WO2023165924A1 - Cnc-maschine,antrieb, sowie verfahren zur bearbeitung eines werkstücks - Google Patents

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Abstract

Die Offenbarung betrifft eine CNC-Maschine zur additiven Fertigung mittels Laserschweißen. Die CNC-Maschine umfasst einen Werkstückträger (101), der auf einer Ebene in einer x-Achse und einer y-Achse bewegbar ist. Die CNC-Maschine umfasst zumindest zur Bewegung in der x-Achse zwei sich synchron bewegende Antriebe sowie eine sich gegenläufig bewegende Ausgleichsmasse.

Description

CNC-MASCHINE, ANTRIEB, SOWIE VERFAHREN ZUR BEARBEITUNG EINES WERKSTÜCKS
Beschreibung
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine CNC-Maschine. Insbesondere betrifft die Erfindung eine CNC- Maschine, welche für extremes Hochgeschwindigkeits-Laser-Auftragsschweißen (EHLA) verwendet wird. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks, insbesondere zur Herstellung von additiv erzeugten Strukturen auf einem bestehenden Werkstück.
Hintergrund der Erfindung
Beim extremen Hochgeschwindigkeits-Laser-Auftragsschweißen (EHLA) werden im Unterschied zum selektiven Laserschmelzen keine Partikel in einem Bad selektiv aufgeschmolzen. Beim EHLA- Verfahren wird vielmehr eine Düse verwendet, bei welcher ein zentraler Laserkanal vorhanden ist. Das zu verarbeitende Pulver wird über schräg in der Düse angeordnete Kanäle oder einen Ringkanal derart zugeführt, dass sich das austretende Pulver mit dem Laserstrahl kreuzt. Hierbei heizt sich das Pulver bis knapp an den Schmelzpunkt auf. Gleichzeitig wird über den Laser die Oberfläche des Werkstücks angeschmolzen, auf welche das Pulver trifft und dabei mit der Oberfläche verschweißt wird. Dieses Verfahren hat vor allen Dingen den Vorteil sehr hoher möglicher Vorschubgeschwindigkeiten, welche im Bereich von mehreren 100 m/min bei einer Schichtstärke von 25 pm liegen können. Hierdurch wird die Oberfläche des Werkstücks nur bis in eine geringe Tiefe erwärmt, wodurch thermisch induzierte Spannungen im Material reduziert werden.
Mit dem EHLA- Verfahren lassen sich auch ansonsten nicht schweißbare Metalle verarbeiten. Es sind geringe Schichtdicken, ein gasdichter Materialauftrag und eine amorphe Kristall Struktur möglich.
Neben der Beschichtung von Werkstücken eignet sich das EHLA- Verfahren daher auch zur additiven Fertigung von dreidimensionalen Strukturen. Besonders von Vorteil ist dabei, dass im Unterschied zum selektiven Laserschmelzen kaum Pulverreste entstehen, welche entsorgt oder aufbereitet werden müssen.
Problematisch beim EHLA- Verfahren, insbesondere, wenn dieses als additives Fertigungsverfahren verwendet wird, ist, dass aufgrund der geringen Schichtdicke hohe Vorschubgeschwindigkeiten nötig sind, um Bauteile mit angemessener Geschwindigkeit zu fertigen. Wie vorstehend beschrieben, hat das EHL A- Verfahren aber den Vorteil, dass dieses für sehr hohe Vorschubgeschwindigkeiten geeignet ist. Problematisch ist dabei allerdings, dass zumindest bei der Fertigung nicht rotationssymmetrischer Körper die hohen Vorschubgeschwindigkeiten auch entsprechend hohe Beschleunigungen beim Ändern der Bewegungsrichtung des zu fertigenden Werkstücks oder der verwendeten CNC-Maschine verursachen.
Die Offenlegungsschrift WO 2019/243418 Al (Erfinder Oliver Schulte) zeigt eine CNC- Maschine, welche drei Säulen umfasst, über die ein Werkstück auf drei Achsen bewegt werden kann. Mit einer derartigen CNC-Maschine lassen sich Geschwindigkeiten von mindestens 200 m/min und maximale Beschleunigungen von bis zu 50 m/s2 erreichen.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine CNC-Maschine, insbesondere zur Verwendung für das EHL A- Verfahren bereitzustellen, welche eine verbesserte Kinematik aufweist und mit welcher hohe Vorschubgeschwindigkeiten sowie hohe Beschleunigungen möglich sind und/oder bei der weitere Bearbeitungsköpfe für eine hybride Bauteilherstellung integriert werden können.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung wird bereits durch eine CNC-Maschine sowie durch ein Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks nach einem der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind dem Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der Beschreibung sowie den Zeichnungen zu entnehmen. Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung eine zur additiven Fertigung mittels Laserschweißen ausgebildete CNC-Maschine, umfassend einen Werkstückträger, der auf einer Ebene in einer x-Achse und einer y-Achse bewegbar ist, wobei die CNC-Maschine zur Bewegung in der x-Achse zumindest einen Antrieb umfasst, welcher an einem Schlitten angeordnet ist, der seinerseits über einen Gantry-Antrieb zur Bewegung in der y-Achse verfahrbar ist, wobei der Antrieb zur Bewegung in der x-Achse eine sich gegenläufig zu dem Antrieb bewegende Ausgleichsmasse umfasst, und wobei an dem Schlitten ein Antrieb angeordnet ist, über den der Werkstückträger um eine senkrecht zu einer x-y-Ebene stehende a-Achse drehbar ist, und wobei der Schlitten um zumindest 90° auf einer in oder parallel zu der x-y-Ebene liegenden c-Achse drehbar ist. Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur additiven Fertigung mittels Laserschweißen, insbesondere mittels einer CNC-Maschine wie vorstehend beschrieben, wobei das Werkstück über einen Antrieb für eine x-Achse zumindest in einer x- Richtung gegenüber einem Bearbeitungswerkzeug bewegt wird, wobei vor und/oder bei einem nötigen Richtungswechsel die Bewegung in x-Richtung zumindest teilweise durch die Kombination einer Drehung um eine senkrecht zu einer x-y -Ebene stehende a-Achse und eine Linearbewegung in y-Richtung ersetzt wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine CNC-Maschine, also eine Werkzeugmaschine, welche durch den Einsatz von Steuerungstechnik Werkstücke mit hoher Präzision fertigt und dabei insbesondere auch komplexe Formen herstellen kann.
Die CNC-Maschine ist insbesondere für ein additives Bearbeitungswerkzeug, insbesondere für einen Bearbeitungskopf nach dem EHL A- Verfahren vorgesehen. Im Sinne der Erfindung kann die CNC-Maschine aber auch für subtraktive Verfahren, insbesondere unter Verwendung eines Lasers, verwendet werden.
Die CNC-Maschine umfasst einen Werkstückträger, der auf einer Ebene in einer x- und einer y-Achse bewegbar ist. Bei der x-y-Ebene kann es sich insbesondere um eine horizontal ausgerichtete Ebene handeln.
Der Werkstückträger ist also linear in eine x-Richtung und linear in eine y-Richtung verfahrbar. Es ergibt sich somit eine x-y-Ebene, auf der der Werkstückträger verfahrbar ist. Die CNC-Maschine umfasst zur Bewegung entlang der x-Achse zumindest einen Antrieb. Dieser kann insbesondere als Linearmotor ausgebildet sein.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die CNC-Maschine zumindest zur Bewegung in der x-Achse zwei sich synchron bewegende Antriebe.
Diese Antriebe bewegen sich beim Verfahren synchron in die eine Richtung. Weiter umfasst die CNC-Maschine zumindest eine sich gegenläufig zu dem Antrieb zur Bewegung in x- Richtung bewegende Ausgleichsmasse.
Die Ausgleichsmasse der x-Achse bewegt sich in die entgegengesetzte Richtung wie der W erkstückträger .
Die CNC-Maschine kann auch eine Ausgleichsmasse für die Bewegung in y-Richtung umfassen. Die Ausgleichsmasse der y-Achse bewegt sich im Winkel von 90° zur x-Achse, entgegengesetzt zur Bewegung der y-Achse in y-Richtung.
Hierdurch werden Beschleunigungs- und Bremskräfte zumindest teilweise gegeneinander aufgehoben und so hohe Beschleunigungen und Geschwindigkeiten schwingungsarm ermöglicht. Die zumindest eine Ausgleichsmasse der x-Achse und/oder der y-Achse hat gemäß einer Ausführungsform der Erfindung eine Masse, die der des Werkstückträger nebst den mit dem Werkstückträger gekoppelten Komponenten des Antriebs +/- 70 %, vorzugsweise +/- 50 %, entspricht.
Die CNC-Maschine hat gemäß einer bevorzugten Ausführungsform zwei Ausgleichsmassen. Einmal für die x-Achse als Gegenpol zu Werkstückträger und Produkt. Das andere Mal die y- Achse mit einem Gegengewicht in Höhe des Gewichtes der gesamten x-Achse ggf. inklusive der Drehachse a des Werkstückträgers (nachfolgend beschrieben).
Die CNC-Maschine umfasst insbesondere eine schnelle x-Achse. Diese kann vorzugsweise den Werkstückträger mit mindestens 50 m/s2, insbesondere mit 50 - 200 m/s2 beschleunigen. Es sind Vorschubgeschwindigkeiten von zumindest 100 m/min, insbesondere von 100 - 400 m/min, möglich.
Bei den sich synchron bewegenden Antrieben kann es sich insbesondere um Linearmotoren handeln.
Es ist insbesondere vorgesehen, Linearmotoren zu verwenden, bei denen jeweils der Sekundärteil bewegt wird. Der Sekundärteil umfasst den oder die Permanentmagneten und ist, insbesondere über eine Platte und/oder ein Innengehäuse, mit dem Werkstückträger direkt oder über Elemente zur Kraftübertragung indirekt verbunden.
Insbesondere kann der Sekundärteil über zumindest einen Riemen mit dem Werkstückträger verbunden sein.
Über einen als Langstator ausgebildeten Primärteil kann der Sekundärteil und damit der Werkstückträger bewegt werden.
Der Langstator kann in Segmente aufgeteilt sein. So kann, falls eine Bewegung nicht über die gesamte Länge der Achse erforderlich ist, zumindest ein Segment abgeschaltet werden. Es ist so ein energiesparender Betrieb möglich.
Die synchrone Bewegung der Antriebe kann insbesondere über ein Zugmittelgetriebe bereitgestellt werden.
Das Zugmittelgetriebe kann beispielsweise als zumindest ein Riemen, insbesondere Zahnriemen, und/oder als umlaufendes Band ausgebildet sein.
Die Linearmotoren greifen dabei jeweils an einer Seite des Zugmittelgetriebes und die Ausgleichsmasse an einer gegenüberliegenden Seite an, insbesondere oben und unten. So dient die dem Werkstückträger gegenüberliegende Seite des Zugmittels als Ausgleichmasse für den Werkstückträger, wodurch durch gegenläufig bewegte Massen Kräfte aus Beschleunigungs- und/oder Bremsvorgängen zumindest teilweise gegeneinander aufgehoben werden.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung sind die Antriebe von einem sich mit dem Werkstückträger bewegenden Band umschlossen. Es kann sich insbesondere um ein Metallband, insbesondere aus einem Federstahl, handeln.
Das Band kann als Zugmittel oder Teil eines Zugmittels und gleichzeitig als Einhausung zumindest für die Komponenten des x- und/oder y-Achsenantriebs dienen.
Insbesondere kann das Band auf einem, vorzugsweise zwei Riemen, insbesondere Zahnriemen, laufen.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist der Werkstückträger um eine senkrecht zur x-y- Ebene stehende a- Achse drehbar.
Der Werkstückträger kann insbesondere als Drehteller ausgebildet sein.
Der hierfür verwendete Antrieb kann insbesondere zwischen den sich synchron bewegenden Antrieben angeordnet sein. Insbesondere kann der Antrieb innerhalb des Zugmittels angeordnet sein, z.B. in einem Innengehäuse, welches in x-Richtung verfahrbar ist. Vorzugsweise handelt es sich bei diesem Antrieb für die im Sinne der Erfindung als a-Achse bezeichneten Antrieb um einen Torque-Antrieb. Mit einem Torque- Antrieb lassen sich ebenfalls recht hohe Beschleunigungen und damit eine hohe Geschwindigkeit erreichen. Die sich synchron bewegenden Antriebe können, wie es gemäß einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen ist, Teil eines Schlittens sein, der seinerseits über einen Antrieb für die y-Achse bewegbar ist.
Es ist insbesondere vorgesehen, dass das Kernstück der CNC-Maschine durch einen Schlitten mit einem Zugmittelgetriebe gebildet wird, welcher einen Antrieb für die x-Achse aufweist. Der Schlitten kann des Weiteren den Antrieb für die a-Achse umfassen.
Der Schlitten selbst wiederum kann, vorzugsweise an zwei gegenüberliegenden Seiten, über beispielsweise einen Arm mit einem Antrieb für die y-Achse verbunden sein.
Beim Verfahren über die y-Achse bewegt sich also der gesamte Schlitten in y-Richtung. Mit dem Antrieb für die y-Achse lassen sich so nur geringere Beschleunigungen und Geschwindigkeiten erreichen, als mit dem Antrieb für die x-Achse.
Die y-Achse hat größere Lasten zu bewegen als die x-Achse. Schon das Eigengewicht ist deutlich höher. Der Vorteil eines Gantry-Systems für die y-Achse mit zwei Antriebssträngen ist die höhere Systemleistung. Allerdings ist der Energieaufwand um ein Vielfaches höher als bei der x-Achse. Deswegen sollte hauptsächlich die x-Achse schnelle Bewegungen des Werkstücks durchführen. Durch die zusätzliche a- Achse kann der Werkstückträger so gesteuert werden, dass eine Bearbeitung überwiegend durch Bewegung auf der x-Achse erfolgen kann.
Bei dem y-Antrieb kann es sich insbesondere um einen Gantry-Antrieb handeln. Die gegenüberliegenden y-Antriebe können insbesondere als Linearmotoren, vorzugsweise mit einem sich bewegenden Sekundärteil, ausgebildet sein.
Eine z- Achse im Sinne der Erfindung wird gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dadurch bereitgestellt, dass ein Träger für ein Bearbeitungswerkzeug, insbesondere einen Laser, entlang einer senkrecht zur x-y-Ebene stehenden z-Achse verfahrbar ist. Die z-Achse kann insbesondere vertikal angeordnet sein.
Die z-Achse dient beispielsweise dazu, den Laser nach und nach hochzufahren, wenn schichtweise über ein additives Verfahren ein Werkstück hergestellt wird. Die an der z-Achse auftretenden Beschleunigungen und Geschwindigkeiten sind daher geringer als bei den anderen vorstehend beschriebenen Achsen der CNC-Maschine.
Im Sinne einer hybriden Bearbeitung können weitere Bearbeitungsköpfe entweder auf einem positionierbaren Schlitten zusammen mit dem ersten Bearbeitungskopf oder auf unabhängig bewegbaren Schlitten angebracht werden. Diese können insbesondere ein Bearbeitungswerkzeug mit einem Schweißkopf, eine Schneidkopf und/oder Polierkopf umfassen. Die Schlitten mit den darauf montierten Bearbeitungsköpfen sind angetrieben oder manuell verstellbar, sind vorzugsweise parallel zur x-Achse bewegbar und an einer festen Arbeitsposition fixierbar.
Weiterhin ist es möglich, Schlitten mit Antrieben und den darauf montierten Bearbeitungsköpfen auf dem zu der x-Achse parallelem Fahrweg in die Bearbeitung eines Werkstückes synchron mit einzubeziehen.
So kann eine Addition der Geschwindigkeiten in x-Richtung bei gegenläufigen Bewegungen erfolgen. Die Geschwindigkeit wird erhöht, was insbesondere bei der Bearbeitung großer Werkstücke Vorteile hat.
Weiterhin können mehrere Bearbeitungsköpfe in unterschiedliche Arbeitspositionen gebracht werden, um verschiedene Arbeitsschritte nur durch Bewegung des x-Schlittens in die jeweilige Arbeitsposition zu ermöglichen. Dies kann insbesondere bei der Fertigung von Serienteilen deutliche Reduzierungen der Durchlaufzeit mit sich bringen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung betrifft diese eine CNC-Maschine, insbesondere mit einem oder mehreren vorstehend beschriebenen Merkmalen.
Die CNC-Maschine umfasst einen Werkstückträger, der auf einen Schlitten entlang einer x- und einer y-Achse bewegbar ist, wobei die y-Bewegung durch eine Bewegung des Schlittens selbst erzeugt wird. Gemäß der Erfindung ist der Werkstückträger um eine senkrecht zu einer x-y-Ebene stehende a-Achse drehbar.
Über die zusätzliche a-Achse ist es möglich, das Werkstück zu drehen, während es auf der x- Achse verfahren wird. Die gegenüber den anderen Achsen schnellere x-Achse kann so bevorzugt verwendet werden, um beispielsweise eine Partikelspur aufzuschweißen.
Es ist aber weiter auch möglich, eine Bewegung in x-Richtung zumindest teilweise durch eine überlagerte Drehung um die a-Achse mit einer Bewegung entlang der y-Achse zu ersetzen. Im Sinne der Erfindung wird zwischen einer Bewegung in x- oder y-Richtung und einem Verfahren entlang der x- oder y-Achse unterschieden. Der x-Antrieb bewegt sich also immer in x-Richtung und der y-Antrieb immer in y-Richtung.
Eine Bewegung des Werkstücks in x-Richtung ist aber auch möglich, indem sich der Werkstückträger entlang der a-Achse dreht und die sich hierdurch normalerweise ergebene Kreisbahn durch ein entsprechend gesteuertes Verfahren des Antriebs für die y-Achse kompensiert wird.
Die Bewegung in x-Richtung über die a- und y-Achse ermöglicht es, den Antrieb für die x- Achse während dieser Ersatzbewegung zu beschleunigen oder abzubremsen, ohne dass sich die Vorschubgeschwindigkeit ändert.
So kann beispielsweise der x-Antrieb vor Erreichen einer Stelle, an welcher eine Änderung der Bewegungsrichtung erforderlich ist, abgebremst werden.
Dem Antrieb für die a-Achse kommt dabei zugute, dass dieser, sofern er insbesondere in dem Schlitten für die x-Achse integriert ist, gegenüber den anderen Antrieben (mit Ausnahme des Antriebs für die z-Achse) die geringste Masse zu bewegen hat. Insbesondere als Torque- Antrieb ausgestaltet, kann der Antrieb für die a-Achse hohe Beschleunigungen und Geschwindigkeiten erzielen.
Die Erfindung betrifft des Weiteren einen Antrieb, insbesondere für vorstehend beschriebene CNC-Maschine.
Der Antrieb umfasst einen Schlitten, auf dem ein Werkstückträger entlang einer x-Achse linear bewegbar ist. Der Schlitten ist dabei von einem sich mit dem Werkstückträger bewegenden Band umschlossen, welches vorzugsweise als Zugmittel dient.
Weiter ist in dem Schlitten ein Antrieb angeordnet, um den Werkstückträger um eine a-Achse zu rotieren.
Der Antrieb kann insbesondere des Weiteren so ausgestaltet sein, wie dies vorstehend unter Bezugnahme auf die CNC-Maschine beschrieben wurde.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren, bei dem die vorstehend beschriebene CNC- Maschine verwendet wird.
Das Werkstück wird insbesondere mittels eines Laser-Auftrags-Schweißverfahrens bearbeitet. Das Werkstück wird dabei über einen Antrieb für eine x-Achse zumindest in einer x-Richtung gegenüber einem Bearbeitungswerkzeug, insbesondere einem Laser, bewegt.
Gemäß der Erfindung wird vor und/oder bei einem nötigen Richtungswechsel die Bewegung in x-Richtung durch den Antrieb für die x-Achse zumindest teilweise durch die Kombination einer Drehung um eine senkrecht zu einer y-x- stehende a-Achse und eine Linearbewegung in y-Richtung ersetzt.
Während dieser Ersatzbewegung kann der x-Antrieb beschleunigt oder abgebremst werden, vorzugsweise, ohne dass sich hierbei die Vorschubgeschwindigkeit ändert.
Die gegenüber den anderen Achsen schnellere x-Achse kann so bevorzugt für das Erreichen der gewünschten Vorschubgeschwindigkeit verwendet werden.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens ist es insbesondere möglich, dass das Bearbeitungswerkzeug auch beim Ändern der Bewegungsrichtung insbesondere um zumindest 30°, vorzugsweise um 90°, das Werkstück bearbeitet.
Im Sinne der Erfindung ist es aber auch möglich, dass insbesondere bei abrupten Änderungen der Bewegungsrichtung das Werkstück an dem Bearbeitungswerkzeug vorbeifährt.
Dabei kann beispielsweise der Laser zeitweise abgeschaltet werden und der Antrieb insbesondere für die x-Achse kann abgebremst und in Gegenrichtung beschleunigt werden. Der Laser wird sodann wieder angeschaltet, wenn das Werkstück ggf. durch den Antrieb für die a-Achse in die richtige Orientierung gebracht in die Bearbeitungszone zurückkehrt.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein CNC-Maschine, insbesondere mit vorstehend beschriebenen Merkmalen.
Die CNC-Maschine umfasst einen Werkstückträger, der entlang einer x-Achse und einer y- Achse auf einer x-y-Ebene bewegbar ist, wobei der Werkstückträger auf einer parallel zur x- y-Ebene, insbesondere in der x-y-Ebene liegenden c-Achse, verschwenkbar ist.
Insbesondere ist der Werkstückträger um 180° schwenkbar, wobei auf einer dem Werkstückträgen gegenüberliegenden Seite ein weiterer Werkstückträger angeordnet ist. Die CNC-Maschine verfügt also insbesondere über eine Schwenkachse c, mit der sich die x- Achse mit der am Schlitten montierten a-Achse um eine Drehachse, also der x-a-Antrieb, parallel zur Fahrrichtung der x-Achse drehen lässt. Es sind vorzugsweise Schwenkwinkel von zumindest +/-900, insbesondere von +185° bis -185°, möglich. Über die C-Achse kann das Werkstück auf die Seite gedreht und an der Seite bearbeitet werden.
Die c-Achse kann durch drehbare Lagerungen der Verbindungsstücke der x-a-Achse zu den Schlitten der y-Achsen und durch rotative Motoren, vorzugsweise Torque-Motoren, an mindestens einer Seite der x-a-Achse ausgebildet sein.
Es kann der gesamte x-a-Antrieb sozusagen auf den Kopf gedreht werden.
Mit einer Drehung der c-Achse um 180° lässt sich so z.B. eine Schlittenplatte des x-a- Antriebs, welche als Gegengewicht dient, in die Bearbeitungsposition drehen und ermöglicht eine zweite Bearbeitungsplattform.
Weiter kann auch die c-Achse in den Bewegungsablauf beim Bearbeiten eines Werkstücks integriert werden. So kann je nach Bearbeitungspunkt der Abstand des Kopfes des Bearbeitungswerkzeugs vom Werkstück auch über die c-Achse verändert werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Der Gegenstand der Erfindung soll im Folgenden bezugnehmend auf ein Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnungen Fig. 1 bis Fig. 12 näher erläutert werden.
Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen CNC-Maschine.
Fig. 2 zeigt die CNC-Maschine mit abgenommener Einhausung.
Fig. 3 bis Fig. 5 sind perspektivische Ansichten der Antriebskomponenten für die y-Achse.
Fig. 6 zeigt den als Schlitten ausgebildeten Antrieb für die x- und a-Achse.
Fig. 7 Fig. 8 sind perspektivische Ansichten des x-a-Antriebs ohne das Band und die Sei ten wände.
Fig. 9 ist ein mittiger Querschnitt des x-a-Antriebs.
Bezugnehmend auf die schematische Darstellung gemäß Fig. 10 bis Fig. 12 werden die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht einer CNC-Maschine 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Die CNC-Maschine 10 umfasst ein Gehäuse 11. Durch das Gehäuse 11 kann beispielsweise eine Absaugung, eine Inert-Gas-Atmosphäre und/oder ein Explosionsschutz bereitgestellt werden. Die CNC-Maschine 10 umfasst einen Werkstückträger 101, welcher mittels der CNC- Maschine 10 relativ zu einem Bearbeitungswerkzeug 12b verfahren wird.
In dieser Darstellung sind insgesamt drei Bearbeitungswerkzeuge 12a - 12c vorhanden. Die Bearbeitungswerkzeuge 12a - 12c können beispielsweise einen Laser und eine Partikelzufuhr zum Laser-Auftragsschweißen umfassen.
Das Bereitstellen mehrerer Bearbeitungswerkzeuge 12a - 12c ermöglicht eine vielseitige Verwendung der CNC-Maschine 10. Insbesondere können beispielsweise mittels der verschiedenen Bearbeitungswerkzeuge 12a - 12c unterschiedliche Materialien additiv auf ein Werkstück aufgebracht werden.
Fig. 2 zeigt die CNC-Maschine 10, wobei nunmehr das Gehäuse abgenommen ist.
Die verschiedenen Bewegungsachsen sind eingezeichnet.
Die CNC-Maschine 10 umfasst als zentrale Komponente einen x-a- Antrieb 100. Der x-a- Antrieb 100 ist als Schlitten ausgebildet, auf dem der Werkstückträger 101 angeordnet ist. Über den Schlitten selbst kann der Werkstückträger 101 in x-Richtung verfahren werden. Weiter ist der Werkstückträger 101 um die vertikal ausgerichtete a- Achse drehbar.
Die Bewegung in y-Richtung wird durch den als Gantry-Antrieb ausgebildeten y-Antrieb 200 ermöglicht.
Die x-y-Ebene ist in diesem Ausführungsbeispiel eine Horizontalebene.
Der y-Antrieb 200 verfährt den gesamten als Schlitten ausgebildeten x-a- Antrieb 100 in y- Richtung.
Eine Bewegung des Werkstücks relativ zum Bearbeitungswerkzeug 12a - 12c entlang der z- Achse wird dadurch bereitgestellt, dass die Bearbeitungswerkzeuge 12a - 12c entlang der z- Achse linear verfahrbar sind.
Es befinden sich des Weiteren mehrere Bearbeitungswerkzeuge 12a - 12c verschiebbar auf einer Schiene 13, so dass von der CNC-Maschine 10 diese alternativ verwendet werden können, ohne dass ein Austausch gegen ein anderes Werkzeug nötig ist.
Weiter ist der y-Antrieb 200 jeweils über einen c-Antrieb 300 mit dem x-a-Antrieb 100 gekoppelt.
Über den c-Antrieb kann der x-a-Antrieb verschwenkt, insbesondere derart umgedreht werden, dass der Werkstückträger 101 nach unten zeigt.
Auf der dem Werkstückträger 101 gegenüberliegenden Seite des x-a-Antriebs 100 kann ein weiterer Werkstückträger angeordnet werden. Dieser weitere Werkstückträger kann als Ausgleichsmasse dienen. Zudem kann auch die c- Achse zur Bewegungssteuerung des Werkstücks gegenüber dem jeweiligen Bearbeitungswerkzeug 12a - 12c verwendet werden.
Der Werkstückträger 101 kann also über die x-,y- und z- Achse linear relativ zum Bearbeitungswerkzeugs 12b verfahren werden.
Die a- Achse ist eine Drehachse, vorzugsweise um eine Mittelachse des Werkstückträgers 101. Die c-Achse ist eine Schwenkachse die parallel zur x-y-Ebene liegt. In diesem Ausführungsbeispiel verläuft die c-Achse parallel zur x- und senkrecht zur y-Achse.
Der x-a- Antrieb kann über die c-Achse um 180° gedreht werden.
Die Bearbeitungswerkzeuge 12a - 12c umfassen in diesem Ausführungsbeispiel eine Laserdüse 14, über die ein Pulver, insbesondere ein Metallpulver, mittels Laser- Auftragsschweißen auf das Werkstück aufgebracht werden kann.
Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht einer Seite des y-Antriebs 200, und zwar von der linken Seite in Fig. 2.
Der y-Antrieb 200 ist als Linearmotor ausgebildet. Dieser umfasst den Primärteil 201. Der über den Primärteil 201 bewegte Sekundärteil 202 ist mit einem Riemen 203 verbunden.
Der Riemen 203 ist über Umlenkrollen 204 mit dem in Fig. 4 dargestellten c-Antrieb 300 gekoppelt.
Fig. 4 zeigt die Fig. 3 gegenüberliegende Seite des y-Antriebs 200.
Sekundärteil 202 sowie c-Antrieb 300 und die mit dem c-Antrieb 300 gekoppelten Komponenten verfahren mithin gegenläufig, wenn sich der y-Antrieb bewegt.
Der c-Antrieb und der mit dem c-Antrieb verbundene Schlitten mit dem a-x-Antrieb verfahren also aufgrund der Kopplung über den Riemen 203 in die entgegengesetzte Richtung. Die sich so zumindest teilweise aufhebenden Beschleunigungskräfte reduzieren die durch den c- Antrieb verursachten Schwingungen.
Der c-Antrieb 300 ist als Schlitten ausgebildet, welcher in den Schienen 205 läuft und welcher über den Riemen 203 bewegt wird. So wird eine Bewegung entlang der y-Achse bereitgestellt. Der Schlitten des c-Antriebs bewegt sich gegenläufig zum Sekundärteil des y- Antriebs (202 in Fig. 3).
Auf dem so als Schlitten ausgebildeten c-Antrieb 300 befindet sich ein Schwenkantrieb 302, über den ein Verbindungsarm 301 verschwenkt werden kann, um den x-a-Antrieb umzudrehen. Der Antrieb der c-Achse ist in diesem Ausführungsbeispiel zugleich Lagerung und Antrieb. Der Schwenkantrieb 302 muss keine größeren Geschwindigkeiten erreichen. Der Schwenkantrieb 302 kann daher beispielsweise als Elektromotor mit einem Getriebe oder als Torque-Motor oder anderer Direktantrieb ausgebildet sein.
Fig. 5 ist eine perspektivische Ansicht des y-Antriebs 200 der rechten Seite gemäß Fig. 2. Dieser ist entsprechend gespiegelt wie der Antrieb gemäß Fig. 4 ausgebildet.
Fig. 6 ist eine perspektivische Ansicht des x-a- Antriebs 100. Der x-a- Antrieb 100 ist als Schlitten ausgebildet und umfasst auf einer Oberseite den Werkstückträger 101.
Der Schlitten wird aus den Seitenwänden 103 und dem umlaufenden Band 102 gebildet. Umlaufendes Band 102 und Seitenwände 103 bilden ein im Wesentlichen geschlossenes Gehäuse, indem sich der a- Antrieb für den Werkstückträger 101 befindet. Zwischen dem umlaufenden Band 102 und den Seitenwänden 103 kann eine Dichtung, beispielsweise eine Filzdichtung, angeordnet sein (nicht dargestellt).
Das umlaufende Band 102 bewegt sich zusammen mit dem Werkstückträger 101 in x- Richtung.
Fig. 7 zeigt den x-a- Antrieb 100 in einer perspektivischen Ansicht ohne das Band und die Sei ten wände.
Der x-a- Antrieb umfasst Linearmotoren mit den Sekundärteilen 104, welche gegenüberliegend auf beiden Seiten des Schlittens angeordnet sind.
Die Sekundärteile 104 verfahren synchron.
Eine Platte 118 mit dem drehbaren Werkstückträger 101 ist mit den Sekundärteilen verbunden. Die Platte 118 ist Teil eines Innengehäuses (113 in Fig. 9), welches auf den Schienen 116 in x-Richtung verfahren wird.
Weiter ist der Werkstückträger mit zwei Riemen 105 verbunden, welche parallel zueinander über die Rollen 106 laufen. Die Rollen 106 können als Zahnrad ausgebildet sein. Auf den Rollen 106 kann jeweils ein Riemen 105 laufen, der seinerseits das Band (102 in Fig. 6) führt. Die Riemen 105 können als Zahnriemen ausgebildet sein.
Die Primärteile 112 für den x-Antrieb sind jeweils als Langstator ausgebildet und erstrecken sich jeweils von Rolle 106 zu Rolle 106.
Zwischen den Linearmotoren mit den Sekundärteilen 104 ist der Torque- Antrieb für die a- Achse angeordnet. Ein Kabelbaum 107 für den Torque- Antrieb erstreckt sich ebenfalls zwischen den beiden Linearmotoren.
Fig. 8 ist eine weitere perspektivische Ansicht des x-a- Antriebs 100.
Die Riemen 105 dienen als Zugmittel und erstrecken sich um die Rollen 106. Auf der dem Werkstückträger 101 gegenüberliegen Seite ist eine Ausgleichsmasse 117 angeordnet.
Die Ausgleichsmasse 117 ist mit den Riemen 105 verbunden.
Wird der Werkstückträger 101 mit den Sekundärteilen 104 in x-Richtung verfahren, so bewegt sich die Ausgleichsmasse 117 in Gegenrichtung und dient als Gegengewicht. Da der Schlitten über die c- Achse um 180° gedreht werden kann, kann die Ausgleichsmasse auch funktionelle Komponenten, wie z.B. einen weiteren Werkstückträger (nicht dargestellt) umfassen.
Fig. 9 ist ein mittiger Querschnitt des x-a- Antriebs 100.
Randseitig sind die beiden Linearmotoren des Antriebs angeordnet, welche jeweils einen Sekundärteil 104 und einen Primärteil 112 umfassen.
Der Primärteil 112 ist als Langstator ausgebildet. Der Primärteil 112 ist an der Außenseite eines Innengehäuses 113 montiert.
Der Sekundärteil 104 ist jeweils mit der Platte 118 verbunden, auf der der Werkstückträger 101 angeordnet ist.
Die Sekundärteile 104 werden auf den Schienen 109 geführt. Die Sekundärteile sind mit dem Innengehäuse verbunden, welches über die Platte 118 auf den Schienen 116 geführt ist. Die Schienen 116 und 119 stehen im Querschnitt senkrecht zu einander. Als Freiheitsgrad verbleibt für das Innengehäuse 113 nebst Sekundärteilen 114 und Werkstückträger 101 nebst a-Antrieb die senkrecht zur Querschnittsebene ausgerichtete x-Achse.
Das Innengehäuse 113 bildet einen Raum 114, welcher der Aufnahme des Torque- Antriebs 108 für die a- Achse dient.
Über den Torque- Antrieb 108 wird der Werkstückträger 101 um seine Mittelachse bewegt. Das Lager 110 ist hierzu als Drehlager ausgebildet. Beim Verfahren des Werkstückträgers 101 bewegt sich der Torque- Antrieb 108 im Innengehäuse 113 in x-Richtung.
Die auf der dem Werkstückträger 102 gegenüberliegenden Seite angeordnete Ausgleichsmasse 117 ist mit den Riemen 105 verbunden und verfährt gegenüber den Sekundärteilen in die entgegengesetzte Richtung.
Fig. 10 bis Fig. 12 illustriert anhand einer schematischen Darstellung die Verfahrensschritte gemäß einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In Fig. 10 schematisch dargestellt, ist der Werkstückträger 101, welcher über dem x-a-Antrieb in x-Richtung verfahren wird.
Der Arbeitspunkt 15 eines Bearbeitungswerkzeugs, wie beispielsweise eines Werkzeugs zum Laser-Auftragsschweißen, bewegt sich mithin auf dem Werkstück relativ zum Werkstück in entgegengesetzter Richtung. In diesem Illustrationsbeispiel soll eine quadratische Form 16 auf dem Werkstück entlanggefahren werden.
Wenn sich der Arbeitspunkt der Ecke der Form 16 nähert, müsste bei einer reinen Bewegung über die x- und y-Achse der x-Antrieb gestoppt und sodann in y-Richtung verfahren werden. Dies würde zu unerwünschten Schwankungen in der Vorschubgeschwindigkeit führen. Weiter ist ein derart abruptes Abbremsen von einer hohen Vorschubgeschwindigkeit kaum möglich. Daher wird, wie in Fig. 11 illustriert, die Bewegung des Werkstücks und damit die Bewegung des Arbeitspunktes 15 in x-Richtung zumindest teilweise durch eine überlagerte Drehung entlang der a-Achse und eine Bewegung entlang der y-Achse ersetzt. Die Bewegung entlang der x-Achse kann nunmehr abgebremst werden.
Das Werkstück wird gedreht und wird sodann, wie in Fig. 12 dargestellt, wiederum weiter über den x-Antrieb verfahren, um die nächste Seite des Quadrats fertigzustellen.
Dies ermöglicht zum einen die überwiegende Verwendung der gegenüber den anderen Achsen schnelleren x-Achse. Zum anderen können Abbrems- und Beschleunigungsvorgänge des x-Antriebs verlangsamt bzw. die Vorschubgeschwindigkeit gleichmäßiger gestaltet werden.
Statt einem Richtungswechsel am Umkehrpunkt kann auch das Bearbeitungswerkzeug mit Verlassen der Kontur der Form 16 ausgeschaltet werden. Das Abbremsen der Bewegung in x- Richtung und das Drehen über die a-Achse können dabei mit abgeschaltetem Bearbeitungswerkzeug außerhalb der Kontur der Form 16 durchgeführt werden.
Durch die Erfindung konnte eine flexibel zu verwendende CNC-Maschine bereitgestellt werden, welche insbesondere sehr hohe Vorschubgeschwindigkeiten ermöglicht.
Bezugszeichenliste
10 CNC-Maschine
11 Gehäuse
12a- 12c B earb eitungswerkzeug
13 Schiene
14 Laserdüse
15 Arbeitspunkt
16 Form
100 x-a- Antrieb
101 Werkstückträger
102 Band
103 Sei ten wand
104 Sekundärteil
105 Riemen
106 Rolle
107 Kabelbaum
108 Torque- Antrieb
109 Führungsschiene
110 Lager
112 Primärteil
113 Innengehäuse
114 Raum
116 Schiene
117 Ausgleichsmasse
118 Platte
200 y-Antrieb
201 Primärteil
202 Sekundärteil
203 Riemen
204 Umlenkrolle
205 Schiene
300 c- Antrieb
301 Verbindungsarm
302 Schwenkantrieb

Claims

Ansprüche:
1. CNC-Maschine zur additiven Fertigung mittels Laserschweißen, umfassend einen Werkstückträger, der auf einer Ebene in einer x-Achse und einer y- Achse bewegbar ist, wobei die CNC-Maschine zur Bewegung in der x-Achse zumindest einen Antrieb umfasst, welcher an einem Schlitten angeordnet ist, der seinerseits über einen Gantry- Antrieb zur Bewegung in der y-Achse verfahrbar ist, wobei der Antrieb zur Bewegung in der x-Achse eine sich gegenläufig zu dem Antrieb bewegende Ausgleichsmasse umfasst, und wobei an dem Schlitten ein Antrieb angeordnet ist, über den der Werkstückträger um eine senkrecht zu einer x-y-Ebene stehende a-Achse drehbar ist, und wobei der Schlitten um zumindest 90° auf einer in oder parallel zu der x-y-Ebene liegenden c-Achse drehbar ist.
2. CNC-Maschine nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der
Schlitten um zumindest 180° auf der c-Achse drehbar ist.
3. CNC-Maschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb für die a-Achse als Torque- Antrieb ausgebildet ist.
4. CNC-Maschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die CNC-Maschine zumindest einen Träger für ein Bearbeitungswerkzeug, insbesondere einen Laser umfasst, welcher entlang einer senkrecht zur x-y-Ebene stehenden z-Achse verfahrbar ist.
5. CNC-Maschine nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die
CNC-Maschine zur Bewegung in der x-Achse zwei sich synchron bewegende Antriebe aufweist.
6. CNC-Maschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb zur Bewegung in der x-Achse zumindest einen Linearmotor umfasst, insbesondere dass die sich synchron bewegenden Antriebe jeweils einen Linearmotor umfassen, insbesondere einen Linearmotor mit einem bewegten Sekundärteil.
7. CNC-Maschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Antrieb zur Bewegung in der x-Achse über ein Zugmittelgetriebe die Ausgleichsmasse bewegt.
8. CNC-Maschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Antrieb zur Bewegung in der x-Achse von einem sich mit dem Werkstückträger bewegenden Band umschlossen ist.
9. CNC-Maschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der der Antrieb für die a-Achse unter dem Werkstückträger und zwischen den sich synchron bewegenden Antrieben angeordnet ist.
10. CNC-Maschine nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstückträger um zumindest 180° schwenkbar ist, wobei auf einer dem Werkstückträger gegenüberliegenden Seite ein weiterer Werkstückträger angeordnet ist und/oder dass die c-Achse parallel zur x-Achse angeordnet ist.
11. Verfahren zur Additiven Fertigung mittels Laserschweißen, insbesondere mittels einer CNC-Maschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Werkstück über einen Antrieb für eine x-Achse zumindest in einer x-Richtung gegenüber einem Bearbeitungswerkzeug bewegt wird, wobei vor und/oder bei einem nötigen Richtungswechsel die Bewegung in x-Richtung zumindest teilweise durch die Kombination einer Drehung um eine senkrecht zu einer x-y -Ebene stehende a-Achse und eine Linearbewegung in y-Richtung ersetzt wird.
12. Verfahren nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung entlang der x-Achse während des Ersetzens abgebremst wird.
13. CNC-Maschine, insbesondere Maschine zur additiven Fertigung mittels Laserschweißen, umfassend einen Werkstückträger, der auf einer Ebene in einer x-Achse und einer y- Achse bewegbar ist, wobei die CNC-Maschine zumindest zur Bewegung in der x-Achse zumindest einen Antrieb sowie eine sich gegenläufig zu dem Antrieb bewegende Ausgleichsmasse umfasst.
14. CNC-Maschine nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die CNC-Maschine zur Bewegung in der x-Achse zwei sich synchron bewegende Antriebe aufweist.
15. CNC-Maschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb zur Bewegung in der x-Achse zumindest einen Linearmotor umfasst, insbesondere dass die sich synchron bewegenden Antriebe jeweils einen Linearmotor umfassen, insbesondere einen Linearmotor mit einem bewegten Sekundärteil.
16. CNC-Maschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Antrieb über ein Zugmittelgetriebe die Ausgleichsmasse bewegt.
17. CNC-Maschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Antrieb von einem sich mit dem Werkstückträger bewegenden Band umschlossen ist.
18. CNC-Maschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstückträger um eine senkrecht zur x-y-Ebene stehende Achse drehbar ist, insbesondere mittels eines Antriebs, der unter dem Werkstückträger und zwischen den sich synchron bewegenden Antrieben angeordnet ist, insbesondere mittels eines Torque- Antriebs.
19. CNC-Maschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die sich synchron bewegenden Antriebe Teil eines Schlittens sind, der über einen Antrieb für die y-Achse bewegbar ist, insbesondere über einen Gantry -Antrieb.
20. CNC-Maschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die CNC-Maschine zumindest einen Träger für ein Bearbeitungswerkzeug, insbesondere einen Laser umfasst, welcher entlang einer senkrecht zur x-y-Ebene stehenden z-Achse verfahrbar ist.
21. CNC-Maschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitten um zumindest 90°, vorzugsweise um zumindest 180° auf einer in der x-y -Ebene liegenden Achse drehbar ist
22. CNC-Maschine, insbesondere nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend einen Werkstückträger, der auf einem Schlitten entlang einer x-Achse und einer y- Achse bewegbar ist, wobei der Schlitten entlang einer y-Achse bewegbar ist, und wobei der Werkstückträger um eine senkrecht zu einer x-y-Ebene stehende a-Achse drehbar ist.
23. CNC-Maschine, insbesondere nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend einen Werkstückträger, der entlang einer x-Achse und einer y-Achse auf einer x-y- Ebene bewegbar ist, wobei der Werkstückträger auf einer parallel zur x-y-Ebene, insbesondere in der x-y-Ebene liegenden c-Achse verschwenkbar ist.
24. CNC-Maschine nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstückträger um zumindest 180° schwenkbar ist, wobei auf einer dem Werkstückträger gegenüberliegenden Seite ein weiterer Werkstückträger angeordnet ist und/oder dass die c-Achse parallel zur x-Achse angeordnet ist.
25. Antrieb, insbesondere für eine CNC-Maschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend einen Schlitten, auf dem ein Werkstückträger entlang einer x- Achse linear bewegbar ist, wobei der Schlitten von einem sich mit dem Werkstückträger bewegenden Band umschlossen ist, und wobei in dem Schlitten ein Antrieb angeordnet ist, um den Werkstückträger um eine a-Achse zu rotieren.
26. Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks, insbesondere mittels einer CNC- Maschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Werkstück über einen Antrieb für eine x-Achse zumindest in einer x-Richtung gegenüber einem Bearbeitungswerkzeug bewegt wird, wobei vor und/oder bei einem nötigen Richtungswechsel die Bewegung in x-Richtung zumindest teilweise durch die Kombination einer Drehung um eine senkrecht zu einer x-y-Ebene stehende a-Achse und eine Linearbewegung in y-Richtung ersetzt wird.
27. Verfahren nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung entlang der x-Achse während des Ersetzens abgebremst wird.
PCT/EP2023/054816 2022-03-01 2023-02-27 Cnc-maschine,antrieb, sowie verfahren zur bearbeitung eines werkstücks WO2023165924A1 (de)

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DE102022104799.7 2022-03-01
DE102022104799.7A DE102022104799A1 (de) 2022-03-01 2022-03-01 CNC-Maschine sowie Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks
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