohe Genauigkeit der so hergestellten Bauteile, insbesondere beim Aufbau mehrerer Schichten übereinander, sind gleichmäßige, reproduzierbare Schichtcharakteristika und/oder deren Anpassung während des Prozesses erforderlich.
Eine Möglichkeit besteht darin, eine geeignete Prozessüberwachung und -regelung zu implementieren. Die US 2004/0133298 A1 offenbart hierzu ein Verfahren, bei dem die Schichteigenschaften, wie Abmessungen, die Erstarrungsrate und/oder die Rauheit erfasst und auf Basis der Messung die Prozessparameter Laserleistung und Vorschubgeschwindigkeit angepasst werden. Alternativ gibt die US 6,459,951 B1 ein Verfahren an, bei dem über die Prozesstemperatur neben Laserleistung und Vorschubgeschwindigkeit auch die Pulverrate reguliert werden kann. Auf eine Justage des Pulver- und Laserstrahlfokus zueinander bzw. des Pulverauftreffpunkts zum Laserstrahl auf der Werkstückoberfläche wird hierbei nicht eingegangen. Dies führt insofern zu Problemen, als dass ein dejustierter Pulverfokus bzw. Pulverauftreffpunkt bei Richtungsänderungen in unterschiedlichen
Seh ichtauf bau raten resultiert, die über die beschriebenen Prozessüberwachungsund -regelungseinrichtungen nicht befriedigend ausgeglichen werden können. Die bisherigen Lösungen zur Justage von Pulverfokus und Laserstrahl zueinander sehen jedoch vornehmlich manuelle Einstellungen vor, so dass hier geschultes Fachpersonal erforderlich ist und eine Reproduzierbarkeit nur eingeschränkt gewährleistet werden kann.
Demgegenüber ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Ermitteln einer Dejustage einer Pulverzufuhrdüse relativ zu einem Laserstrahl anzugeben, um dann basierend auf diesem Ergebnis geeignete Maßnahmen vornehmen zu können, sowie eine zum Durchführen dieses Verfahrens geeignete Laserbearbeitungsmaschine bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Ermitteln einer Dejustage einer Pulverzufuhrdüse, über die ein Pulver als Zusatzwerkstoff einer Laserbearbeitung auf ein Werkstück geführt wird, relativ zu einem Laserstrahl, wobei auf dem Werkstück in mindestens zwei unterschiedlichen Richtungen eine Teststruktur mittels Pulverauftragschweißens mit gleich bleibenden Auftragparametern und ohne Relativdrehung zwischen Pulverzufuhrdüse und Laserstrahl aufgebaut wird, wobei die in den unterschiedlichen Richtungen aufgebauten Höhen und/oder Wandstärken der Teststruktur gemessen werden, und wobei die Richtung und ggf. ein Maß einer Dejustage der Pulverzufuhrdüse relativ zum Laserstrahl anhand der Unterschiede der in den unterschiedlichen Richtungen gemessenen Höhen und/oder Wandstärken ermittelt werden.
Unter „unterschiedlichen Richtungen" werden im Rahmen dieser Anmeldung zwei Richtungen auf der ebenen Werkzeugoberfläche verstanden, die weder kollinear noch zueinander parallel verlaufen.
Erfindungsgemäß nehmen bei der Teststruktur Pulver- und Laserfokus bei Dejustage zumindest zwei unterschiedliche Positionen in Bezug zur Kontur der Teststruktur ein, ohne dass neben der zur Konturabfahrung der Teststruktur benötigten Relativbewegung weitere Bewegungskomponenten erfolgen. Mit anderen Worten weist bei der Teststruktur der Pulverfokus bezogen auf ein laserstrahleigenes
Koordinatensystem eine zum Laserstrahl konstante Raumbeziehung auf, während die Relativlage des Pulverfokus zum Laserstrahl bezogen auf die abzufahrende Kontur der Teststruktur jedoch zumindest zwei unterschiedliche Positionen einnimmt.
Erfindungsgemäß wird auf einem Werkstück eine Teststruktur bzw. -geometrie mittels Pulverauftragschweißens aufgebaut und vermessen, und über ortsaufgelöste Höhenunterschiede im Schichtaufbau dann die Dejustage ermittelt. Die Erfindung macht sich die Eigenschaft zunutze, dass bei gleich bleibenden Auftragparametern ein dem Laserstrahl nachlaufender Pulverfokus einen maximal hohen Schichtaufbau und ein dem Laserstrahl vorlaufender Pulverfokus einen minimal hohen Schichtaufbau erzeugt. Über eine Teststruktur auf dem Werkstück, die vorzugsweise alle möglichen Relativpositionen von Pulverfokus und Laserstrahl aufweist, und anschließende Vermessung der Teststruktur kann über den Betrag der Höhendifferenz sowie deren Richtungsverteilung die Lage des Pulverfokus zum Laserstrahl bestimmt und somit eine Dejustage festgestellt werden.
Die Höhen und Wandstärken der aufgebauten Teststruktur können an sich mit jedem hierfür geeigneten bekannten Messverfahren gemessen werden. Besonders geeignet ist das so genannte Lichtschnittverfahren, also ein Verfahren der optischen 3-D-Messtechnik, das die Vermessung eines Höhenprofils entlang einer projizierten Lichtlinie ermöglicht und auf dem Prinzip der Triangulation basiert. Ein zugehöriger Lichtschnittsensor besteht aus einem Linienprojektor (meist mit einem Laser als Lichtquelle), der eine möglichst schmale und helle Linie auf das Messobjekt projiziert, sowie einer elektronischen Kamera, die die Projektion der Linie auf dem Objekt beobachtet. Die Verschiebung der Linie im Kamerabild wird mit den Methoden der Photogrammetrie in 3-D-Koordinaten umgerechnet.
Vorzugsweise wird als Teststruktur auf dem Werkstück eine in sich geschlossene ringförmige, insbesondere kreisrunde oder ellipsenförmige Wand aufgebaut, und zwar vorteilhaft mit einer maximalen Ausdehnung bzw. einem maximalen Durchmesser von 30 bis 50 mm. Bei einer solchen kreisrunden oder ellipsenförmigen Wand werden aufgrund der ringförmigen Bewegungsbahn der Pulverzufuhrdüse alle möglichen Relativpositionen von Pulverfokus und Laserstrahl realisiert.
Alternativ können anstelle von ringförmigen Strukturen auch mehrere Wände oder Stege in unterschiedlichen Koordinatenrichtungen bzw. Winkellagen als Teststruktur aufgebaut werden, die sich in den unterschiedlichen Richtungen erstrecken. Die Genauigkeit hängt hierbei von der Anzahl der Stege mit unterschiedlichen Richtungen ab. Eine weitere Alternative basiert auf einem Vergleich einer neu geschweißten Geometrie mit Referenzgeometrien mit unterschiedlichen, bekannten Defekten, die in einer Matrix hinterlegt sind. Besonders bevorzugt werden die Richtung und ggf. ein Maß einer erforderlichen Justage der Pulverzufuhrdüse relativ zum Laserstrahl anhand der Unterschiede der in den unterschiedlichen Richtungen gemessenen Höhen und/oder Wandstärken gewählt und dann die notwendige Justage vorgenommen. Kann das Maß der notwendigen Verstellung der Pulverzufuhrdüse in Abhängigkeit des
Höhenunterschieds nicht genau angegeben, sondern nur abgeschätzt werden, so kann die Justage auch in mehreren Iterationsschritten, vorteilhafterweise in nicht mehr als drei Schritten, erfolgen.
Die Justage der Pulverzufuhrdüse erfolgt entweder automatisch über
Verstellantriebe, insbesondere elektrisch, oder manuell durch den Bediener, der beispielsweise die Korrekturrichtung angezeigt bekommt und eine entsprechende Verstellung der Pulverzufuhrdüse vornimmt.
Bevorzugt wird die Pulverzufuhrdüse relativ zum Laserstrahl in derjenigen von den unterschiedlichen Richtungen justiert, in der die größte Höhe der aufgebauten Teststruktur gemessen wurde, also der höchste Schichtaufbau erzielt wurde. Liegt diese Richtung nicht in einer der beiden Justageachsen der Pulverzufuhrdüse, wird die notwendige Verstellbewegung der Pulverzufuhrdüse über eine Winkelfunktion auf die zwei Justageachsen verteilt. Mit anderen Worten lässt sich durch eine geeignete Auswertung aus dem maximalen Höhenunterschied eine geeignete Zustellung der Pulverzufuhrdüse für eine oder für beide Justageachsen vorgeben. Je nach Höhendifferenz und geforderter Auflösung bzw. tolerierbarer Höhenunterschiede, die auch von der Gesamtzahl der Schichten und der somit zu berücksichtigenden Addition der Abweichungen abhängig sind, werden die Zustellungen entweder inkrementell oder stufenlos vorgenommen.
Vorzugsweise erfolgt die Justage der Pulverzufuhrdüse relativ zum Laserstrahl anhand der gemessenen Höhen und/oder Wandstärken automatisiert nach einem entsprechenden Algorithmus.
Das erfindungsgemäße Verfahren lässt neben der Düsenjustage aber auch eine Ableitung des Auftretens weiterer Einflussfaktoren auf die Schichtgüte zu. So kann bei justierter Düse und dennoch unterschiedlichem Aufbauergebnis, das beispielsweise auf eine infolge der Düsenjustage festgelegte statistische Aufbauhöhe bezogen wird, auf Qualitätsabweichungen im Pulver geschlossen werden. Insbesondere nach einem Chargenwechsel kann so die Qualität des Pulvers geprüft werden. Kommt es innerhalb einer Pulvercharge zu Abweichungen in der Höhe, so kann ein Problem mit der Strahlquelle bzw. Strahlführung und/oder Strahlformung und/oder der Pulverzuführung angenommen werden. Die zugehörige Laserbearbeitungsmaschine sollte mit entsprechenden Mitteln zur Überwachung und Identifizierung von Parameterabweichungen ausgerüstet sein, um solche Korrelationen bestimmen zu können.
Die Erfindung betrifft auch eine zur Durchführung des oben beschriebenen Feststellung- bzw. Justageverfahren geeignete Maschine zur Laserbearbeitung eines Werkstückes mittels eines Laserstrahls mit einer Pulverzufuhrdüse zum Zuführen eines Pulvers als Zusatzwerkstoff auf das Werkstück und mit einem Laserbearbeitungskopf zum Richten des Laserstrahls auf das Werkstück, wobei die Laserbearbeitungsmaschine erfindungsgemäß eine Messeinrichtung zum Messen der Höhen und/oder Wandstärken einer auf ein Werkstück mittels Pulverauftragschweißens aufgebrachten Auftragstruktur und eine Auswerteeinrichtung aufweist, die anhand der gemessenen Höhen und/oder Wandstärken einer in mindestens zwei unterschiedlichen Richtungen auf das Werkstück mit gleich bleibenden Auftragparametern und ohne Relativdrehung zwischen Pulverzufuhrdüse und Laserstrahl aufgebrachten Teststruktur die Richtung und ggf. ein Maß einer Dejustage der Pulverzufuhrdüse relativ zum Laserstrahl ermittelt.
Vorzugsweise weist die Messeinrichtung einen oder mehrere Sensoren, wie z.B. Triangulationssensoren oder optische Distanzsensoren, auf, um die Höhe der aufgebauten Teststruktur zu messen und die Werte an die Auswerteeinheit zu übergeben. Über die Auswerteeinheit werden die Richtung und ggf. ein Maß der vorhandenen Dejustage berechnet. Um mit diesen Sensoren eine Vermessung zu ermöglichen, sollte die Höhe der aufgebauten Teststruktur eine definierte Höhe, die beispielsweise durch die Auflösung des Messmittels limitiert ist, nicht übersteigen. Besonders bevorzugt ist die Pulverzufuhrdüse durch die äußere Ringöffnung einer Koaxialdüse gebildet, wobei der Laserstrahl durch die innere Öffnung der Koaxialdüse hindurchtritt.
Vorzugsweise weist die Laserbearbeitungsmaschine eine Justageeinrichtung zum Verstellen der Pulverzufuhrdüse relativ zum Laserstrahl auf, wobei die Auswerteeinrichtung anhand der gemessenen Höhen und/oder Wandstärken einer in mindestens zwei unterschiedlichen Richtungen auf das Werkstück mit gleich bleibenden Auftragparametern und ohne Relativdrehung zwischen Pulverzufuhrdüse und Laserstrahl aufgebrachten Teststruktur die Richtung und ggf. ein Maß einer erforderlichen Justage der Pulverzufuhrdüse relativ zum Laserstrahl als Stellgrößen für die Justageeinrichtung ermittelt.
Die Erfindung betrifft schließlich auch noch ein Computerprodukt, welches Codemittel aufweist, die zum Durchführen aller Schritte des oben genannten Verfahrens angepasst sind.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Laserbearbeitungsmaschine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens für eine Pulverzufuhrdüse der Laserbearbeitungsmaschine;
Fig. 2 eine mit der Laserbearbeitungsmaschine hergestellte kreisrunde
Teststruktur zum Justieren der Pulverzufuhrdüse; und
Fign. 3 und 4 weitere Beispiele von Teststrukturen. Die in Fig. 1 gezeigte Laserbearbeitungsmaschine 1 dient zur Materialbearbeitung von Werkstücken mittels eines Laserstrahls 2 und eines Pulvers (z.B. Metallpulver) 3, welches als Zusatzwerkstoff über eine Pulverzufuhrdüse 4 der Maschine 1 auf ein zu bearbeitendes Werkstück 5 zugeführt wird.
Die Maschine 1 umfasst einen Laserbearbeitungskopf 6 zum Richten des Laserstrahls 2 in z-Richtung auf das Werkstück 5, wobei der Laserbearbeitungskopf 6 eine über Stellmotoren angetriebene Justage- oder Verstelleinrichtung 7 zum Verschieben der Pulverzufuhrdüse 4 in x- und y-Richtung und damit zum Laserstrahl 2 aufweist. Die Pulverzufuhrdüse 4 ist unten am Laserbearbeitungskopf 6 vorgesehen und im gezeigten Ausführungsbeispiel als Koaxialdüse mit einer inneren Öffnung 8, durch die der Laserstrahl 2 hindurchtritt, und mit einer äußeren Ringöffnung 9, durch die das Pulver 3 auf das Werkstück 5 aufgebracht wird, ausgebildet. Unten am Laserbearbeitungskopf 6 ist weiterhin eine Messeinrichtung 10 mit mehreren Sensoren 11 zur Höhenvermessung des Werkstücks 5 vorgesehen.
Bei der Lasermaterialbearbeitung unter Verwendung des Pulvers 3, wie beispielsweise beim Laserschweißen oder beim Pulverauftragschweißen, hängt die Qualität der Bearbeitung wesentlich von der kollinearen Ausrichtung des
Auftreffpunkts (Pulverfokus) 12 des Pulvers 3 auf dem Werkstück 5 zum Laserstrahl 2 ab. Sind beispielsweise beim Pulverauftragschweißen der auf dem Werkstück 5 ausgebildete Pulverfokus 12 nicht kollinear zum Laserstrahl 2 ausgerichtet, also im gezeigten Ausführungsbeispiel die Pulverzufuhrdüse 4 nicht kollinear zum Laserstrahl 2 ausgerichtet, erzeugt ein dem Laserstrahl 2 nachlaufender Pulverfokus 12 einen maximal hohen Schichtaufbau und ein dem Laserstrahl 2 vorlaufender Pulverfokus 12 einen minimal hohen Schichtaufbau.
Um eine Abweichung des Pulverfokus 12 von der kollinearen Ausrichtung zum Laserstrahl 2 und damit eine Dejustage der Pulverdüse 4 zu ermitteln und diese Dejustage anschließend zu korrigieren, wird wie folgt vorgegangen: Auf einer ebenen Fläche des Werkstücks 5 wird mit der Maschine 1 mittels Pulverauftragschweißens die in Fig. 2 gezeigte Teststruktur 20 in Form einer in sich geschlossenen kreisrunden Wand 21 entgegen dem Uhrzeigersinn aufgebaut, und zwar mit gleich bleibenden Auftragparametern und ohne Relativdrehung zwischen Pulverzufuhrdüse 4 und Laserstrahl 2 um die z-Achse oder eine dazu parallele Achse. Mit anderen Worten weist bei der Teststruktur 20 der Pulverfokus 12 bezogen auf ein laserstrahleigenes Koordinatensystem eine zum Laserstrahl 2 konstante Raumbeziehung auf.
Beim Auftragen dieser kreisrunden Wand 21 werden für den Fall eines nicht kollinear zum Laserstrahl 2 ausgerichteten Pulverfokus 12 alle möglichen Relativpositionen von Pulverfokus 12 und Laserstrahl 2 entlang der Teststruktur 20 eingenommen, so dass in derjenigen Auftragrichtung, in der der Pulverfokus 12 dem Laserstrahl 2 in Vorschubrichtung direkt nachläuft, die Höhe H der Wand 21 maximal und in derjenigen Auftragrichtung, in der der Pulverfokus 12 dem Laserstrahl 2 in Vorschubrichtung direkt vorläuft, die Höhe H der Wand 21 minimal ist. Mithilfe der Messeinrichtung 10 wird die Höhe H der kreisrunden Wand 21 ortsaufgelöst vermessen. Mithilfe einer elektronischen Auswerteeinrichtung 13 (Fig. 1) wird anhand der Messdaten bzw. des daraus ermittelten Höhenprofils die Relativlage des Pulverfokus 12 und damit die Relativlage der Pulverzufuhrdüse 4 zum Laserstrahl 2 ermittelt und im Fall einer Dejustage daraus die Richtung und ggf. ein Maß einer erforderlichen Justage der Pulverzufuhrdüse 4 zum Laserstrahl 2 als Stellgrößen für die Stellmotoren der Justageeinrichtung 7 bestimmt. Die erforderliche Justage der Pulverzufuhrdüse 4 erfolgt somit vollautomatisiert.
In Fig. 2 sind beispielhaft die im 45°-Winkelabstand gemessenen Höhendaten der kreisrunden Wand 21 angegeben. Anhand der maximalen Höhendifferenz von 1 mm in der y-Richtung und einer minimalen Höhendifferenz von 0,15 mm in der x- Richtung wird für die Pulverzufuhrdüse 4 eine Dejustage - und somit eine erforderliche Korrekturverstellung - beispielsweise von -300 μm in x-Richtung und von -20 μm in y-Richtung ermittelt. Vorzugsweise erfolgt die erforderliche Korrekturverstellung in derjenigen Bewegungsrichtung der Pulverzufuhrdüse 4, in der die größte Höhe der aufgebauten kreisrunden Wand 21 gemessen wurde. Im
Beispielsfall wurde die maximale Wandhöhe Hmax von 6,21 mm bei 270° gemessen, also bei einer Bewegung der im Uhrzeigersinn bewegten Pulverzufuhrdüse 4 in (-x)- Richtung. Mit der in Fig. 2 gezeigten runden Teststruktur 20 werden alle Bewegungsrichtungen der Pulverzufuhrdüse 4 zum Laserstrahl 2 erfasst, und folglich können daraus die Korrekturparameter für eine erforderliche Justage ermittelt werden. Bei einer kreisrunden Teststruktur 20, die theoretisch alle bzw. praktisch je nach Auflösung ausreichend Relativpositionen wiedergibt, ist die Zustellrichtung exakt ermittelbar, nicht aber zwingend der Betrag der Zustellung, der von einer Vielzahl von Applikationsbedingungen abhängig ist und daher im Allgemeinen eine Näherung über mehrere Iterationsschritte erforderlich macht.
In Fig. 3 ist auf dem Werkstück 5 mittels Pulverauftragschweißens eine rechteckige Teststruktur 30 mit vier Wänden 31a-31d aufgebaut, die sich nur in zwei unterschiedlichen Richtungen (x, y) erstrecken. Aus den gemessenen Höhen der Wände 31a-31d können die Korrekturparameter für die Pulverzufuhrdüse 4 in x- und y-Richtung ermittelt werden, wobei im Allgemeinen mehrere Iterationsschritte für eine exakte Ausrichtung erforderlich sind.
In Fig. 4 ist auf dem Werkstück 5 mittels Pulverauftragschweißens eine sternförmige Teststruktur 40 mit vier Wänden 41a-41d aufgebaut, die sich in vier unterschiedlichen Richtungen (x, y, zwei Diagonale) erstrecken. Aus den gemessenen Höhen der Wänden 41 a-41 d können die Korrekturparameter für die Pulverzufuhrdüse 4 - ggf. mittels geeigneter Interpolationen - in x- und y-Richtung ermittelt werden, wobei im Allgemeinen mehrere Iterationsschritte für eine exakte Ausrichtung erforderlich sind.
Zusätzlich oder alternativ zur Messung der Höhen der Teststrukturen 11 , 30, 40 kann auch die Wandstärke D der Teststrukturen 11 , 30, 40 vermessen werden.

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zum Ermitteln einer Dejustage einer Pulverzufuhrdüse (4), über die ein Pulver (3) als Zusatzwerkstoff einer Laserbearbeitung auf ein Werkstück (5) geführt wird, relativ zu einem Laserstrahl (2), wobei auf dem Werkstück (5) in mindestens zwei unterschiedlichen
Richtungen eine Teststruktur (20; 30; 40) mittels Pulverauftragschweißens mit gleich bleibenden Auftragparametern und ohne Relativdrehung zwischen Pulverzufuhrdüse (4) und Laserstrahl (2) aufgebaut wird, wobei die in den unterschiedlichen Richtungen aufgebauten Höhen (H) und/oder Wandstärken (D) der Teststruktur (20; 30; 40) gemessen werden, und wobei die Richtung und ggf. ein Maß einer Dejustage der Pulverzufuhrdüse (4) relativ zum Laserstrahl (2) anhand der Unterschiede der in den unterschiedlichen Richtungen gemessenen Höhen (H) und/oder Wandstärken (D) ermittelt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Höhen (H) der aufgebauten Teststruktur (20; 30; 40) in den unterschiedlichen Richtungen mittels eines Lichtschnittverfahrens gemessen werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Teststruktur (20) auf dem Werkstück (5) eine ringförmige, insbesondere kreisrunde oder ellipsenförmige Wand (21 ) aufgebaut wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als
Teststruktur (30; 40) auf dem Werkstück (5) mehrere Wände (31 ; 41 ) aufgebaut werden, die sich in den unterschiedlichen Richtungen erstrecken.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtung und ggf. ein Maß einer erforderlichen Justage der Pulverzufuhrdüse (4) relativ zum Laserstrahl (2) anhand der Unterschiede der in den unterschiedlichen Richtungen gemessenen Höhen (H) und/oder Wandstärken (D) gewählt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulverzufuhrdüse (4) relativ zum Laserstrahl (2) in derjenigen von den unterschiedlichen Richtungen justiert wird, in der die größte Höhe (Hmax) der aufgebauten Teststruktur (20; 30; 40) gemessen wurde.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Justage der Pulverzufuhrdüse (4) relativ zum Laserstrahl (2) anhand der gemessenen Höhen (H) und/oder Wandstärken (D) automatisiert erfolgt.
8. Maschine (1) zur Laserbearbeitung eines Werkstückes (5) mittels eines Laserstrahls (2), mit einer Pulverzufuhrdüse (4) zum Zuführen eines Pulvers (3) als Zusatzwerkstoff auf das Werkstück (5), und mit einem Laserbearbeitungskopf (6) zum Richten des Laserstrahls (2) auf das Werkstück (5), dadurch gekennzeichnet, dass die Laserbearbeitungsmaschine (1 ) weiterhin aufweist: eine Messeinrichtung (10) zum Messen von Höhen (H) und/oder Wandstärken (D) eines Werkstücks (5), und eine Auswerteeinrichtung (13), die anhand der gemessenen Höhen (H) und/oder Wandstärken (D) einer in mindestens zwei unterschiedlichen Richtungen auf das Werkstück (5) mit gleich bleibenden Auftragparametern und ohne Relativdrehung zwischen Pulverzufuhrdüse (4) und Laserstrahl (2) aufgebrachten Teststruktur (20; 30; 40) die Richtung und ggf. ein Maß einer
Dejustage der Pulverzufuhrdüse (4) relativ zum Laserstrahl (2) ermittelt.
9. Maschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die
Messeinrichtung (10) einen oder mehrere Sensoren (1 1 ), insbesondere Triangulationssensoren, aufweist.
10. Maschine nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass an einem
Laserbearbeitungskopf (6) der Laserbearbeitungsmaschine (1 ) die Pulverzufuhrdüse (4) und/oder die Messeinrichtung (10) vorgesehen sind.
1 1 . Maschine nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ' die Pulverzufuhrdüse (4) als Koaxialdüse mit einer inneren Öffnung (8), durch die der Laserstrahl (2) hindurchtritt, und mit einer äußeren Ringöffnung (9), durch die das Pulver (3) auf das Werkstück (5) aufgebracht wird, ausgebildet ist.
12. Maschine nach einem der Ansprüche 8 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Justageeinrichtung (7) zum Verstellen der Pulverzufuhrdüse (4) relativ zum Laserstrahl (2) vorgesehen ist, wobei die Auswerteeinrichtung (13) anhand der gemessenen Höhen (H) und/oder Wandstärken (D) einer in mindestens zwei unterschiedlichen Richtungen auf das Werkstück (5) mit gleich bleibenden Auftragparametern und ohne Relativdrehung zwischen
Pulverzufuhrdüse (4) und Laserstrahl (2) aufgebrachten Teststruktur (20; 30; 40) die Richtung und ggf. ein Maß einer erforderlichen Justage der Pulverzufuhrdüse (4) relativ zum Laserstrahl (2) als Stellgrößen für die Justageeinrichtung (7) ermittelt.
13. Computerprodukt, welches Codemittel aufweist, die zum Durchführen aller Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 angepasst ist.
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