Werkstücks

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein koaxiales Pulverdüsenspitzenmodul für eine koaxiale Pulverdüse zur Oberflächenbearbeitung eines Werkstücks, insbesondere zur Oberflächenbearbeitung eines Werkstücks mit einem Laserstrahl. Weiterhin betrifft die Erfindung die koaxiale Pulverdüse mit dem koaxialen Pulverdüsenspit zenmodul.

Der Ausdruck Oberflächenbearbeitung ist dabei möglichst breit zu verstehen und umfasst beispielsweise die Verfahren Dispergieren, Legieren, Beschichten und additive Fertigung mittels Laserstrahlung (auch als Laserauftragschweißen oder Lasergenerieren bezeichnet). Diese Verfahren werden zur Randschichtbehand lung, zur Reparatur und zur additiven Fertigung von Bauteilen mit Zusatzwerkstof fen verwendet. Dabei wird mit einem Laserstrahl auf der Oberfläche eines

Bauteils ein Schmelzbad erzeugt, in das über eine Pulverdüse mittels Fördergas ein fester oder bereits aufgeschmolzener, flüssiger pulverförmiger Zusatzwerkstoff injiziert wird. Durch Verfahren des Bauteils relativ zum Laserstrahl entsteht auf der Bauteiloberfläche eine Schicht, die mit dem Grundwerkstoff über die Verbin dungszone verschmolzen ist. Zusätzlich entsteht im Grundmaterial eine Wärme einflusszone. Die Pulverzufuhr spielt bei diesem Prozess eine bedeutende Rolle. Dabei unterscheidet man im Wesentlichen zwischen drei Möglichkeiten das Pulver zuzuführen. Die erste Möglichkeit ist die seitliche Pulverzufuhr, bei der das Pulver unter einem bestimmten Winkel von nur einer Seite in das Schmelzbad injiziert wird. Bei der zweiten Möglichkeit wird das Pulver durch mehrere Teilstrah len, die um den Laserstrahl herum positioniert sind, injiziert. Darüber hinaus ist noch die koaxiale Pulverzufuhr bekannt, bei der das Pulver unter einem bestimm ten Winkel ringförmig in das Schmelzbad injiziert wird. Die koaxialen Pulverdü sensysteme haben gegenüber den seitlichen Systemen den Vorteil, dass das Bearbeitungsergebnis in der Ebene weniger richtungsabhängig ist. Dadurch lassen sich auch 3-D Bauteile durch additive Fertigung hersteilen. Mit den koaxia len Pulverdüsensystemen können außerdem wesentlich höhere Pulverwirkungs grade erreicht werden als mit den seitlichen Pulverzufuhrsystemen. Der

Pulverwirkungsgrad gibt dabei das Verhältnis von der dem Schmelzbad zur Verfügung gestellten Pulvermenge zu der aufgetragenen Pulvermenge an.

Im Stand der Technik sind zwei Verfahrensvarianten zur Herstellung einer Schicht aus dem Zusatzwerkstoff bekannt:

Erstens, indem mittels einer Pulverzufuhr einem Schmelzbad festes Pulver zugeführt wird. Das Schmelzbad wird durch Einstrahlung eines Laserstrahls im flüssigen Zustand gehalten. Festes Pulver trifft in dem Bereich des Schmelzbades ein und wird dort durch den Laser aufgeschmolzen. Wird nun das Bauteil gegen über dem Laser und der Pulverzufuhr bewegt, so bewegt sich das Schmelzbad aus dem Einflussbereich des Lasers heraus und erstarrt. Ein Teil der eingestrahl ten Laserenergie wird aufgewendet, um den Grundwerkstoff aufzuschmelzen und dadurch eine schmelzmetallurgische Verbindung zwischen dem Grundwerkstoff und dem Zusatzwerkstoff herzustellen. Hierdurch entsteht auch eine Wärmeein flusszone. Abhängig von der Leistung des Lasers findet daher eine Durchmi schung von Zusatzwerkstoff und Bauteilwerkstoff statt. Mit dem beschriebenen Verfahren lassen sich Prozessgeschwindigkeiten, d. h. Vorschubgeschwindigkei ten des Bauteils gegenüber dem Laserstrahl, zwischen typischerweise 0,2 m/min und 2 m/min erreichen. Die höchsten bisher erreichten Prozessgeschwindigkeiten liegen im Bereich bis zu 20 m/min.

Zweites, aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2011 100 456 A1 ist das sogenannte EHLA-Verfahren bekannt. Mit dem EHLA-Verfahren wird eine deutli che Erhöhung der erzielbaren Bearbeitungsgeschwindigkeit dadurch erreicht, dass einem auf einer zu bearbeitenden Oberfläche vorliegenden Schmelzbad zumindest ein Zusatzwerkstoff in vollständig geschmolzener Form zugeführt wird. Hierzu wird der Zusatzwerkstoff, der zunächst pulverförmig vorliegt, mittels eines Laserstrahls in einem Abstand größer als Null zum Schmelzbad geschmolzen und dem Schmelzbad dann flüssig zugeführt. Das Aufschmelzen des Pulvers in dem genannten Abstand vom Schmelzbad sowie die Erwärmung und das Aufschmel zen des Grundwerkstoffes können durch den gleichen Laserstrahl erfolgen. Der auf das Schmelzbad einstrahlende Laserstrahl bewirkt also auch das Schmelzen des Zusatzwerkstoffs im genannten Abstand vom Schmelzbad.

Dadurch, dass der Zusatzwerkstoff dem Schmelzbad im flüssigen Zustand zuge führt wird, entfällt die Zeit zum Aufschmelzen der Pulverpartikel im Schmelzbad. Dies wiederum verringert die Zeit, die für die Schichtbildung notwendig ist, wodurch die Prozessgeschwindigkeit deutlich erhöht werden kann. Wird das Pulver oberhalb des Schmelzbades in den Laserstrahl injiziert, bevor es ins Schmelzbad gelangt, ist die Aufenthaltszeit der Pulverpartikel im Laserstrahl deutlich länger, als wenn der Zusatzwerkstoff erst im Schmelzbad von dem Laserstrahl bestrahlt wird. Eine hohe Intensität der Laserstrahlung verkürzt die Zeit zum Aufschmelzen der Partikel des pulverförmigen Zusatzwerkstoffs. Die Intensität der Laserstrahlung kann einerseits durch Erhöhung der Laserleistung, aber andererseits auch durch Verkleinerung der Strahlfläche erhöht werden. Der Bereich, in dem der Werkstoff geschmolzen vorliegt, ist jener Bereich, in dem die Intensität des Strahls durch die Fokussierung hinreichend groß ist, um die Pul verpartikel in der Zeit seit ihrem Eintreten in den Laserstrahl aufzuschmelzen. Dieser Bereich kann sich auch vor und/oder hinter den Laserstrahlfokus in Richtung der optischen Achse des Laserstrahls erstrecken. Bevorzugterweise wird der pulverförmige Zusatzwerkstoff als Strahl in den Laserstrahl injiziert.

Hierbei kann das Pulver durch einen Gasstrahl transportiert werden. Besonders bevorzugt ist es, wenn der Pulverstrahl in einen kleinen Bereich fokussiert wird.

Im Wesentlichen alle Pulverpartikel durchlaufen also diesen kleinen Bereich. Eine solche Fokussierung kann beispielsweise dadurch bewirkt werden, dass der Pulverstrahl mittels einer koaxialen Pulverdüse erzeugt wird. Ein derart fokussier ter Pulverstrahl hat eine Kegelform, wobei die Spitze des Kegels gerade jener Bereich ist, auf dem der Pulverstrahl fokussiert wird. Bei einer solchen Anordnung können Laserstrahl und Pulvergasstrahl koaxial zueinander verlaufen. Die Parti kel werden dann oberhalb des Substrates fokussiert, den genannten Pulverfokus bereich, wechselwirken dort mit der Laserstrahlung um von dort auf das

Schmelzbad zu treffen. Hierbei ist der Zusatzwerkstoff dann flüssig.

Für eine kostengünstige Realisierung einer koaxialen Pulverdüse ist es günstig, die Düse aus einem Innenteil und einem Außenteil zusammenzubauen. Dabei ist es möglich, eine Pulverkammer und/oder einen Ringspalt zwischen Innenteil und Außenteil auszubilden. Eine Pulverkammer dient dabei der Erzeugung einer gleichmäßigen und koaxialen Pulvergaswolke um den Laserstrahl herum. Durch die zweigeteilte Ausführung mit einem Innen- und einem Außenteil kann die Größe von Kammer und Ringspalt variiert werden. Durch die Änderung der Größe von Kammer und/oder Ringspalt kann die Strömung der Pulvergasmischung, respektive die Partikelgeschwindigkeit beeinflusst werden. Die Düse ist damit für verschiedene Pulvergasmischungen und/oder verschiedene Pulverkorngrößen optimal einsetzbar.

Die Strömung der Pulvergasmischung in der Kammer und insbesondere im Ringspalt kann unter Umständen empfindlich von den geometrischen Abmessun gen von Ringspalt und Kammer abhängen. Wenn Ringspalt und Kammer zwi schen Innenteil und Außenteil ausgebildet werden, kann durch eine

Feineinstellung von Innenteil und Außenteil zueinander die Strömung beeinflusst werden. Diese Feineinstellung ist erforderlich, da gemäß dem Stand der Technik Innenteil und Außenteil zumeist mit einem vergleichsweise groben Gewinde zusammengeschraubt werden. Zudem können geringe Fertigungsfehler von Innenteil und Außenteil ausgeglichen werden. Zudem können die Düse und die Kammer durch die Feineinstellung für verschiedene Strömungen von Pulvergas mischungen optimiert werden. Die Pulvergasmischung kann verschiedene Kon zentrationen an Pulver im Gas, Gasvolumenströme sowie verschiedene

Korngrößen des Pulvers aufweisen. Auch dies erfordert eine Anpassung der geometrischen Abmessungen von Kammer und Ringspalt durch eine Feineinstel lung des Abstands von Innenteil und Außenteil der Düse. Damit kann auch der Anteil, der nicht zur Schichtbildung beiträgt, der sog. Overspray, beeinflusst werden.

Begrifflich sei hierzu erläutert:

Die Intensität der Laserstrahlung ist hier definiert als Quotient aus Laserleistung und Querschnittsfläche des Strahls senkrecht zur optischen Achse des Strahls.

Unter einer koaxialen Pulverdüse wird hier eine Düse zur Zuführung von pulver förmigen Material und eines Laserstrahls verstanden, wobei der Laserstrahl und der Pulverstrahl koaxial zueinander verlaufen, also die gleiche Strahlachse aufweisen.

Unter Overspray wird hier der Anteil des verspritzten Pulvers verstanden, der nicht auf den vorgesehenen Ort des Werkstücks gelangt. Dabei kann dieses Pulver in die Umgebung entweichen oder außerhalb der Spurbreite des Lasers auf die Werkstückoberfläche gelangen, so dass er nicht zum gewünschten Schichtaufbau beiträgt.

Wird die Düse aufgrund thermischer oder mechanischer Belastung beschädigt, so müssen entsprechend Komponenten ausgetauscht werden. Hierzu gibt es ver schiedene Lösungen: entweder wird die gesamte Düse ausgetauscht oder der untere Teil der Düse mit den entsprechenden zwei konusförmigen Spitzen. Aus Kostengründen wird die zweite Variante bevorzugt. Im Allgemeinen werden diese Düsenspitzen über Gewinde angebracht. Da die Düsenspitzen Fertigungstoleran zen aufweisen, nicht in einer Aufspannung gefertigt werden und Spiel im Gewinde haben, führt dies dazu, dass der resultierende Pulvergasstrahl beispielsweise hinsichtlich der Größe des Pulverstrahlfokus, der Symmetrie der Pulververteilung und/oder des Oversprays, Abweichungen aufweist. Beim Laserauftragschweißen führen diese Abweichungen zu deutlichen Qualitätsverlusten (geringerer Pul vernutzungsgrad, zu geringere erzeugte Schichtdicke). Gelöst wird dieses Prob lem dadurch, dass die Düse nach dem Wechsel der Spitzen aufwendig justiert wird. Dies führt zu massiven Unterbrechungen im Prozess, was insbesondere für eine Serienfertigung unerwünscht ist. Bisher wurde das Ausrichten der beiden konusförmigen Düsenspitzen zueinander über Justierschrauben durchgeführt. Dabei wird das vorhandene Spiel genutzt, um den Spalt zwischen den beiden Konen so einzustellen, dass ein gleichmäßiger und symmetrischer Pulverstrahl entsteht. Diese Justierung kann im Allgemeinen nicht durch den Endnutzer durchgeführt werden. Andere Lösungen sehen einen Tausch der Düsenspritzen über Gewinde vor, wobei die Abweichungen in der Qualität des Pulvergasstrahls in Kauf genommen werden. Da für die Durchführung des EHLA-Verfahrens eine hohe und gleichmäßige Qualität des Pulvergasstrahls benötigt wird, sind diese Düsen für das EHLA-Verfahren nur sehr bedingt geeignet. Aufgabe der Erfindung ist es, ein koaxiales Pulverdüsenspitzenmodul für eine koaxiale Pulverdüse zur Oberflächenbearbeitung eines Werkstücks, insbesonde re zur Oberflächenbearbeitung eines Werkstücks mit einem Laserstrahl und insbesondere für das Laserauftragsschweißen nach dem EHLA-Verfahren, anzugeben, das durch den Endanwender tauschbar ist, wobei der Tauschauf wand, insbesondere die notwendige Unterbrechung im Prozess, gegenüber dem Stand der Technik minimiert ist. Diese Aufgabe der Erfindung wird mit einem koaxialen Pulverdüsenspitzenmodul gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen des koaxialen Pulverdüsenspitzenmo duls ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 12. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, eine koaxiale Pulverdüse mit dem koaxialen Pulverdüsenspitzenmodul anzugeben. Diese weitere Aufgabe wird mit einer koaxialen Pulverdüse gemäß Anspruch 13 gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen der koaxialen Pulverdüse ergeben sich aus den Ansprüchen 14 bis 15.

Das erfinderische koaxiale Pulverdüsenspitzenmodul weist ein Innenteil und ein Außenteil auf und ist zur Werkstückoberflächenbearbeitung mittels Laserstrah lung geeignet. Zwischen dem Innenteil und dem Außenteil liegt ein Ringspalt zum Durchfließen einer Pulvergasmischung, wobei der Ringspalt koaxial zur Ausbrei tungsachse der Laserstrahlung angeordnet ist. Das koaxiale Pulverdüsenspit zenmodul ist dadurch gekennzeichnet, dass es quasimonolithisch aufgebaut ist.

Begrifflich sei dazu erläutert:

Unter einem koaxialen Pulverdüsenspitzenmodul wird bei einem modularen Aufbau einer Pulverdüse zur Zuführung von pulverförmigen Material und eines Laserstrahls zu einer Bearbeitungsstelle auf der Oberfläche eines Werkstücks das Modul verstanden, das die Spitze der Pulverdüse darstellt, wobei der Laser strahl und der Pulverstrahl koaxial zueinander verlaufen, also die gleiche Strahl achse aufweisen.

Das Innenteil des koaxialen Pulverdüsenspitzenmoduls ist das Teil, das die Ausbreitungsachse der Laserstrahlung als zentrale Achse des Moduls umfasst. Das Innenteil weist eine Bohrung auf, durch die der Laserstrahl hindurchführbar ist. Das Außenteil des koaxialen Pulverdüsenspitzenmoduls ist das Teil, das das Innenteil des koaxialen Pulverdüsenspitzenmoduls umschließt.

Unter Werkstückoberflächenbearbeitung wird hier die Bearbeitung der Oberflä che eines Werkstücks verstanden. Dabei kann die Bearbeitung materialaufbau end, materialabbauend oder neutral bzgl. einer Materialauftragung

beziehungsweise -abtragung erfolgen.

Unter Laserstrahlung werden elektromagnetische Wellen verstanden, wobei Laserstrahlen sich durch eine Kombination von hoher Intensität, sehr engem Frequenzbereich, scharfer Bündelung des Strahls und großer Kohärenzlänge auszeichnen.

Mit dem Ausdruck Endanwender wird hier der Betreiber einer Werkstückober flächenbearbeitungsanlage, die das erfindungsgemäße koaxiale Pulverdüsenspit zenmodul aufweist, verstanden. Der Endanwender bearbeitet Werkstücke und benutzt die Anlage als Betriebsmittel und hat in der Regel weder die Kenntnisse noch die technischen Möglichkeiten, das koaxiale Pulverdüsenspitzenmodul einzustellen.

Unter dem Begriff quasimonolithisch wird dabei hier verstanden, dass das koaxiale Pulverdüsenspitzenmodul einen vormontierten Innen- und Außenkonus aufweist, wobei zwischen dem Innen- und dem Außenkonus ein Ringspalt ausge bildet ist, in dem die Pulver-Gas-Strömung ausbildbar ist.

Das quasimonolithische Pulverdüsenspitzenmodul ist über entsprechende Form- und Lagertoleranzen vormontiert und kann ohne Notwendigkeit einer manuellen Justage einfach ausgetauscht werden. Dieser Austausch kann von dem Endan wender durchgeführt werden, da keinerlei Einstellungen vorgenommen werden müssen. Der Austausch kann in kurzer Zeit durchgeführt werden, womit auch die notwendige Unterbrechung im Prozess minimiert ist. Auch nach einem Austausch des koaxialen Pulverdüsenspitzenmoduls bleibt die Qualität des Pulver-Gas- Strahls in Bezug auf Pulverpartikeldichteverteilung und Gleichförmigkeit des Pulver-Gas-Strahls gleich, womit auch die gleichbleibende Qualität der Oberflä chenbearbeitung gegeben ist. Ist für die Verarbeitung eines bestimmten Zusatz- Werkstoffs eine spezielle Oberflächenqualität des Strömungskanals des Pulver- Gas-Strahls erforderlich, so kann eine bestimmte Oberflächengüte des Strö mungskanals beispielsweise zur hochgenauen Fokussierbarkeit des Pulver-Gas- Strahls eingestellt und auch nach dem Austausch des koaxialen Pulverdüsenspit zenmoduls eingehalten werden. Ebenso ist je nach Anwendungsfall eine ge wünschte Verschleißbeständigkeit einstell- und beibehaltbar. Genauso ist in Abhängigkeit des Zusatzwerkstoffes, beispielsweise in Abhängigkeit der Korngrö ßenverteilung und/oder des Pulvermassenstroms ein angepasstes Spaltmaß einstell- und beibehaltbar. Weiterhin kann die Qualität des Pulver-Gas-Strahls mit Hilfe eines Messgerätes, wie es beispielsweise aus dem deutschen Patent DE 10 2011 009 345 B3 bekannt ist, quantitativ beschrieben und zertifiziert werden.

In einer vorteilhaften Ausführungsform weist das koaxiale Pulverdüsenspitzenmo dul auf seiner Rückseite ein Lochkreismuster mit Bohrungen auf, durch das ein Pulver-Gas-Gemisch leitbar ist, wobei das Lochkreismuster einen Ring mit einem Innendurchmesser, gebildet durch die Tangente an die zur Ausbreitungsachse der Laserstrahlung weisenden Bohrungsränder, und einem Außendurchmesser, gebildet durch die Tangente an die der Ausbreitungsachse der Laserstrahlung abgewandten Bohrungsränder, bildet und wobei der Ring Stegflächen aufweist, wobei die Stegflächen maximal 61 % der Gesamtfläche des Rings einnehmen. Die Rückseite des koaxialen Pulverdüsenspitzenmoduls ist dabei die der Spitze und damit im Betrieb der zu bearbeitenden Werkstückoberfläche gegenüberliegende Seite. Durch die Bohrungen kann das Zusatzmaterial in Form eines Pulver-Gas- Gemisches in Richtung der zu bearbeitenden Werkstückoberfläche geführt werden. Dadurch, dass die Stegflächen maximal 61 % der Gesamtfläche des Rings einnehmen, ist gewährleistet, dass das Zusatzmaterial gleichmäßig über dem Umfang verteilt in das koaxiale Düsenspitzenmodul eingebracht wird, wodurch eine über den Umfang gleichmäßig verteilte Aufschmelzung des Zu satzmaterials stattfinden kann und somit die Qualität der Oberflächenbearbeitung erhöht wird. Die Bohrungen können als angesenkte oder nicht angesenkte kreisrunde Bohrungen oder alternativ auch als Langloch ausgeführt sein, wobei die Kanten der Langlöcher gebrochen oder ungebrochen ausgeführt sein können. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die das Lochkreismuster bildenden Bohrungen konisch ausgeführt, wobei sich ihr Durchmesser in Richtung zur Spitze verjüngt. Hierdurch wird die Qualität der Oberflächenbearbeitung weiter erhöht.

Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn das koaxiale Pulverdüsen spitzenmodul eine in dem Ringspalt umlaufende Modulkammer aufweist, wobei die Modulkammer das rückseitige Ende des Ringspaltes bildet und derart ange ordnet ist, dass die das Lochkreismuster bildenden Bohrungen in ihr münden. Die Verteilung des über die Bohrungen des Lochkreismusters zugeführten Zusatzma terials wird hierdurch weiter vergleichmäßigt, wodurch die Qualität der Oberflä chenbearbeitung weiter erhöht wird.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das Außenteil auf seiner der Rückseite des koaxialen Pulverdüsenspitzenmoduls zugewandten Seite einen Flansch auf, wobei auch das Innenteil auf seiner der Rückseite des koaxialen Pulverdüsenspitzenmoduls zugewandten Seite einen Flansch bildet, und wobei der Flansch des Außenteils und der Flansch des Innenteils im montierten Zustand zueinander hin weisen, wobei zwischen die beiden Flansche ein Distanzring montierbar ist. Über die Flansche von Innen- und Außenteil sind diese miteinan der in Wirkverbindung bringbar. Dabei können die Flansche im montierten Zu stand aufeinander zu liegen kommen. Darüber hinaus kann aber auch zwischen die beiden Flansche ein Distanzring eingebracht werden. Über unterschiedliche starke Distanzringe, d.h. Distanzringe, die in Richtung der Ausbreitungsachse der Laserstrahlung unterschiedliche Materialstärken aufweisen, lässt sich der zwi schen Innen- und Außenteil liegende Ringspalt im Spaltmaß, d.h. in der Höhe des Spaltes, variieren. Das Spaltmaß ist abhängig von dem Zusatzwerkstoff, hier vor Allem von der Korngrößenverteilung und dem gewünschten Pulvermassenstrom. Durch die Verwendung von Distanzringen mit unterschiedlicher Materialstärke lassen sich optimal auf den verwendeten Pulvermassestrom angepasste koaxiale Pulverdüsenmodule hersteilen.

Es hat sich weiterhin als vorteilhaft erwiesen, wenn die den Ringspalt bildende Außenfläche des Innenteils und/oder die Innenfläche des Außenteils eine Ober flächenhärte von mindestens 500 HV 0,3 aufweisen. Die verwendeten Zusatz- Werkstoffe können abrasiv wirken. Die abrasive Wirkung wird noch dadurch verstärkt, dass der Zusatzwerkstoff in Pulverform vorliegt und mittels eines Gasstroms mit hoher Geschwindigkeit durch den Ringspalt geleitet wird. Daher sind Maßnahmen zum Schutz der Oberfläche der den Ringspalt bildenden Flächen vorteilhaft. Als Maßnahmen kommen hier alle bekannten Maßnahmen zum Oberflächenschutz, wie beispielsweise ein Härten und/oder eine Oberflä chenbeschichtung, in Betracht.

In einer vorteilhaften Ausführungsform weist das Innenteil eine mittig angeordnete konusförmige Bohrung entlang der Ausbreitungsachse der Laserstrahlung auf, wobei sich der Konus zur Spitze hin verjüngt. Durch diese Bohrung kann ein Laserstrahl zur Oberflächenbearbeitung geleitet werden.

Es hat sich weiterhin als vorteilhaft erwiesen, wenn das Außenteil auf seiner Innenfläche einen sich zur Spitze hin verjüngenden Konus bildet.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform bildet das Innenteil auf seiner Außenfläche einen sich zur Spitze hin verjüngenden Konus.

In einer Ausführungsform weist der Ringspalt von der Modulkammer bis zur Spitze ein konstantes Spaltmaß auf.

In einer alternativen Ausführungsform verjüngt sich der Ringspalt von der Modul kammer bis zur Spitze.

Je nach verwendetem Zusatzmaterial, seiner Korngröße, der Zusammensetzung des verwendeten Pulver-Gas-Gemisches sowie dem gewünschten Volumenstrom kann es vorteilhaft sein, einen Ringspalt mit konstanter Spalthöhe oder mit sich in Spitzenrichtung verändernder, d.h. verringernder oder vergrößernder Spalthöhe zu verwenden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das Außenteil einen sich von der Rückseite zur Spitze hin verjüngenden Außenkonus auf. Da der Laser strahl im Betrieb auf der Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstücks oder kurz darüber fokussiert wird, kann die Bohrung konisch zulaufen, wodurch das gesam te koaxiale Pulverdüsenspitzenmodul zu seiner Spitze hin konisch zulaufen kann, was Vorteile hinsichtlich der Bearbeitung von engen Geometrien sowie hinsicht lich der erforderlichen Masse des koaxialen Pulverdüsenspitzenmoduls zur Folge hat. Dies ist vorteilhaft für die Dynamik, mit der die Pulverdüse bewegbar ist.

Eine erfindungsgemäße koaxiale Pulverdüse ist dadurch gekennzeichnet, dass sie ein koaxiales Pulverdüsenspitzenmodul und einen koaxialen Pulverdüsen grundkörper aufweist, wobei das koaxiale Pulverdüsenspitzenmodul an der zu bearbeitenden Werkstückoberfläche zugewandten Seite des koaxialen Pulverdü sengrundkörpers angeordnet ist.

In einer vorteilhaften Ausführungsform weist der Pulverdüsengrundkörper mindes tens eine Pulverzuführung und eine umlaufende Grundkörperkammer auf, wobei mindestens eine Pulverzuführung in der Grundkörperkammer mündet und die Grundkörperkammer einen zur Ausbreitungsachse der Laserstrahlung koaxialen Ring bildet, wobei mindestens eine Umfangswand des Rings konisch zur Spitze hin zuläuft, und wobei die Grundkörperkammer zum koaxialen Pulverdüsenspit zenmodul hin eine offene Ringfläche bildet, wobei die offene Ringfläche das Lochkreismuster des koaxialen Pulverdüsenspitzenmoduls im montierten Zustand überdeckt. Der Zusatzwerkstoff wird über mindestens eine Pulverzuführung der koaxialen Pulverdüse zugeführt und über die Grundkörperkammer in Umfangs richtung verteilt. Von der Grundkörperkammer gelangt der Zusatzwerkstoff durch die Bohrungen auf dem Lochkreismuster des koaxialen Pulverdüsenspitzenmo duls in den Ringspalt, wobei seine Verteilung in Umfangsrichtung hierdurch weiter optimiert wird.

Es hat sich weiterhin als vorteilhaft erwiesen, wenn der koaxiale Pulverdüsen grundkörper eine aktive Kühlung aufweist. Durch die Nähe zur der Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstücks wird die Pulverdüse im Betrieb warm. Die aktive Kühlung kann beispielsweise eine Flüssigkeitskühlung sein, wobei die Kühlflüs sigkeit in einem umlaufenden Kanal durch den Pulverdüsengrundkörper fließt und überschüssige Wärme abführt.

Die koaxiale Pulverdüse kann als Kombidüse zum Laserauftragsschweißen als auch zum reinen Schweißen ohne Zusatzwerkstoff benutzt werden. Begrifflich sei erläutert:

Unter einem Pulver-Gas-Gemisch wird hier ein Gemisch des zuzuführenden pulverförmigen Zusatzwerkstoffes mit einem Trägergas verstanden. Das Träger gas dient dazu, den Zusatzwerkstoff zu transportieren und ist üblicherweise ein Inertgas, das den Zutritt von Sauerstoff zu dem erhitzten Zusatzwerkstoff bezie hungsweise dem Grundwerkstoff verhindert, bzw. minimiert.

Unter einem Lochkreismuster oder Lochkreis wird die Anordnung mehrerer Bohrungen verstanden, wobei die Mittelpunkte der Bohrungen in einer Ebene senkrecht zu den Bohrungsmittelachsen auf einem Kreis angeordnet sind.

Unter einer Stegfläche wird hier die Fläche verstanden, die ein zwischen zwei benachbarten, auf einem Lochkreis liegenden Bohrungen sich befindender Steg aufweist. Dabei wird der Steg einerseits durch die Ränder der beiden benachbar ten Bohrungen und andererseits durch die Tangente an die zur Ausbreitungsach se der Laserstrahlung weisenden Bohrungsränder bzw. durch die Tangente an die der Ausbreitungsachse der Laserstrahlung abgewandten Bohrungsränder gebildet.

Die Rückseite des koaxialen Pulverdüsenspitzenmoduls ist die der Spitze und damit im Betrieb der zu bearbeitenden Werkstückoberfläche gegenüberliegende Seite des koaxialen Pulverdüsenspitzenmoduls. Mit anderen Worten ist die Rückseite des koaxialen Pulverdüsenspitzenmoduls die dem Pulverdüsengrund körper zugewandte Seite des koaxialen Pulverdüsenspitzenmoduls.

Generell sei darauf hingewiesen, dass im Rahmen des hier vorliegenden Doku ments die unbestimmten Zahlwörter„ein",„zwei" usw. nicht als„genau-ein", „genau zwei" usw. verstanden werden sollen, sondern im Normalfall als unbe stimmte Artikel. Eine Aussage der Art„ein ... ",„zwei ... " usw. ist daher als „mindestens ein ... ",„mindestens zwei ... " usw. zu verstehen, sofern sich nicht aus dem jeweiligen Kontext ergibt, dass etwa nur„genau ein",„genau zwei" usw. gemeint sind.

Im Rahmen der hier vorliegenden Patentanmeldung sei der Ausdruck„insbeson dere“ immer so zu verstehen, dass mit diesem Ausdruck ein optionales, bevorzug- tes Merkmal eingeleitet wird. Der Ausdruck ist nicht als„und zwar“ und nicht als „nämlich“ zu verstehen.

Ausdrücklich sei darauf hingewiesen, dass alle angegebenen Zahlenwerte nicht als scharfe Grenzen zu verstehen sein sollen, sondern vielmehr in ingenieurmä ßigem Maßstab über- oder unterschritten werden können sollen, ohne den beschriebenen Aspekt der Erfindung zu verlassen.

Weitere Vorteile, Besonderheiten und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfin dung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Darstellung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Abbildungen.

Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße koaxiale Pulverdüse im Schnitt,

Fig. 2 eine erfindungsgemäße koaxiale Pulverdüse in einer Seitenansicht,

Fig. 3 ein erfindungsgemäßes koaxiales Pulverdüsenspitzenmodul in einer

Seitenansicht,

Fig. 4 ein erfindungsgemäßes koaxiales Pulverdüsenspitzenmodul in einer

Draufsicht.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße koaxiale Pulverdüse 100 im Schnitt. Die koaxiale Pulverdüse 100 weist ein koaxiales Pulverdüsenspitzenmodul 110 und einen koaxialen Pulverdüsengrundkörper 150 auf. Das koaxiale Pulverdüsenspit zenmodul 110 ist mit seiner Rückseite 119 an der der zu bearbeitenden Werk stückoberfläche zugewandten Seite des koaxialen Pulverdüsengrundkörpers 150 angeordnet und weist an seinem gegenüberliegenden Ende, d.h. dem im Betrieb der zu bearbeitenden Werkstückoberfläche zugewandten Seite, eine Spitze 118 auf. Durch die gesamte koaxiale Pulverdüse 100 verläuft eine konische, sich zur Spitze 118 hin verjüngende Bohrung 114, durch die ein Laserstrahl geleitet werden kann. Der Pulverdüsengrundkörper 150 weist drei Pulverzuführungen 153 (in dem gezeigten Schnitt ist hiervon nur eine sichtbar) und eine umlaufende Grundkörperkammer 152 auf. Die Pulverzuführungen münden in der Grundkör perkammer 152. Die Grundkörperkammer 152 bildet einen zur Ausbreitungsachse 200 der Laserstrahlung koaxialen Ring. Die innere Wand des koaxialen Rings läuft konisch zur Spitze 118 hin zu. Die Grundkörperkammer 152 bildet eine zum koaxialen Pulverdüsenspitzenmodul 110 hin eine offene Ringfläche, wobei die offene Ringfläche ein Lochkreismuster 120 des koaxialen Pulverdüsenspitzenmo duls 110 überdeckt.

Der Zusatzwerkstoff wird über die Pulverzuführungen 153 der koaxialen Pulver düse 100 zugeführt und über die Grundkörperkammer 152 in Umfangsrichtung verteilt. Von der Grundkörperkammer 152 gelangt der Zusatzwerkstoff durch Bohrungen 112 auf einem Lochkreismuster 120 (siehe Fig. 4) des koaxialen Pulverdüsenspitzenmoduls 110 in einen Ringspalt 130, der zwischen einem Innenteil 111 und einem Außenteil 115 des koaxialen Pulverdüsenspitzenmoduls 110 gebildet wird. Der koaxiale Pulverdüsengrundkörper 150 weist eine aktive Kühlung in Form eines umlaufenden Kühlkanals 151 auf, der über eine Kühlmit telzuführung 155 und eine Kühlmittelableitung 156 mit Kühlmittel beschickt wird.

Das Innenteil 111 ist mit dem Außenteil 115 über einen Flansch 113 des Innen teils 111 und einen Flansch 116 des Außenteils 115 miteinander verbunden. Weiterhin ist das koaxiale Pulverdüsenspitzenmodul 110 über die Flansche 111 ,

115 mit dem koaxialen Pulverdüsengrundkörper 150 verbunden. Zwischen den beiden Flanschen 113, 116 befindet sich ein Distanzring 140. Über unterschiedli che starke Distanzringe 140, d.h. Distanzringe 140, die in Richtung der Ausbrei tungsachse 200 der Laserstrahlung unterschiedliche Materialstärken aufweisen, lässt sich der zwischen dem Innenteil 111 und dem Außenteil 115 liegende Ringspalt 130 im Spaltmaß, d.h. in der Höhe des Spaltes, variieren. Das Spalt maß ist abhängig von dem Zusatzwerkstoff, hier vor Allem von der Korngrößen verteilung und dem gewünschten Pulvermassenstrom.

Das koaxiale Pulverdüsenspitzenmodul 110 ist quasimonolithisch aufgebaut. Das quasimonolithische Pulverdüsenspitzenmodul 110 ist über entsprechende Form- und Lagertoleranzen vormontiert und kann ohne Notwendigkeit einer manuellen Justage einfach ausgetauscht werden. Dieser Austausch kann von dem Endan wender durchgeführt werden, da keinerlei Einstellungen vorgenommen werden müssen. Der Austausch kann in kurzer Zeit durchgeführt werden, womit auch die notwendige Unterbrechung im Prozess minimiert ist. Das koaxiale Pulverdüsenspitzenmodul 110 weist eine in dem Ringspalt 130 umlaufende Modulkammer 131 auf, wobei die Modulkammer 131 das rückseitige Ende des Ringspaltes 130 bildet. Die Bohrungen 112 münden in der Modulkam mer. Mit anderen Worten ist die Grundkörperkammer 152 über die Bohrungen 112 mit der Modulkammer 131 verbunden.

Das Außenteil 115 weist auf seiner Innenfläche einen sich zur Spitze 118 hin verjüngenden Konus auf, während das Innenteil 111 auf seiner Außenfläche einen sich zur Spitze 118 hin ebenfalls verjüngenden Konus aufweist. Durch diese beiden Konen wird der Ringspalt 130 gebildet, der konusförmig sich zur Spitze 118 verjüngend verläuft und ein konstantes Spaltmaß aufweist. Die Konenwinkel können aber auch unterschiedlich sein, so dass sich das Spaltmaß des Ringspalts 118 über seine Höhe verändert.

In einer alternativen Ausführungsform verjüngt sich der Ringspalt von der Modul kammer bis zur Spitze.

Das Außenteil 115 weist einen sich von der Rückseite 119 zur Spitze 118 hin verjüngenden Außenkonus auf. Da der Laserstrahl im Betrieb auf der Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstücks oder kurz darüber fokussiert wird, kann die Bohrung 114 konisch zulaufen, wodurch das gesamte koaxiale Pulverdüsenspit zenmodul 110 zu seiner Spitze 118 hin konisch zulaufen kann, was Vorteile hinsichtlich der Bearbeitung von engen Geometrien sowie hinsichtlich der erfor derlichen Masse des koaxialen Pulverdüsenspitzenmoduls 110 zur Folge hat. Dies ist vorteilhaft für die Dynamik, mit der die Pulverdüse bewegbar ist.

Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße koaxiale Pulverdüse 100 in einer Seitenan sicht. In dieser Ansicht sind die drei Pulverzuführungen 153 sowie die Kühlmittel zuführung 155 und die Kühlmittelableitung 156 zu erkennen.

Fig. 3 zeigt ein erfindungsgemäßes koaxiales Pulverdüsenspitzenmodul 110 in einer Seitenansicht. In dieser Ansicht ist der Distanzring 114 zwischen dem Flansch 113 des Innenteils 111 und dem Flansch 116 des Außenteils 115 er kennbar. Fig. 4 zeigt ein erfindungsgemäßes koaxiales Pulverdüsenspitzenmodul 110 in einer Draufsicht auf seine Rückseite 119. In dieser Ansicht ist der Flansch 113 des Innenteils 111 sowie die konisch zulaufende Bohrung 114 in der Mitte des koaxialen Pulverdüsenspitzenmoduls 110 zu erkennen. Weiterhin ist das Loch- kreismuster 120 mit den Bohrungen 112 zu erkennen, durch das Pulver-Gas- Gemisch leitbar ist. Das Lochkreismuster 120 bildet einen Ring mit einem Innen durchmesser, gebildet durch die Tangente an die zur Ausbreitungsachse 200 der Laserstrahlung weisenden Bohrungsränder, und einem Außendurchmesser, gebildet durch die Tangente an die der Ausbreitungsachse 200 der Laserstrah- lung abgewandten Bohrungsränder. Dieser Ring weist Stegflächen zwischen den einzelnen Bohrungen 112 auf, wobei die Stegflächen maximal 15% der Gesamt fläche des Rings einnehmen. Durch die Bohrungen 112 kann das Zusatzmaterial in Form eines Pulver-Gas-Gemisches in Richtung der zu bearbeitenden Werk stückoberfläche geführt werden. Dadurch, dass die Stegflächen maximal 15% der Gesamtfläche des Rings einnehmen, ist gewährleistet, dass das Zusatzmaterial gleichmäßig über dem Umfang verteilt in das koaxiale Düsenspitzenmodul einge bracht wird, wodurch eine über den Umfang gleichmäßig verteilte Aufschmelzung des Zusatzmaterials stattfinden kann und somit die Qualität der Oberflächenbear beitung erhöht wird. Die hier gezeigten Ausführungsformen stellen nur Beispiele dar und dürfen daher nicht einschränkend verstanden werden. Alternative durch den Fachmann in Erwägung gezogene Ausführungsformen sind gleichermaßen vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung umfasst.

Bezugs- und Formelzeichenzeichenliste:

100 Koaxiale Pulverdüse

1 10 koaxiales Pulverdüsenspitzenmodul 1 1 1 Innenteil

112 Bohrung

113 Flansch

114 Bohrung

115 Außenteil

116 Flansch

118 Spitze

119 Rückseite

120 Lochkreismuster

130 Ringspalt

131 Modulkammer

140 Distanzring

150 koaxialer Pulverdüsengrundkörper

151 Kühlkanal

152 Grundkörperkammer

153 Pulverzuführung

155 Kühlmittelzuführung

156 Kühlmittelableitung

200 Ausbreitungsachse der Laserstrahlung