WO2012100940A1 - Verfahren und vorrichtung zur erfassung einer partikeldichteverteilung im strahl einer düse - Google Patents

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WO2012100940A1
WO2012100940A1 PCT/EP2012/000319 EP2012000319W WO2012100940A1 WO 2012100940 A1 WO2012100940 A1 WO 2012100940A1 EP 2012000319 W EP2012000319 W EP 2012000319W WO 2012100940 A1 WO2012100940 A1 WO 2012100940A1
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Stefan Mann
Norbert Pirch
Andres Gasser
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • G01N15/0205—Investigating particle size or size distribution by optical means
    • G01N15/0227—Investigating particle size or size distribution by optical means using imaging; using holography

Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for detecting a particle density distribution in the jet of a nozzle for conveying multiphase flows (powder, droplets, etc.), as used, for example, in laser beam deposition welding.
  • Laser deposition welding has established itself as a process for the functionalization of surfaces, for the repair and modification of components as well as for the production of new parts (generating). The most important areas of application include machine, tool, engine and engine construction. In laser cladding, a powdered
  • Powder feed through the nozzle into the molten bath is crucial. It influences the
  • the powder feed rate, the oxidation by the surrounding atmosphere and the roughness of the applied layer are decisively determined by the powder feed.
  • the nozzles used in the laser beam Abtragsch docken for the supply of filler material generate starting from the nozzle outlet opening a tapered powder gas jet, which forms a focus and then expands again.
  • the nozzles can usually be adjusted to change the focus diameter, the powder distribution in the beam and the spatial position and extent of the focus in front of the nozzle outlet opening.
  • the powder gas jet is photographed so far from the side and then made on the basis of the recording, the adjustment of the nozzle.
  • one relies on the optical control by experienced process engineers to achieve a satisfactory process quality.
  • the size of the molten bath is detected by a camera through the nozzle.
  • the object of the present invention is to provide a method and a device for
  • the task is with the procedure as well as the
  • the particle beam is illuminated from the side or through the nozzle with a light source and the optical radiation of the light source reflected by the particles is detected through the nozzle with a camera, preferably a high-speed camera ,
  • the camera produces images of the reflected optical radiation in chronological order
  • the illumination and / or recording thus take place in such a way that over the reflected
  • the 3D particle density distribution can be detected.
  • the use of a high-speed camera allows very short exposure times and thus a sharp imaging of individual powder particles.
  • Method is generated with the light source, a line-shaped optical beam profile with which the nozzle beam is illuminated laterally.
  • the line-shaped optical beam profile is used for the sequential illumination of the different layers of the jet, so that only optical reflections of the particles that are in the currently illuminated layer are detected by the camera.
  • the line-shaped beam profile can be moved stepwise away from the nozzle, for example, starting from the nozzle outlet, with the respectively illuminated one
  • the line-shaped optical beam profile is generated with a laser beam.
  • the length of the linear beam profile should be greater than the diameter of the nozzle outlet opening in order to detect the nozzle jet in its entire width.
  • the nozzle ⁇ beam can be illuminated passes also over a wider range or entirely from the side or coaxially to the beam direction through the nozzle.
  • Images then reflect the reflections on the particles currently present in the respective layer as white dots or spots in relation to a darker environment.
  • the individual particles are sharply imaged due to the short exposure times.
  • the number and positions of the particles in the respective layer at this time can then be determined automatically by simple image processing algorithms.
  • the particles can, for example, by a simple
  • Threshold method for the brightness values of the pixels of the image are automatically identified.
  • Position and number of particles in the layer becomes a probability density for the particles
  • Jet can then also for adjusting the nozzle, i. For example, to adjust the focus diameter or to produce a uniform distribution of the particles as possible at the desired location in the beam, usually when hitting the workpiece use.
  • each nozzle can be characterized in terms of the parameters essential to the application.
  • the powder particle parameters can be calculated from the recorded particle density distributions (In particular, the focus diameter and / or the
  • PulVer Whyverander in real time or near real-time, two-dimensional or three-dimensional can also perform an online adjustment of the nozzle. Since the most uniform,
  • the application processes can also be monitored automatically by an automated evaluation. In the case of a deviation from a certain mass flow or flow range, the process can then be stopped, for example. If necessary, the nozzle setting can also be automatically tracked, so that a constant particle density distribution can be maintained via a corresponding control loop on the basis of the automated determination.
  • the method and the apparatus can be used very advantageously for laser beam buildup welding, in particular for quality assurance measures in production processes that use laser beam deposition welding.
  • One example is the repair of highly sensitive aerospace components. Due to the precise knowledge of the three-dimensional particle density distribution of the respective nozzle, it is also possible to model the build-up welding process so that the energy input by the nozzle passed through laser beam to melt the powder can be determined with higher accuracy.
  • the method and the device can also be used very advantageously in process development or in the development of nozzles.
  • the method and apparatus are also not limited to solid particles, such as laser cladding.
  • Particles in the present patent application are also understood to mean liquid particles in the form of droplets. Even for such jets can be the
  • the device for carrying out the method comprises a nozzle holder, a light source for
  • a camera Illumination of the jet generated by the nozzle through the nozzle or from the side, a camera, preferably a high-speed camera, and a control device.
  • the camera is arranged so that it can record reflected from the jet of optical radiation of the light source in the beam direction through the nozzle.
  • the control device controls imaging optics of the camera for imaging the individual layers and / or a displacement device, by means of which an optical beam of the light source used for illumination and the nozzle can be moved relative to one another, so that the camera images of the reflected optical radiation differ in chronological sequence Layers of the nozzle jet records.
  • the device also comprises an evaluation device, which consists of the recorded
  • the evaluation device includes suitable modules that perform the different process steps according to the proposed method.
  • Fig. L shows an example of a machining head for laser beam buildup welding, with which the proposed method
  • Fig. 2 shows an example of frames recorded with the high speed camera from different planes of the beam
  • Fig. 3 shows an example of the pictures
  • Fig. 5 shows another example of the
  • FIG. 1 shows an example of a processing head for the laser beam deposition welding of FIG
  • the processing head has a lateral Einkopplungs folkkeit for a processing laser 11, the laser beam 12 is focused through a dichroic mirror 13 through the powder nozzle 14 on a working plane.
  • Laser beam should have a lateral dimension that is slightly wider than the diameter of the nozzle exit orifice so that all the particles that make up the nozzle
  • Laser particles reflected by powder particles are detected by a high-speed camera 17 through the powder nozzle 14 and the dichroic mirror 13.
  • the line-shaped laser beam of the illumination laser 16 is moved stepwise along the powder gas jet so that films of the individual layers can be picked up by the high-speed camera 17.
  • a high frame rate of the high-speed camera 17 for example in the range of 3 kHz, preferably between 1 kHz and 5 kHz, the individual powder particles that illuminated the
  • Layer thickness or thickness of the linear beam profile can be, for example, in the range between
  • FIG. 2 shows individual images of the individual levels 1 to 10, in which the detected powder particles 18 can be recognized as bright spots or spots.
  • FIG. 3 shows the particle density distribution in the five planes determined by the method
  • the annular particle density distribution tapers from the nozzle exit to the focus in level 7 and then diverge again.
  • it can be checked whether the particle density distribution is uniform, whether the focus is located centrally under the nozzle and what diameter it has.
  • Particle density distribution of the powder gas jet are generated, as indicated in Figure 4. With the Method and the associated device can thus be fully characterize the powder gas jet.
  • FIG. 5 shows another example of the
  • Embodiment of the device for carrying out the method a CMOS camera is used as the high-speed camera 17, which captures an image of the layer of the powder gas jet 15 which is laterally illuminated by the illumination laser 16 via the imaging optical system 19.
  • the nozzle 14 is attached via an adapter 20 to the device.
  • the exiting from the nozzle 14 powder is collected via a collecting container 21.
  • the illumination laser 16 with a power supply 24 does not have one here
  • the nozzle 14 with the adapter 20, the imaging optics 19 and the camera 17 can be moved by a linear axis 22 in the beam direction, so that the contrast fixed illumination laser 16 detects different layers of the nozzle jet by displacement of the nozzle.
  • the contrast fixed illumination laser 16 detects different layers of the nozzle jet by displacement of the nozzle.
  • nozzle, adapter, imaging optics and camera fixed and the illumination laser 16 or a deflection device for the laser beam at a
  • FIG. 5 also shows a computer 23 which controls the control device for the linear axis 22 and the evaluation device for the camera 17 supplied by the camera 17
  • the powder density distributions of the different planes calculated by the computer from the images can, for example, be displayed on the screen of the computer 23, as shown in FIG. 5 also indicated.
  • the data obtained can also be used to display the number of counted particles or to calculate application-relevant characteristic values.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung der Partikeldichteverteilung im Strahl (15) einer Düse (14). Bei dem Verfahren wird der Strahl (15) von der Seite oder durch die Düse (14) hindurch mit einer Lichtquelle (16) beleuchtet und von den Partikeln reflektierte optische Strahlung durch die Düse (14) hindurch mit einer Kamera (17) erfasst. Mit der Kamera (17) werden dabei in zeitlicher Abfolge Bilder der reflektierten optischen Strahlung unterschiedlicher Schichten (1 - 10) des Düsenstrahls (15) aufgezeichnet, aus denen die Partikeldichteverteilung im Düsenstrahl (15) bestimmt werden kann. Mit dem Verfahren und der zugehörigen Vorrichtung lässt sich der Pulvergasstrahl einer Pulverdüse beim Laserstrahl-Auftragschweißen vollständig charakterisieren. Das Verfahren und die Vorrichtung ermöglichen eine reproduzierbare Justage der Düse in der jeweiligen Anwendung. Die ermittelte Partikeldichteverteilung kann sowohl zur Qualitätssicherung als auch zur Prozessmodellierung verwendet werden.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Erfassung einer
Partikeldichteverteilung im Strahl einer Düse
Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung einer Partikel - dichteverteilung im Strahl einer Düse zur Förderung von Mehrphasenströmungen (Pulver, Tröpfchen, ...) , wie sie bspw. beim Laserstrahl -Auftragschweißen eingesetzt wird .
Das Laserstrahl-Auftragschweißen hat sich als Verfahren zur Funktionalisierung von Oberflächen, zur Reparatur und Modifikation von Bauteilen sowie zur Herstellung von Neuteilen (Generieren) etabliert. Die wichtigsten Anwendungsgebiete umfassen den Maschinen- , Werkzeug-, Triebwerks- und Motorenbau. Beim Laserstrahl-Auftragschweißen wird ein pulverförmiger
Zusatzwerkstoff über eine Düse auf das Werkstück aufgebracht und mit dem Laserstrahl aufgeschmolzen, so dass er sich schmelzmetallurgisch mit dem Grundwerkstoff des Werkstücks verbindet. Hierbei kommt der
Pulverzufuhr über die Düse in das Schmelzbad eine entscheidende Bedeutung zu. Sie beeinflusst die
Erstarrungsbedingungen und damit die entstehende
Gefügestruktur, welche die mechanisch technischen
Eigenschaften festlegt. Desweiteren wird durch die Pulverzufuhr der Pulvernutzungsgrad, die Oxidation durch die umgebende Atmosphäre und die Rauheit der aufgetragenen Schicht maßgeblich bestimmt. Zur
Sicherstellung einer hohen Prozessqualität ist daher eine möglichst vollständige Charakterisierung des Pulvergasstrahls wünschenswert. Desweiteren stellt die Überlagerung von Pulvergasstrahl zum Laserstrahl eine wichtige Voraussetzung zur Erzielung eines guten
Prozessergebnisses dar.
Die beim Laserstrahl -Auftragschweißen eingesetzten Düsen für die Zufuhr des Zusatzwerkstoffes erzeugen ausgehend von der Düsenausgangsöffnung einen sich verjüngenden Pulvergasstrahl, der einen Fokus ausbildet und sich anschließend wieder aufweitet. Die Düsen lassen sich in der Regel verstellen, um den Fokusdurchmesser, die Pulververteilung im Strahl sowie die räumliche Position und Ausdehnung des Fokus vor der Düsenausgangsöffnung verändern zu können. Bei der
Einstellung bzw. Justage der Düse für die jeweilige
Anwendung wird der Pulvergasstrahl bisher von der Seite fotografiert und anschließend anhand der Aufnahme die Justage der Düse vorgenommen. Hierbei ist man auf die optische Kontrolle durch erfahrene Prozesseinrichter angewiesen, um eine zufriedenstellende Prozessqualität zu erreichen.
Die US 6,995,334 Bl beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung der Größe eines
Schmelzbades beim Laserstrahl-Auftragschweißen. Die Größe des Schmelzbades wird dabei mit einer Kamera durch die Düse hindurch erfasst.
Zekovic, S. et al . , "Experimental verification and Numerical Simulation of Gas Powder Flow From Radially Symmetrie Nozzles in Laser-based Direct Metal
deposition", International Journal of Machine Tools and Manufacture, Vol. 47, 2007, S.112-123, befassen sich mit der experimentellen Untersuchung des Durchflusses von Gas-Pulver-Gemischen aus radialsymmetrischen Düsen beim Laserstrahl -Auftragschweißen. Die Aufzeichnung von Schichten des Strahls erfolgt dabei mit einer Schicht- förmigen Beleuchtung und einer seitlich zur Düse angeordneten Kamera.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur
Erfassung der Partikeldichteverteilung im Strahl einer Düse anzugeben, die eine umfassende Charakterisierung der Düse bzw. des Düsenstrahls und damit eine
reproduzierbare Justage der Düse ermöglichen.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren sowie der
Vorrichtung gemäß den Patentansprüchen 1 und 12 gelöst . Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie der Vorrichtung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden
Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur Erfassung der Partikeldichteverteilung im Strahl einer Düse wird der Partikelstrahl von der Seite oder durch die Düse hindurch mit einer Lichtquelle beleuchtet und die von den Partikel reflektierte optische Strahlung der Lichtquelle durch die Düse hindurch mit einer Kamera, vorzugsweise einer Hochgeschwindigkeitskamera, erfasst. Durch die Kamera werden dabei in zeitlicher Abfolge Bilder der reflektierten optischen Strahlung
unterschiedlicher Schichten bzw. Ebenen des Strahls aufgezeichnet. Die Beleuchtung und/oder Aufzeichnung erfolgen somit derart, dass über die reflektierte
Strahlung jeweils nur Partikel einer Schicht des
Strahls deutlich in den Bildern der Kamera erkennbar sind bzw. von der Umgebung abgegrenzt werden können.
Durch Anwendung der Vorgehensweise bei allen relevanten Ebenen kann die 3D-Partikeldichteverteilung erfasst werden. Der Einsatz einer Hochgeschwindigkeitskamera ermöglicht sehr kurze Belichtungszeiten und damit ein scharfes Abbilden einzelner Pulverpartikel.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des
Verfahrens wird mit der Lichtquelle ein linienförmiges optisches Strahlprofil erzeugt, mit dem der Düsenstrahl seitlich beleuchtet wird. Das linienförmige optische Strahlprofil wird zur sequentiellen Beleuchtung der unterschiedlichen Schichten des Düsenstrahls eingesetzt, so dass durch die Kamera immer nur optische Reflexionen der Partikel erfasst werden, die sich in der gerade beleuchteten Schicht befinden. Der zur
Beleuchtung eingesetzte optische Strahl mit dem
linienförmigen Strahlprofil kann hierzu beispielsweise ausgehend vom Düsenausgang schrittweise von der Düse weg bewegt werden, wobei die jeweils beleuchtete
Schicht vorzugsweise jeweils senkrecht zur Strahlachse des Düsenstrahls liegt. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung wird das linienförmige optische Strahlprofil mit einem Laserstrahl erzeugt. Die Länge des linienförmigen Strahlprofils sollte dabei größer als der Durchmesser der Düsenausgangsöffnung sein, um den Düsenstrahl in seiner gesamten Breite zu erfassen. In einer weiteren Ausgestaltung kann der Düsen¬ strahl auch über einen größeren Bereich oder vollständig von der Seite oder koaxial zur Strahlrichtung durch die Düse hindurch beleuchtet werden. Die
selektive Aufzeichnung der Partikeldichteverteilung in den einzelnen Schichten erfolgt dann durch Einsatz einer geeigneten Optik vor der Kamera, mit der sich eine geringe Tiefenschärfe entsprechend der Dicke der jeweils zu erfassenden Schicht einstellen lässt. Durch Verschieben des Schärfepunktes bzw. Fokus dieser Optik in Strahlrichtung oder entgegen der Strahlrichtung des Düsenstrahls lassen sich dann die unterschiedlichen Schichten mit der Kamera nacheinander scharf abbilden. In beiden Ausgestaltungen sind in den einzelnen
Bildern dann die Reflexionen an den momentan in der jeweiligen Schicht vorhandenen Partikeln als weiße Punkte oder Flecken gegenüber einer dunkleren Umgebung zu erkennen. Bei Einsatz einer Hochgeschwindigkeits- kamera werden die einzelnen Partikel aufgrund der kurzen Belichtungszeiten scharf abgebildet. Die Anzahl und Positionen der Partikel in der jeweiligen Schicht zu diesem Zeitpunkt lassen sich dann durch einfache Bildverarbeitungsalgorithmen automatisiert bestimmen. Die Partikel können dabei bspw. durch ein einfaches
Schwellwertverfahren für die Helligkeitswerte der Pixel des Bildes automatisiert identifiziert werden.
Aus den bspw. circa 6000 Momentaufnahmen bzgl .
Position und Anzahl der Partikel in der Schicht wird eine Wahrscheinlichkeitsdichte für die Partikel
abgeleitet . Da diese Information für verschiedene
Abstände zum Düsenaustritt vorliegt ergibt sich insgesamt eine räumliche Partikeldichteverteilung. Bei längeren Belichtungszeiten lassen sich zwar nicht die die Anzahl und Position der einzelnen Partikel
ermitteln, aber man erhält eine Aussage über die
Häufigkeit von Partikeln an einzelnen Postionen im
Kamerabild während der Belichtungszeit. Hieraus lassen sich reduzierte Informationen zur Düsenjustage (z.B. Fokusposition) ableiten. Durch das Verfahren und die zugehörige Vorrichtung lässt sich damit die Partikeldichteverteilung im Düsenstrahl sowohl dreidimensional als auch in einzelnen Schichten visualisieren. Eine derartige Darstellung, bspw. im Querschnitt entlang der Strahlachse des
Düsenstrahls lässt sich dann auch zur Justage der Düse, d.h. beispielsweise zur Einstellung des Fokusdurchmessers oder zur Erzeugung einer möglichst gleichmäßigen Verteilung der Partikel an der gewünschten Stelle im Strahl, in der Regel beim Auftreffen auf das Werkstück, nutzen.
Das Verfahren und die Vorrichtung ermöglichen damit eine reproduzierbare Justage der Düse, insbesondere von Pulverdüsen für das Laserstrahl-Auftrag- schweißen, um damit gleichbleibende Bearbeitungs- ergebnisse zu gewährleisten. Auch bei der Übertragung eines Bearbeitungsprozesses von einer Bearbeitungsanlage zur anderen kann damit ein gleich bleibendes Bearbeitungsergebnis erreicht werden. Mit dem Verfahren und der Vorrichtung lässt sich jede Düse hinsichtlich der für die Anwendung wesentlichen Parameter charakterisieren. So lassen sich aus den erfassten Partikel - dichteverteilungen die Pulverstrahlparameter (insbesondere der Fokusdurchmesser und/oder der
Fokusabstand von der Düsenausgangsöffnung) einer
Mehrphasenströmung oder der Massendurchfluss (mit
Kenntnis der Korngrößenverteilung des Pulvers) durch die Düse bestimmen. Bei einer Darstellung der
ermittelten PulVerdichteverteilung in Echtzeit oder nahezu in Echtzeit, zweidimensional oder dreidimensional, lässt sich auch eine Online-Justage der Düse durchführen. Da eine möglichst gleichf rmige,
insbesondere räumlich rotationssymmetrische Partikeldichteverteilung im Düsenstrahl für die Qualität der meisten Prozesse wichtig ist, lassen sich durch eine automatisierte Auswertung die Anwendungsprozesse auch automatisiert überwachen. Bei einer Abweichung von einem bestimmten Massendurchfluss oder Durchflussbereich kann dann bspw. der Prozess gestoppt werden. Gegebenenfalls lässt sich die Düseneinstellung auch automatisiert nachführen, so dass über eine entsprechende Regelschleife auf Basis der automatisierten Bestimmung eine gleichbleibende Partikeldichteverteilung aufrechterhalten werden kann.
Das Verfahren und die Vorrichtung lassen sich dabei vor allem sehr vorteilhaft beim Laserstrahl- Auftragschweißen einsetzen, insbesondere für qualitätssichernde Maßnahmen in Fertigungsprozessen, die das Laserstrahl -Auftragschweißen nutzen. Ein Beispiel ist die Reparatur von hochsensiblen Komponenten aus der Luftfahrt. Durch die genaue Kenntnis der dreidimen- sionalen Partikeldichteverteilung der jeweiligen Düse lässt sich auch der Auftragschweißprozess modellieren, so dass die Energieeinbringung des durch die Düse hindurch geleiteten Laserstrahls zum Aufschmelzen des Pulvers mit höherer Genauigkeit bestimmt werden kann.
Das Verfahren und die Vorrichtung lassen sich auch bei der Prozessentwicklung oder bei der Entwicklung von Düsen sehr vorteilhaft einsetzen. Das Verfahren und die Vorrichtung sind auch nicht auf feste Partikel, wie beim Laserstrahl-Auftragschweißen, begrenzt. Unter Partikeln sind in der vorliegenden Patentanmeldung auch flüssige Partikel in Form von Tröpfchen zu verstehen. Auch für derartige Düsenstrahlen lassen sich das
Verfahren und die Vorrichtung in gleicher Weise
einsetzen . Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens umfasst eine Düsenhalterung, eine Lichtquelle zur
Beleuchtung des von der Düse erzeugten Strahls durch die Düse hindurch oder von der Seite, eine Kamera, vorzugsweise Hochgeschwindigkeitskamera, sowie eine Steuereinrichtung. Die Kamera ist dabei so angeordnet, dass sie aus dem Düsenstrahl reflektierte optische Strahlung der Lichtquelle in Strahlrichtung durch die Düse hindurch aufzeichnen kann. Die Steuereinrichtung steuert eine Abbildungsoptik der Kamera zur Abbildung der einzelnen Schichten und/oder eine Verfahreinrichtung, durch die ein zur Beleuchtung eingesetzter optischer Strahl der Lichtquelle und die Düse relativ zueinander bewegt werden können, so dass die Kamera in zeitlicher Abfolge Bilder der reflektierten optischen Strahlung unterschiedlicher Schichten des Düsenstrahls aufzeichnet . Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung auch eine Auswerteeinrichtung, die aus den aufgezeichneten
Bildern die Partikeldichteverteilung in den einzelnen Schichten sowie ggf. eine dreidimensionale Partikel - dichteverteilung und/oder Strahlparameter des Düsenstrahls bestimmt und in geeigneter Weise visualisiert. Die Auswerteeinrichtung umfasst dabei geeignete Module, die die unterschiedlichen Verfahrensschritte gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren durchführen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Das vorgeschlagene Verfahren und die zugehörige Vorrichtung werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals erläutert. Hierbei zeigen:
Fig. l ein Beispiel für einen Bearbeitungskopf zum Laserstrahl-Auftragschweißen, mit dem das vorgeschlagene Verfahren
durchgeführt werden kann;
Fig. 2 ein Beispiel für Einzelbilder, die mit der Hochgeschwindigkeitskamera von unterschiedlichen Ebenen des Strahls aufgezeichnet wurden;
Fig. 3 ein Beispiel für die aus den Bildern
bestimmte Partikeldichteverteilung in den einzelnen Ebenen;
Fig. 4 ein Beispiel für die Überlagerung der einzelnen Ebenen zu einer räumlichen Partikeldichteverteilung; und
Fig. 5 ein weiteres Beispiel für die
Ausgestaltung der vorgeschlagenen
Vorrichtung . Wege zur Ausführung der Erfindung
Figur 1 zeigt ein Beispiel für einen Bearbeitungs- köpf für das Laserstrahl -Auftragschweißen der zur
Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens ausgebildet ist und eine Ausgestaltungsmöglichkeit der vorgeschlagenen Vorrichtung darstellt. Der Bearbeitungskopf weist eine seitliche Einkopplungsmöglichkeit für einen Bearbeitungslaser 11 auf, dessen Laserstrahl 12 über einen dichroitischen Spiegel 13 durch die Pulverdüse 14 hindurch auf eine Bearbeitungsebene fokussiert wird. Der aus der Pulverdüse 14 austretende Pulvergasstrahl
15 wird von der Seite mit einem linsenförmigen Laser- strahl eines Beleuchtungslasers 16 beleuchtet. Der
Laserstrahl sollte eine laterale Abmessung haben, die etwas breiter als der Durchmesser der Düsenausgangs- Öffnung ist, damit alle Partikel, die die Düse
verlassen, durch den Laserstrahl in der jeweiligen Ebene bzw. Schicht beleuchtet werden. Das von den
Pulverpartikeln reflektierte Laserlicht wird von einer Hochgeschwindigkeitskamera 17 durch die Pulverdüse 14 und den dichroitischen Spiegel 13 hindurch erfasst . Der linienförmige Laserstrahl des Beleuchtungs- lasers 16 wird schrittweise entlang des Pulvergas- Strahls verfahren, so dass von der Hochgeschwindigkeitskamera 17 Filme der einzelnen Schichten aufgenommen werden können. Die einzelnen Schichten bzw. Ebenen (Ebenen l bis 10) , die mit dem Beleuchtungslaser
16 nacheinander beleuchtet werden, sind in der Figur schematisch angedeutet. Durch eine hohe Bildrate der Hochgeschwindigkeitskamera 17, bspw. im Bereich von 3 kHz, vorzugsweise zwischen 1 kHz und 5 kHz können die einzelnen Pulverpartikel, die den ausgeleuchteten
Bereich durchfliegen, in Anzahl und Position erfasst bzw. aufgezeichnet werden. Die jeweils erfasste
Schichtdicke bzw. Dicke des linienförmigen Strahl - profils kann dabei beispielsweise im Bereich zwischen
0.5 mm und 2 mm liegen.
Figur 2 zeigt Einzelbilder der einzelnen Ebenen 1 bis 10, in denen die erfassten Pulverpartikel 18 als helle Punkte bzw. Flecke zu erkennen sind. Durch
Aufzeichnung einer Vielzahl von Bildern jeder einzelnen Schicht bzw. Ebene, bspw. durch eine Aufzeichnung für eine Dauer von 5 s je Schicht, werden bei einer Bild- rate von 6 kHz 30000 Bilder jeder Schicht aufgezeichnet. Die einzelnen Partikel werden in jedem Bild hinsichtlich Anzahl und Position erfasst. Aus diesen Informationen jeder einzelnen Schicht wird die
Partikeldichteverteilung in jeder Schicht bzw. Ebene abgeleitet. Figur 3 zeigt hierzu die mit dem Verfahren bestimmte Partikeldichteverteilung in den fünf Ebenen
1, 3, 5, 7 und 9. Wie aus dieser Darstellung ersichtlich ist, verjüngt sich die ringförmige Partikeldichteverteilung ausgehend vom Düsenausgang bis zum Fokus in Ebene 7 und läuft dann wieder auseinander. Mit einer derartigen Darstellung lässt sich überprüfen, ob die Partikeldichteverteilung gleichmäßig ist, ob der Fokus zentral unter der Düse liegt und welchen Durchmesser er hat. Durch Übereinanderlegen der Verteilungen der einzelnen Schichten kann dann auch eine räumliche
Partikeldichteverteilung des Pulvergasstrahls erzeugt werden, wie dies in der Figur 4 angedeutet ist. Mit dem Verfahren und der zugehörigen Vorrichtung lässt sich somit der Pulvergasstrahl vollständig charakterisieren.
Figur 5 zeigt ein weiteres Beispiel für die
Ausgestaltung der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. In diesem Beispiel wird als Hochgeschwindigkeitskamera 17 eine CMOS-Kamera eingesetzt, die über die Abbildungsoptik 19 ein Bild der jeweils mit dem Beleuchtungslaser 16 seitlich beleuchteten Schicht des Pulvergasstrahls 15 erfasst . Die Düse 14 ist über einen Adapter 20 mit an der Vorrichtung befestigt. Die
Leitungen für die Pulverzufuhr sind nicht dargestellt. Das aus der Düse 14 austretende Pulver wird über einen Auffangbehälter 21 aufgefangen. Der Beleuchtungslaser 16 mit einem Netzteil 24 weist eine hier nicht
dargestellte Optik zur Erzeugung eines linienförmigen Strahlprofils auf. Die Düse 14 mit dem Adapter 20, der Abbildungsoptik 19 und der Kamera 17 ist über eine Linearachse 22 in Strahlrichtung verfahrbar, so dass der demgegenüber feststehende Beleuchtungslaser 16 durch Verschiebung der Düse unterschiedliche Schichten des Düsenstrahls erfasst . Selbstverständlich können hierbei auch Düse, Adapter, Abbildungsoptik und Kamera feststehend und der Beleuchtungslaser 16 oder eine Umlenkeinrichtung für den Laserstrahl an einer
entsprechenden Linearachse befestigt sein. Die Figur 5 zeigt weiterhin einen Computer 23, der die Steuereinrichtung für die Linearachse 22 sowie die Auswerteeinrichtung für die von der Kamera 17 gelieferten
Bilder bildet. Die von dem Computer aus den Bildern berechneten Pulverdichteverteilungen der unterschiedlichen Ebenen können bspw. am Bildschirm des Computers 23 dargestellt werden, wie dies in der Figur 5 ebenfalls angedeutet ist. Mit den gewonnenen Daten können auch die Anzahl der gezählten Partikel angezeigt oder anwendungsrelevante Kennwerte berechnet werden.
Bezugszeichenliste
1-10 Ebenen bzw. Schichten
11 Bearbeitungslaser
12 Laserstrahl des Bearbeitungslasers
13 dichroitischer Spiegel
14 Pulverdüse
15 Pulvergasstrahl
16 Beleuchtungslaser
17 Hochgeschwindigkeitskamera
18 Partikel
19 Abbildungsoptik
20 Adapter
21 Auffangbehälter
22 Linearachse
23 Computer
24 Netzteil

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur Erfassung einer
Partikeldichteverteilung im Strahl (15) einer Düse (14) , bei dem
- der Strahl (15) von der Seite oder durch die Düse (14) hindurch mit einer Lichtquelle (16) beleuchtet und
- die von Partikeln im Strahl (15) reflektierte optische Strahlung durch die Düse (14) hindurch mit einer Kamera (17) aufgezeichnet wird,
- wobei durch die Kamera (17) in zeitlicher Abfolge Bilder der reflektierten optischen Strahlung unterschiedlicher Schichten (1-10) des Strahls (15) aufgezeichnet werden.
Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Aufzeichnung der Bilder der unterschiedlichen Schichten (1-10) durch seitliche Beleuchtung des Strahls (15) mit einem linienförmigen optischen Strahlprofil erfolgt, mit dem die unterschiedlichen Schichten (1-10) selektiv in zeitlicher Abfolge beleuchtet werden.
Verfahren nach Anspruch 2 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die seitliche Beleuchtung mit einem
Laserstrahl erfolgt. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kamera (17) mit einer Optik (19)
nacheinander auf die unterschiedlichen Schichten (1-10) fokussiert wird, um die Bilder der
unterschiedlichen Schichten (1-10) aufzuzeichnen
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass aus den Bildern jeder Schicht (1-10) eine Verteilung der Partikel in der jeweiligen Schicht (1-10) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass aus der Verteilung der Partikel der unterschiedlichen Schichten (1-10) eine 3D-Verteilung der Partikel im Strahl (15) generiert wird.
Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass aus der 3D-Verteilung der Partikel im Strahl (15) Strahlparameter bestimmt werden, insbesondere Fokusdurchmesser und/oder Fokusabstand von der Düse (14) und/oder Massendurchfluss durch die Düse (14) .
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Verteilung der Partikel in der jeweiligen Schicht in Echtzeit ermittelt und für mindestens eine Schicht in Echtzeit an einem Bildschirm dargestellt wird. Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Verteilung der Partikel in der jeweiligen Schicht sowie die Strahlparameter in Echtzeit ermittelt und mindestens die Strahlparameter in Echtzeit an einem Bildschirm dargestellt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur wiederholten Qualitätsprüfung oder Justage während des Einsatzes der Düse (14) , insbesondere beim Laserstrahl-Auftragschweißen.
Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche zur Charakterisierung von Düsen (14) für das Laserstrahl-Auftragschweißen .
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Patentansprüche mit :
- einer Düse (14) ,
- einer Düsenhaiterung (20) ,
- einer Lichtquelle (16) zur Beleuchtung eines von der Düse (14) erzeugten Strahls (15) durch die Düse (14) hindurch oder von der Seite,
- einer Kamera (17) , die so angeordnet ist, dass sie von Partikeln im Strahl (15) reflektierte optische Strahlung durch die Düse (14) hindurch aufzeichnen kann, und
- eine Steuereinrichtung, die eine Abbildungsoptik (19) der Kamera (17) oder eine Verfahreinrichtung (22) , durch die ein zur Beleuchtung eingesetzter optischer Strahl der Lichtquelle (16) und die Düse (14) relativ zueinander bewegt werden können, so ansteuert, dass die Kamera (17) in zeitlicher Abfolge Bilder der reflektierten optischen Strahlung unterschiedlicher Schichten (1-10) des Strahls (5) aufzeichnet.
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