Beschreibung

Werkzeugmaschine , Messvorrichtung , Verfahren zum Erstellen id te , Auftragaechweißverfahren,

Werketüclctemperiervorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine, eine Messvorrichtung, eine

Werkstücktemperiervorrichtung, ein Verfahren zum

Erstellen von Arbeitsdaten und ein

weißverfahre .

Bisher wird das Auftragsschweißen als

konstruktives Arbeitsverfahren vorrangig zur

Beschichtung von Gegenständen mit gewünschten

Überzügen oder für endkontürnahe Reparaturschweißungen verwendet . Vor allem problematisch für die komplette Fertigung von Werkstücken mittels

Laserai g > · lweißens sind die folgenden Aspekte :

Das Auftragsschweißen an sich ist ein

konstruktives Verfahren mit vergleichsweise geringer Maßgenauigkeit. Schon rein durch die Ongenauigkeiten des Aufschweiß organgs für sich alleine muss mit

Toleranzen gerechnet we den, die 1 mm und mehr

betragen können .

Darüber hinaus ist da s Auftragsschweißen ein "heißes" Verfahren. Das zu verschweißende Material ist flüssig und hat in der Regel eine Temperatur von über 1500 °C, Bei Beschichtungen und lokalen Reparaturen erfolgt der Materialauftrag auf relativ große

Wärniesenken, sodass das aufgetragene Material sehr schnell abkühlt. Wenn dagegen ein Werkstück

vollständig gefertigt werden soll, sind in der Nähe des aufgeschweißten Materials keine kalten Wärmesenken vorhanden, sondern lediglich allenfalls ihrerseits vorher aufgeschweißte Werkstückteile, die ihrerseits noch warm sind. Dann kühlt das aufgeschweißte Material zwar noch vergleichsweise schnell (bei Eisen/Stahl) auf unter Rotglut (unter 500 °C) ab, aber es stellen sich doch relativ hohe Werkstücktemperaturen ein. Sie können bei 100 bis 200 °C oder mehr liegen. Der

Wärmeausdehnungskoeffizient von Eisen ist

10 ^"5 / °C . Ein Temperaturgang von beispielsweise 300 °C zwischen Fe t i gungstemperatur ( etwa über 300 °C) eines Werkstücks und Verwendungstemperatur -etwa

Zimmertemperatur) führt zu einer Größenveränderung von 3 x 10 ^~3 oder 3 i . Bei einer Gesamtabmessung eines Werkstücks von beispielsweise 100 mm beträgt die

Temperaturvarianz der Dimension dann 300 pm. Dies sind Größenordnungen, die in vielen Anwendungen völlig inakzeptabel sind.

Die OS 7020539 Bl beschreibt ein System und ein Verfahren zur Herstellung oder Reparatur eines Teils. Das System weist eine Auftragsstation auf, die dazu dient, aufeinanderfolgende zweidimensionale

Material schichten aufzutragen, um das dreidimensionale Teil herzustellen- Es weist auch eine

Bearbeitungsstation auf, um zumindest einen Teil einer oder mehrerer der aufgetragenen zweidimensionalen Schichten zu entfernen. Der Auftrag kann mittels

Laserauftragschweißen geschehen. Es kann ein

mehrachsiger Rc ho+-^ ^ sein, um die

Ablagerung zu vollziehen . Die Bearbeitu«

weist eine Mehrachs-Bearbeitungsmaschine und einen automatischen Werkzeugwechsler auf .

Der Artikel "Laser-Einheit macht

Äuftragsschweißeri auf Bearbeitungszentrum möglich" von Nowotny und anderen i "MM Das Industriemagazin",

17/2009, Seite 42 ff . , beschreibt eine

Laserbearbeitungsoptik, die über einen \ \ >■ ι in die Frässpindel einer CNC-Maschine eingesetzt wird , In den Laser-Brennfleck wird Schweißgut durch eine

Pulverdüse zugeführt . In der gleichen Maschine kann das Werkstück werden .

Aufgabe der Erfindung ist es, eine

Werkzeugmaschine, ein Auftragsschwel ren und

Komponenten hierfür an >en, die eine präzise

Fertigung von Werkstücken mittels

Laserauf ¹ ;h «.eißens erlauben.

Diese mit den Merkmalen der

unabhängigen Patente , : s _^ · , . Äbhä

Pate tan ivorzugte Ausführungsformen der Erfindung gerichtet .

Eine Werkzeugmaschine hat eine Maschinensteuerung, einen Maschinenräumen, einen Werkstücktisch, einer v , · ch einer Norm ( SK, HSK) > ^' Werkzeugaufnahme, die das Antriebsende einer Spindel sein kann, mehrere translatorische und/oder

rotatorische Achsen zur Einstellung einer relativen Lage zwischen Werkstücktisch und Werkzeugaufnahme _» ein Werkzeugmagazin für ein oder mehrere

materiaiabtragende, insbesondere spanende Werkzeuge, einen Werkzeugwechselmechanismus zum automatischen Verbringen von Werkzeugen zwischen Werkzeugaufnahme und We kzeugmagazin, der einen automatisch arbeitenden Arm zum Verbringen des Werkzeugs zwischen

Werkzeugauf ahme und Werkzeugmagazin aufweisen kann, einen in die Werkzeugauf ahrae einsetzbaren

Auftragsschweißkopf, und einer Lagereinrichtung zum Lagern des Auf ragsschweißköpfs jenseits der

Werkzeugaufnahme, wobei die Lagereinrichtung jenseits des Werkzeugmagazins vorgesehen sein kann.

Der automatische Wechsel zwischen

Auftragsschweißen und Materialabtrag führt zu einem zügigen Arbeitsfortschritt , der gut vorhersagbar ist, so dass auch thermische Verhältnisse und Effekte besser vorhersagbar und damit in der Fertigungspianung besser antizipierbar sind.

Die Lagereinrichtung kann eine Verfahreinrichtung aufweisen zum translatorischen und/oder rotatorischen Verfahren des gelagerten Auftragsschweißkopfs zwischen einer Parkposition und einer Wechselposition, die von der Werkzeugauf ahme angefahren werden kann zum

Aufnehmen bzw. Ablegen des Auftragsschweißkopfs . Der Auftragsch eißkopf wird als selbständiger Teil der Erfindung angesehen und weist eine

vorzugsweise einen Laserstrahl verwendende

Verschweißeinrichtung auf, eine Schweißmaterialzufuhr zum Zuführen von Schweißmaterial (Metall,

Keramik, .. « ) zur Auftragsschweißstelle, wobei die Zufuhr zum Zuführen eines Drahts oder von

Materialpartikeln mit einem Fluidstrom ausgelegt sein kann, eine Schutzgaszufuhr, einen flexiblen

Lei - hlepp zum Zuführen von Laserlicht und/oder Schweißgasmaterial und/oder Schutzgas und/oder elektrischer Energie und/oder elektrischen Signalen. Es kann weiterhin eine ortsauflösende

Temperatursensorik vorgesehen sein .

Eine insbesondere in einem

hweißverfahren verwendbare Messvorrichtung zum Veriti ^■ i : Werkstücks in einer

Auftragsschweißmaschine wird als selbständiger Teil der Erfindung angesehen . Sie kann als Einheit oder mittels verteilter Komponenten verwirklicht sein. Sie kann ganz oder teilweise als Baueinheit mit und somit an einem Laserschweißkopf oder separat davon

ausgebildet sein.

Die Messvorrichtung '— - .- Positionsmesseinrichtung zum Ermitteln von

Positionsdaten, vorzugsweise in drei Dimensionen, von Oberflächenpunkten ein rtigten Werkstücks, eine

Temperaturmesseinrichtung zum Ermitteln von

Temperaturdaten betreffend die Temperatur an einem Oberflächenpunkt zeitnah zur Vermessung des Punkts mit der Positionsmesseinrichtung, und eine

Speichereinrichtung zum Speichern von Positrons- und Temperaturdaten mehrerer Oberflächenpunkte in

zueinander zuordenbarer Weise. Die Speichereinrichtung kann auch Zeitdaten betreffend Messzeitpunkte von Oberflächenpunkten in zuordenbarer Weise speichern.

Eine We kstücktemperiervorrichtung für ein in einer computergesteuerten Werkzeugmaschine zu

fertigendes Werkstück hat einen Anbringbereich zum Anbringen der Vorrichtung auf einem Werkzeugtisch der Werkzeugmaschine, einen Werkstückbasisbereich, der eine Werkstückbasis ist oder aufnimmt, eine Steuer- oder regelbaren Heizung, die zwischen Anbringbereich und Werkstückbasisbereich vorgesehen ist zur Beheizung des Werkstückbasisbereichs, und eine thermische

Isolierung zwischen Heizung und Anbringbereich. Ein Verfahren zum Erstellen von Arbeitsdaten für eine Auftragsschweißmaschine zum Fertigen eines

Werkstücks ausgehend von gespeicherten Werkstückdaten und weiteren Daten ist dadurch gekennzeichnet, dass zur Erstellung der Ärbeitsdaten für die Maschine nach Maßgabe der Werkstückdaten, von Prozesskennwertdaten und weiterer Parameter Fertigungsdynamikdaten

ermittelt werden, die den zeitlichen Verlauf der Fertigung widerspiegein, nach Maßgabe der

Werkstückdaten, der Kennwertdaten und der

Fertigungsdynamikdaten temperaturbezogene Daten ermittelt werden, die Temperatureffekte auf Werkstückteile beschreiben, und die Arbeitsdaten auch nach Maßgabe der temperaturbezogenen Daten erzeugt werden . Ein Auftragsschweißverfahren hat die Schritte

Erzeugen von Ärbeitsdateii für Aweißen, Ansteuern der Maschine nach Maßgabe der Arbeitsdaten, während der Fertigung ortsauflösende Messung von

Temperaturen und Werkstückoberflächenpositionen,

Oberprüfen der Messwerte, und nach Maßgabe des

Überprüft · t , > .odifizieren ein ^« >der

mehrerer der folgenden Arbeitsparameter :

Vorschubgeschwindigkeit relativ zwischen

Auftragsschweißkopf und Werkstück, Schweißheizleistung, Material zufuhrrate, Material zufuhrgeschwindigkeit ,

Laserfokussierung .

Nachfolgend werden bezugnehmend auf die

Zeichnungen einzelne Aus führungs formen der Erfindung beschrieben. Es zeigen

Figur 1 schematisch eine Werkzeugmaschine,

Figur 2 schematisch einen Auftragsschweißköpf, Figur 3 schematisch ein Verfahren zur

Datei ' .mg für das Auftragsschweißen,

Figur 4 schematisch Optionen zu Figur 3,

Figur 5 eine Werkstücktemperierung .

Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße

Werkzeugmaschine . Sie weist aligemein

Maschinensteuerung 19 auf, die mit einer nicht

. Spei chereil" ig mit verbünde kann . Die Maschinensteuerung kann ein einzelner Rechner sein oder ein in geeigneter Weise verbundenes Verbund mehrerer Rechner und/oder sonstiger (digitaler)

Einheiten. Sie können, müssen aber nicht alle "vor Ort" nahe bei der Maschine stehen und über geeignete Einrichtungen (Netz, drahtlos) miteinander verbunden sein. Die Maschinensteuerung 19 steuert die

maßgeblichen Funktionalitäten der Maschine und kann hierzu Daten von Sensoren 18 in der Maschine empfangen und Steuerungssignale für den Betrieb der Maschine ausgeben .

Insbesondere kann die Maschinensteuerung 19 nach Maßgabe von Arbeitsdaten arbeiten, die zur AnSteuerung der Maschine für die Fertigung eines konkreten

Werkstücks erzeugt wurden. Die Arbeitsdaten können ein ausführbares Programm sein oder nicht, ausführbare Daten, die von einem in der Steuerung laufenden

Programm abgerufen werden.

Die Maschine weist einen Maschinenrahmen 11 auf, an dem in der Regel mittelbar über dazwischenliegende Stellachsen 12a, 12b einerseits ein Werkstücktisch 13 und andererseits eine Werkzeugaufnahme 14 angebracht sind. Die Achsen 12a, 12b können mehrere

translatorische (x, y, z) oder rotatorische ( φ, λ, Θ) Achsen aufweisen, die nach Maßgabe der

Maschinensteuerung 19 einstellbar sind. Die Auslegung kann so sein, dass die Werkzeugaufnahme 14 über ein, zwei oder drei translatorische Achsen am

Maschinenrahmen befestigt ist, während der Werkstücktisch 13 über eine, zwei oder drei rotatorische Ächsen am Maschinenrahmen befestigt ist. Werkzeugmaschinen weisen in der Regel (nicht gezeigte) abgeschlossene Kabinen auf, die Spanflug und ähnliches in die Umgebung unterbinden.

Die Werkzeugaufnähme 14 ist vorzugsweise nach einer Norm ausgebildet, insbesondere gemäß SK oder gemäß HSK. Sie kann das abtriebseitige Ende einer Spindel sein . Die Spindel kann ein in die

Werkzeugaufnahme einzusetzendes Werkzeug 15 in

Drehbewegung versetzen. Die Systemauslegung kann so sein, dass Drehzahlen von 10,000 Umdrehungen pro

Minute und mehr verwendet werden. Das in die

Werkzeugaufnahme 14 einzusetzende Werkzeug 15 kann ein konventionelles Abtragswerkzeug sein (Fräser, Bohrer, Drehmeißel) , oder kann eher dem

Spe »earbeitungstt- zuordenbar sein

(Laserabtragswerkzeug, Ultraschallwerk; · oder ähnliches) .

Viele unterschiedliche Werkzeuge 15a, 15b, c,d, ... können in einem Werkzeugmagazin 16 gelagert, sein. Ein w · · .. > . mg de : · mg 19 stehender

automatischer Werkzeugwechselmechanismus ist

v ^~ >< ' en, um Werkzeuge 15 aus dem Magazin 16 zu entnehmen und der Spindel/Wer : t ahme 14

zuzuführen und umgekehrt. Der

Werl 'Wechselmechanismus wird in der Regel einen separaten Werkzeugwechsler 17 aufweisen, der Werkzeuge zwischen einer geeignet positionierten Werkzeugaufnahme 14 der Maschine und den

Lagerpositionen im Magazin 16 hin- und

hertransportiert. In einer einfachen Ausführungsform kann der Mechanismus aber auch lediglich in einer geeigneten Änsteuerung der Werkzeugauf ahme 14

dahingehend bestehe , dass sie ein zugängliches

Werkzeug in einer bekannten Position anfährt und aufnimmt bzw. ablegt.

Dartiber hinaus weist die Maschine einen

Auftragsschweißkopf 20 auf. Auch er ist in die

Werkzeugauf ahme 14 einsetzbar bzw. aus ihr

herausnehmbar. Diese Maßnahmen sind unter Steuerung der Maschinensteuerung 19 automatisch durchführbar. Es ist eine Lagereinrichtung 25 vorgesehen, um bei

NichtVerwendung des Äuftragsschweißkopfs 20 diesen jenseits der Werkzeugaufnahme 14 lagern zu können. Die Lagereinrichtung 25 kann separat vom Werkzeugmagazin 16 ergesehen sein .

Auch für den Auftragsschweißkopf 20 ist ein automatisches Aufnehmen und Ablegen vorgesehen. Auch er kann mit einem separaten Wechselarm zwischen

Lagereinrichtung 25 und einer von der Werkzeugaufnahme 14 anfahrbaren Position verbracht werden. In einer anderen Ausführungsform ist es möglich, eine

Verfahreinrichtung 29 vorzusehen, die die Halterung der Lagereinrichtung 25 zwischen einer Wechselposition und einer Parkposition verfährt. Die Wechselposition befindet sich in einer von der Werkzeugauf ahme 14 zugänglichen Position, während die Parkposition sich in einer zurückgezogenen Position befindet. Die

Verfahreinrichtung kann einen Arm aufweisen, an dessen Ende die Halterung des Auftragsschweiß! ι und der translatorisch und/o h zwischen den

.annten Positionen verfahren wird. Auch er steht unter Steuerung der Maschinensteuerung 19.

Es kann eise verfahrbare Abschirmung

29a vorgesehen sein, die bspw. als offen™ und

schließbare ür a ^■ . . kann, um den

I , - , - :hweißkopf 20 sse abzuschirmen. Spanende

Werkstückbearbeitungen werden sicher zu Spänen in der Maschinenkabine führen . Darüber hinaus können

Kühlmittel vorgesehen sein, die einen abtragenden

Prozess sehr "schmutzig" machen, sodass die

Abschirmung der nicht benötigten Werkzeuge,

insbesondere ¹ > ; , < ^> eißkc ; > ^f , , sinnvoll sind .

Der Auftragsschweißkopf 20 wird in der Regel einen Leitungsschlepp 24 aufweisen, um benötigte

Medien und elektrische Energie und Signale zuzuführen bzw. abzuführe . Der Leitungsschlepp 26 kann einen

Llchtweilei , ι zum Zuführen ei- n I E ufuhr zum

Erreichen der Schweißtemperatur, eine

Material zuführleitung zum Zuführen des zu

verschweißenden Materials , wobei diese Leitung eine

Fluidförderleitung sein kann , mittels derer

beispielsweise Materialpulver (Metall , Eisen, Stahl, Keramik, ... ) in einem geeigneten Fluid, etwa Inertgas, in geeigneten Raten/Mengen/Geschwindigkeiten der

Arbeitsstelle zugeführt werden, eine Schutzgasleitung zur separaten Zuführung von Schutzgas zum Schützen des Prozesses gegen Umwelteinflüsse, Späne u . ä . ,

elektrische Leitungen für Energie für Verbraucher im Auftragsschweißkopf,. Signalleitungen für

Steuerungssignale für steuerbare Komponenten im

Auf ragsschweißkopf, Signalleitungen für Signale von Komponenten im Auftragsschweißköpf, etwa Sensoren 23 oder sonstige signalisierende Komponenten.

Die vorhandenen Leitungen können zu einem

gemeinsamen Leitungsschlepp (intern 24, extern 26) zusammengefasst sein, der ausreichend lang ist und mit dem Auftragsschweißkopf 20 mitgeführt wird. Statt als fluidgeforciertes Pulver kann das zu erschweißende Material auch als Draht zugeführt werden.

Für das Auftragsschweißen kann Sensorik 23 vorhanden sein, die die oben beschriebene

MessVorrichtung ganz oder teilweise bilden kann. Die Messvorrichtrung/Sensorik 23 kann am

Auftrags-schweißköpf 20 angebracht sein oder ganz oder teilweise separat davon, vorgesehen sein. Die Sensorik kann zur ortsauflösenden Teinperaturmessung geeignet sein. Die Ortsaufiösung kann so gewählt werden , dass die Temperatur der Schweißschmelze und benachbarter Werkstückbereiche separate zuverlässig bestimmt werden kann. Die Ortsauflösung kann im Millimeterbereich liegen und besser als 2mm oder besser als 1mm oder besser als 500 um sein, Sie kann gröber als 10 pm oder gröber als 20 pm sein. Die emp irsensorik kann beispielsweise eine gepixelte Wärmebildkamera

aufweisen, ale fortlaufend erzeugt und über

Leitungen, etwa im Leitungsschlepi > ¹ , ι der

Steuerung 19 zuführt.

Die Sensorik kann darüber hinaus Positions- bzw, Geometriesensorik aufweisen, die in Echtzeit

gefertigte Werkstückteile vermisst, vorzugsweise dreidimensional _» und · > ebe > über den ilepp 24 schließlich der Steuerung 19 zuführt. In einer Ausführungsfοπχι kann ·. - Temperatursei < . - « k am Auftragsschweißkopf 20

angebracht sein, während die

Oberflachen/Geometrie/Positionssensorik separat davon und bspw. fest in der Maschinenkabioe ^■ hen sein kann. Sie kann einen oder mehrere Laserliniensensoren oder Flächensensoren auf ¹ n.

Als Teil der Messvorrichtung/Sensorik 23 wird eine Speichereinrichtung angesehen, die

zusanmenge] aes s ene Daten (Temperatur, Ort und

. Zeit) einander zuordenbar speichert, um sie später verwenden zu können. Insl dere sollen

Temperaturdaten und Geometriedaten ler Orte einander zuordenbar gespeichert werden. Auch

zuordenbar können hierbei Zeitdaten gespeichert werden, die den . j tt; angeben. Es en ' > auf diese leise ein « ( Fertigungsprotokoll, das separat ausgewertet werden kann. Es sei insoweit darauf verwiesen, dass der gleiche Werkzeugort mehrfach temperaturvermessen werden kann, etwa ein erstes Mal unmittelbar bei seiner Fertigung im

Schmelzbad, und ein oder mehrere Male später als Ort jenseits des momentanen Fertigungsorts mit dann in der Regel geringerer Temperatu . All diese Daten können einander zuordenbar gespeichert werden.

Die Speicherung kann in bestimmten Formaten geschehen, etwa unter XML ausgezeichnet, oder

jedenfalls in einer bestimmten Umgebung bzw. unter einem bestimmten Programm zuordenbar.

Insoweit wird auch ein Verfahren zur Erstellung eines Fertigungsprotokolls wie oben beschrieben als eigenständig beanspruchbarer Teil der Erfindung gesehen.

Figur 2 zeigt schematisch einen

Auftragsschweißkopf. 21 ist eine Kupplung hin zur Werkzeugaufnahme 14 der Maschine 10. Sie ist

vorzugsweise standardisiert ausgebildet, etwa gemäß KSK oder SK, und komplementär zur Werkzeugauf ahme 14. 24 symbolisiert den oben beschriebenen Leitungsschlepp 22 ist der Körper des Auftragsschweißkopfs, in dessen Innerem sich die benötigten Komponenten befinden, etwa Laserlichtlenkung und -fokussierung, Steuerung und Führung der verschiedenen Medien, Aktorik, weitere Sensorik, usw.

Mit 28 sind die verschiedenen Artefakte

angedeutet, mit denen der Auftragsschweißkopf 20 auf das Werkstück einwirkt. Mit 28a ist ein fokussierter Laserstrahl symbolisiert, der in der Regel zur momentanen Werkstückoberfläche hin fokussiert wird c c ^r i -»^gen defokusiert ist . Zum Sch > ·. -1 t optischen Komponenten im Kopf ist der ^» gel 28a von einem Sch egel 28b umgeben, der durch eine Düse erzeugt wird. Noch weiter außen ist mit 28c die Zuführung des Schweißmaterials angedeutet. Beim Pulverschweißen wird das Material (Metall , Eisen, Keramik, oder ähnliches) granuliert oder pulverförinig in einem Fluidstrom zugeführt, wobei das E'iuid in der Regel ein Gas bzw. Schutzgas {Argon, Stickstoff, oder ähnliches ) ist . Oh e. Fluid kann das Schweißmaterial auch als Draht zugeführt werden .

Mittels der Maschinenachsen 12a und 12b wird bei Benutzung der Auftragsschweißkopf 20 wie gewünscht über die Werkstücke! lrt und trägt auf diese Material auf . Das Material kann Eisen oder eine Eisenlegierung sein, insbesondere Stahl. Es kann sich aber auch um Keramik oder andere Materialien handeln .

Mit: 27 sind ·. ^> J , -ungskomponenten für ,,

Ä..: : ·' \ uweißkopf symbe . » weisen eine

Laserquelle 27a auf, eine Schweißir ^" , eine Sch · n ' ' - und ggf . elektronische

(digitale) Komp n - ^« , 27d für den Betrieb des

Auftragsschweißkopfs . Sie sind als separat neben der Maschi · d let , Sie können aber auch ganz oder teilweise; in die Maschine integ . und nicht separat wahrnehmbar sein, über einen externen

Leitungsschlepp 26 sind sie mit der Maschine 10

verbunden. Der Betrieb des Schweißkopfs 20 und seiner elektronischen Komponenten 27d kann unter der

Steuerung der allgemeinen Maschinensteuerung 19 stehen.

Eine weitere Hardware-Komponente ist in Figur 5 gezeigt. Es handelt sich um eine

Werkstücktemperiervorrichtung 50. Sie dient dazu,

Werkstücktemperaturen tendenziell eher hoch zu halten, sodass zumindest während der Werkstückhersteilung beim Auftragsschweißen Temperaturgradienten von der

momentanen Arbeitsstelle weg kleiner werden, sodass auch die Verhältnisse besser vorhersehbar bzw.

simulierbar sind .

Die Vorrichtung 50 wird zwischen Werkstücktisch 13 und Werkstückbasis 59 eingeschoben. Sie weist einen Anbringbereich 52 auf, mittels dessen die Vorrichtung am Werkzeugtisch 13 befestigt werden kann, etwa indem sie mittels Schrauben verschraubt oder mit

Spannpratzen 56 verspannt wird. Sie weist darüber hinaus wei er eine Heizung 51 auf, Sie kann elektrisch arbeiten oder mittels eines Fluids. Die Heizung kann steuerbar oder regelbar sein. Nicht gezeigt sind ggf . auch vorhandene Temperatursensoren zur Messung der Temperatur sowie deren Leitungen.

Der Werkstückbasisbereich 53 der

Temperiervorrichtung 50 liegt zwischen Heizung und dem eigentlichen Werkstück. Auch er ist: dazu ausgelegt, dass die Werkstückbasis 59 in geeigneter Weise daran befestigt werden kann. Er kann beispielsweise so wie ein Werkstück' h gestaltet sein. Sowohl der

Anbringbereich 52 als auch der Werkstückbasisbereich

53 können flächige Oberflächen aufweisen und können aus mehr oder minder massiven Metallplatten aufgebaut sein bzw. diese aufweisen. Die Heizung 51 heizt den Werkstückbasisbereich 53 und damit mittelbar flächig die Werkstückbasis 59. Damit wird das Werkstück gleichmäßig auf einer bestimmten Temperatur gehalten.

Weiter vorgesehen sein kann eine Isolierschicht

54 zur thermischen Isolierung der Heizung gegen den Werkstücktisch 13 und da] .t die Maschine. Je nach Notwendigkeit bzw. Leistung kann auch ei e

Kühlei richtung 55 vorgesehen sein, die zwischen

Isolierung 54 und Anbringbereich 52 liegt . Auch sie kann nicht gezeigte Sensorik mit Leitungen aufweisen. Es kann sich um eine Fluidkühlung, etwa eine

Wasserkühlung, mit entsprechenden Anschlüssen handeln . n . sind die entsprechenden Anschlüsse für edien/F] ¹ » ale/Ene . Sie sind aber natürlich vorhanden und können in Form eines

hlepps von der Temp ;vo , ng 50 weg hin zu einer nicht gezeigten Versorg richtung ausgebildet sein. Soweit der Werkzeugtisch 13 für kontinuierliche Rotation vorgesehen ist bzw . verwendet werden soll, können Leitungsschleppe nicht verwendet werden . Statt eines Leitungsschlepps können dann Durchführungen der Leitungen durch die Maschinenachsen vorgesehen sein.

Die Heizung kann zur Beheizung des

Werkstückbasisbereichs bzw. der Werkstückbasis 59 auf Temperaturen von über 100° oder über 150° oder über

200° oder über 250° ausgelegt sein. Eine Obergrenze kann 400 °C oder 350 °C oder 300 °C sein. Die allermeisten Werkstückteile werden zwar durchaus heiß sein, aber in ihrer Temperatur unter der Rotglut (bei Eisen/Stahl unter 500 °C ) liegen, also in der Regel unter 400 °C. Wenn dann von der

Temperiervorrichtung 50 her eine Temperatur von

beispielsweise 250 °C eingestellt wird, wird der

Temperaturgradient längs des Werkstücks deutlich

verringert, sodass die thermischen Verhältnisse

vorhersehbarer sind und deshalb leichter berechnet und beim Entwerfen der Bearbeitungsdaten antizipiert werden können.

Anhand von Figur 3 wird ein Verfahren zur

Erstellung von Arbeitsdaten für die Werkzeugmaschine beschrieben. Die Arbeitsdaten sind diejenigen Daten, die einer Werkzeugmaschine zugeführt werden und nach deren Maßgabe die Maschine dann die Fertigung des

Werkstücks durchführt. Es kann sich bei diesen Daten um ein ausführbares Programm handeln, oder es kann sich um Daten handein, die ein anderweitiges Programm liest, um die entsprechenden Aktivitäten durchzuführen. Allgemein können die Arbei sdaten die Steuerung sämtlicher Aktorik umfassen, also die Steuerung der Achsen, die Steuerung der Auftragsschweißparameter, I'J > .<ng des erkzeug-Handlings, u - ' - ,· ·ang gn ^" . der Temperiervorrichtung und vieles meh . Die Arbeitsdaten können auch das Auslesen von Sensorik und die Bearbeitung von Sensorikdaten steuer .

Da, wie eingangs erläutert,

Auftrangsschweißverfahren komplex dahingehend sind, dass für die maßgenaue Fertigung von Werkstücken große Temp trveränderungen berücksichtigt werden müssen, genügt es beim Auftragsschweißen nicht, Arbeitsdaten

34 einer Werkzeugmaschine wie üblich aus

Merkstückdaten 33, Prozesskenndaten 32 und wählbaren Parametern 31 heraus zu bestimmen. Vielmehr müssen Temperatureffekte berücksichtigt werden .

Die Werkstückdaten 33 können CAD-Daten _ ., die aus . .i .mmen gewonnen wurden und die ein Werkstück vektoriell oder ähnlich einer Bitmap etwa als Voxel für die Zwecke der Fertigung

vollständig beschreiben. meine Kennwerte des weißvorgangs. Es handelt sich hier um grundlegende Daten hi - ^e *· ^♦■ - *.·'*· : iittperafuren, nötiger Materialflüsse, möglicher Geschwindigkeiten, nötiger Schweißleistungen, Energien, Geschwindigkeiten und ähnliches. Die Daten 31 symbolisieren wählbare Parameter, die gesetzt werden können. Wenn beispielsweise

Freiheitsgrade dahingehend gegeben sind, zwischen Fertigungsgeschwindigkeit und Fertigungsgüte wählen zu können, können hier entsprechende Angaben gemacht werden. In herkömmlichen Systemen werden aus diesen Daten Arbeitsdaten 34 erzeugt, nach deren Maßgabe dann die Werkstückfertigung erfolgt.

Daneben werden aus den genannten Parameterdaten 31, Prozesskennwerten 32 und Werkstückdaten 33 aber auch Fertigungsdynamikdaten 35 ermittelt. Diese Daren spiegeln das Entstehen des Werkstücks über der

Zeitachse wieder, insbesondere Fertigungszeitpunkte bestimmter Werkstückstellen. Da Temperaturverhältnisse wegen des Temperaturausgleichs über der Zeit ganz entscheidend auch von Zeitverläufen abhängen, ist es wichtig zu. wissen, wie der Werkstückaufbau über der Zeit erfolgt.

Es sei darauf hingewiesen, dass die Heizleistung im System beträchtlich sein kann. Ein Schweißlaser kann typisch mehrere 100 W bis 10 kW Leistung haben, und die Temperiervorrichtung kann Leistung in de gleichen Größenordnung eintragen. Diese Leistungen werden in Wärrae umgesetzt. In der vergleichsweise kleinen Maschinenkabine (bspw . Volumen 1 m ^A 3) wird da n bspw. mit 5 kW geheizt. Die Temperatureffekte sind deshalb beträchtlich. Nimmt man beispielsweise an, dass mittels

Auftragsschweißens ein sich nach oben öffnender

Trichter zu fertigen ist, kann dieser durch spiraliges Führen des Auftragsschweißköpfs mit gröler werdendem Durchmesser relativ zum momentanen Trichterrand des schon existierenden Werkstück bewerkstelligt werden. Die Fertigungsdynamikdaten geben dann an, zu welchen Zeiten bestimmte Werkstückstellen oder

Werkstückbereiche gefertigt werden.

Wenn möglich, können die Fertigungsdynamikdaten wie oben t>?, trieben auch anders als ausgehend von den gezeigten Eingangsdaten 31 , 32, 33 ermittelt werde . Diese Eingar ten können bspw. nur teilweise genutzt werden, zum Beispiel nur die Werkstückdaten 33, um Einträge in einer Bibliothek abzurufen oder

ähnliches, un , . die Fertigungsdynamikci ¹ ~ r, 35 zu generieren .

Die Fertigungsdynamikdaten 35 können dann

zusammen mit weiteren Daten verwendet werden, um

temperaturbezogene Daten 36 zu ermitteln. Hierbei können thermische Simulationen (finite-Elemente- Verfahren, Voxel, ...) vorgenommen werden, die

Wärmeleitfähigkeiten, fortwährend den Energieeintrag durch das fortgeführte Schweißen und ggf . auch durch die Temperiereinrichtung, Energieabfluss durch

Wärmeleitung und Wärmestrahlung, und ähnliches

berücksichtigen. Diese Simulationen können komplex, aufwändig und rechenintensiv sein . Auf diese Weise entstehen temperaturbezogene Daten 36, die einerseits ortsauflösend Angaben direkt über die Temperatur von Werks ückteilen bzw. Werkstückbereichen machen, die dann auch zu weiteren Auswertungen herangezogen werden können, etwa zur Ermittlung von Wärmedehnungen lokal oder des gesamten Werkstücks, Temperaturgradienten und ähnlichem.

Diese temperaurbezogenen Daten 36 können

ortsauflösend in der Weise vorhanden sein, dass für unterschiedliche Werkstücksteilen unterschiedliche

Größen vorliegen. Die Ortsauflösung kann im Bereich von besser als 10mm oder besser als 5 mm oder besser als 2 mm oder besser als 1 mm liegen. Insbesondere geben die temperaturbezogenen Daten 36 dann an, wie sich die relativ hohe Arbeitstemperatur lokal und global auf die Werkstückdimensionen während der

Fertigung auswirkt. In der Regel führen die hohen

Temperaturen dazu, dass das Werkstück während der

Fertigung größer ist als danach, wenn die Temperaturen ausgeglichen sind.

Anhand der temperaturbezogenen Daten 36 kann dies bei der Erstellung der Arbeitsdaten 34 antizipiert, werden, insbesondere dahingehend, dass das Werkstück systematisch "zu groß" gefertigt wird, was aber nach Abkühlung und Temperaturausgleich wieder zu einer richtigen Dimensionierung führen wird.

Anders als gezeigt müssen die temperaturbezogenen Daten 36 nicht erst dann errechnet werden, wenn die

Fertigungsdynamikdaten 35 vollständig errechnet wurden. Vielmehr können diese auch quasi gleichzeitig

ermittelt werden und als Datensätze insgesamt quasi ( hzeitig entstehen.

Wenn möglich, können die temperaturbezogenen

Daten 36 wie oben beschrieben auch anders als

ausgehend von den gezeigten Eingangsdaten ( 31 , 32, 33 , 35) ermittelt werden. Die Eingangsdaten können bsp , nur teilweise genutzt werden, zum Beispiel nur die Werkstückdaten 33, um Einträge in einer Bibliothek abzurufen oder ähnliches, um so die

temperaturbezogenen Daten 36 zu generieren . lie in Figur 4a gezeigt, ist es eine Möglichkeit, die temperaturbezogenen Daten 36 dazu zu verwenden, die Werkstückdaten 33 (Solldaten) auf die bei der Fertigung ι · ien Temperaturen umzurechnen. Es wird auf diese Weise ein in der Regel, entsprechend der thermischen Ausdehnung größeres "Soll" ei . In

Figur 4a ist dies mit 33 ' angedeutet . Dieses größere Soll 33 ' wird dann mit den übrigen Daten zur

Generierung der Arbeitsdaten 34 verwendet .

Eine andere Mö< rwendung der temperaturbezogenen Daten 36 ist in Figur 4b

Scherns ' ^■ Ί Hier werden die schon ermittelten Arbeitsdaten 3 ' als vorläufig angesehen und

entsprechend den Temperaturdaten 36 auf die

tatsächlich herrschenden Temperaturen umgerechnet. In der Regel wird dies auch zu einer Vergrößerung der Gesamtdimensionen entsprechend der thermischen

Expansion während der Fertigung führen. in einer weiteren Ausführungsform können bei der Erstellung von Arbeitsdaten auch Rekursionen

hinsichtlich der Temperaturverhäitnisse stattfinden. Wenn in einem ersten Durchlauf temperaturbezogene Daten 36 ermittelt werden, können diese (etwa lokale emperatur, lokaler Gradient) an and von Grenzwerten bzw. Solibereichen überprüft werden. Beispielsweise kann überprüft werden, ob es zu überhitzungen kommt, feststeilbar an sehr bzw. zu hohen Temperaturen . Dies kann beispielsweise bei kleinen Werkstücken oder feinen Werkstückstrukturen passieren, bei denen die Schweißlaserleistung lange in eine umgrenzte Region eingetragen wird. Werden GrenzwertÜberschreitungen festgestellt, können modifizierte Parameter generiert werden, etwa ein schneller Vorschub oder eine

verringerte Laserleistung, die dann wiederum zu geänderten Dynamikdaten (nicht gezeigt in Fig. 3) führen, die ihrerseits zu geänderten

temperaturbezogenen Daten führen.

Anhand der temperaturbezogenen Daten 36 bzw .

anhand des Ergebnisses der Überprüfung derselben können auch direkt Änderungen in den Arbeitsdaten 34 vorgenommen werden, etwa dahingehend, dass von einem Bearbeitungsort am Werkstück, der zu überhitzen droht, falls möglich zunächst zu einem anderen gesprungen wird, um dort weiterzuarbeiten, damit der frühere Ort abkühlen kann, bevor dort weitergearbeitet wird. Auf diese Weise kann der in den Ärbeitsdaten 34 reflektierte Fertigungsplan des Werkstücks dahingehend optimiert werden, dass die sich aus den komplexen thermischen Verhält] i =n ergebenden Schwierigkeiten verringert werden. Es entstehen auf diese Weise

Ärbeitsdaten 34 , die das thermische Verhalten des durch Auftragsschweißen zu fertigenden Werkstücks gut antizipieren und überhitzungen vermieden werden sodass schlussendlich ein maßgenaues Werkstück gefertigt werden kann.

Das soweit beschriebene Verfahren geht von einem störungsf eien Verlauf der Werkstückfertigung aus ("planmäßiger Verlauf" ) . Die so erstellten

Ärbeitsdaten 34 stimmen aber nicht mehr, wenn der Fertigungsverlauf unplanmäßig ist, et a weil

Systemstörungen aufgetreten sind . Be weise kann die Materialzufuhr gestört sein und es auf diese Weise zu einem halbstündigen Systemstillstand kommen. In dieser Zeit finden Temperaturausgleichsvorgänge statt, die dazu führen, dass thermische Verhältnisse völlig anders sind als für den störungsfreien Verlauf

angenommen .

Um in einer solchen Situation das qualitativ hochwertige (insbesondere zuletzt maßhaltige)

Weiterarbeiten mittels Äi iweißens zu

ermöglichen, können mehrere Sätze temperaturbezogener Daten ermittelt werden. Beispielsweise können an zwei oder drei oder mehreren (allgemein n) Stellen des Werkstücks Unterbrechungen angenommen werden, die beispielsweise 2 oder 5 oder 10 oder 20 Minuten

(allgemein: m verschiedene Zeitdauern) dauern. Für diese Möglichkeiten können dann mehrere (n x m) Sätze temperaturbezogener Daten ermittelt werden, die ihrerseits zu weiteren {n x m) Sätzen modifizierter Äxbeitsdaten weitergerechnet werden können. Diese modifizierten Sätze sind dann vorrätig und können bei Bedarf verwendet werden. Es können dann

Interpolationen hinsichtlich Ort und Zeitdauer der

Unterbrechung vorgenommen werden. Auf diese Weise ist es möglich, auch im gestörten Ablauf des

Auftrags schweißVorgangs qualitativ hochwertig die Werkstückfertigung fortzusetzen ,

Nachfolgend wird ein Auftragsschweißverfahren beschrieben. Es wird mit einem Auftragsschwei köpf 20 in einer computergesteuerten Werkzeugmaschine 10 ausgeführt, die wie beschrieben ausgebildet sein kann. Vor Fertigungsbeginn werden der Maschine Ärbeitsdaten 34 zugeführt, die wie oben beschrieben erzeugt worden sein können. Nach Maßgabe dieser Daten (Arbeitsdaten 34) und weiterer Daten werden die Maschine und die Komponenten darin während der Werkstückfertigung von der Steuerung 19 angesteuert. Parallel zur Fertigung werden Messungen von der Messvorrichtung/ Sensorik 23 vorgenommen . Die Messungen umfassen die

Geometrievermessung des bisher gefertigten Werkstücks, e wa indem in bestimmter Auflösung Oberflächenpunkte vorzugsweise dreidimensional (x, y, z } vermessen werden, und Temperaturmessungen, die auch ortsauflösend sind. Die Ortsauflösung der Oberflächenvermessung (Geometrievermessung) kann eine andere sein als bei der Temperaturmessung. Die

Messungen - ^γ f e i n n aber jedenfalls in einander

zuordenbarer Weise, sodass dem System bekannt ist, an welchem Ort welche Temperaturen herrschen.

Sowohl die Ortmessergebnisse wie auch die

Temperaturmessergebnisse können zur Steuerung/Regelung der Werkstückfertigung herangezogen werden.

Insbesondere können sie zur M <t r ung des durch die Ärbeitsdaten 34 vorgegebenen

Fertigungsfortschritts führen. Die Arbeitsdaten können als regelungstechnische Sollwerte ausgelegt sein, deren Einhaltung mittels der rückgeführten Sensorik bewirkt wird .

Ein Teil der Temperaturmessung kann die Messung der Temperatur des momentanen Schweißschmelzbads sein. Ziel ist es , diese Temperatur in einem bestimmten Bereich zu halten. Wenn die Temperatur beispielsweise zu hoch wird, können Eingriffe in die

Maschinensteuerung ' . n, etwa dahingehend, dass die Laserleistung (Schweiß1eistung) reduziert wird oder dass die ¥ „ uub< < nwindigkeit und/oder die Material zufuhr beim "t ^' v< - «/eißk t < so geändert werden, dass sich geringeren Temperaturen ergeben.

Sinngemäß umgekehrt kann bei zu ι ngen

Schmelzbadtemperaturen vorgegangen werden. Wenn die Ortsmessdaten Abweichungen zum Soll ergeben, können auch Eingriffe erfolgen. Wenn

beispielsweise die aufgetragene Schichtstärke zu dick wird, können Laserieistung und Materialzufuhrrate verringert werden, oder es kann die

Vorschubgeschwindigkeit erhöht werden, und sinngemäß umgekehrt .

Allgemein können nach Maßgabe der Messergebnisse der Temperaturmessung und/oder der Geometrie- bzw.

Oberflächenvermessung des bisher gefertigten

Werkstücks folgende Systemparameter gesteuert werden: Die Schweißheizleistung, insbesondere die

Laserleistung, die Materialzufuhrrate (Masse pro Zeit) , die Material zufuhrgesch indigkeit {Meter pro Sekunde) , die Laserfok ssierung, die Führungsgeschwindigkeit des Äuftragsscnweißkopfs relativ zum Werkstück und die Durchflußrate von Trägergas und Schutzgas. Die Messungen von zugeordneten Geometriedaten und

Temperaturdaten können auch fortlaufend gespeichert werden. Auf diese Weise entsteht ein auswertbares

Fertigungsprotokoll. Die Speicherung erfolgt so, dass Temperatur- und Geometrie-/Oberflächenpunktdaten

einander zuordenbar sind. Vorzugsweise werden dann auch zugehörige Zeitdaten zuordenbar gespeichert . Es liegt darin eine Geometrie-, Temperatur- und

Zeithistorie der Werkstückfertigung vor, die zu

Auswertungs zwecken herangezogen werden kann,

Insbesondere können die Auswertungsergebnisse dazu ve wendet werden, modifizierte Arbeitsdaten 34 zu erzeugen, die zu einer optimierten Werkstückfertigung führen. Die gespeicherten Daten können auch dazu

verwendet werden, Werkstückqualitäten abzuschätzen und entsprechende Daten zu erzeugen.

Wenn ungeplante Umstände dazu führen, dass die

Fertigung anders verlauft als geplant, insbesondere verzögert , ist dies anhand eines Vergleichs des Ist- Zeitverlaufs mit einem angenommenen störungsfreien

, bar . _ · ^; ■ ' ng = - . ,t, können mod ¹ ,te Arbe ^' \Ilten ermittelt, werden oder, soweit vorhanden, vorab erzeugte mod ' · r

Arbeitsdaten verwendet werden, wie schon weiter oben beschrieben .

Allgemein kann das bisher beschriebene

Auftragsschweißverfahren in Kombination mit

t > iren verwendet werden, wobei beide

Verfahren in der gleichen Maschine ohne Wechsel der

Einspannung des Werkstücks durchgeführt werden . Die

Fertigungsgenauigkeit des Äuftragsschweißens reicht in bisheriger Technologie nicht: an die

Fertigungsgenauigkeit, spanender Bear ingen wie

Fräsen, Bohren oder Drehen oder besonderer

Bearbeitungen wie Laserabtrag, Ultraschallbearbeitung heran. Deswegen - derzeit eir. '· Ϊ ^' mittels Laserauftragsschweißens einen Werkstückrohling rundum "zu groß" .' < " ) ϊη, der dann na , h durch konventionelle " > i ^η · ^~ rbeitung auf das

gewünschte Endmaß gebracht wird. Anders als in den meisten konventionellen Bearbeitungen wird dann, wenn lange Wartezeiten nach dem Auftragsschweißen vermieden werden seilen, das konventioneile Abtragen in

vergleichsweise heißer Umgebung stattfinden, hspw. bei 200 °C oder 300 °C . Auch insoweit sind dann die

genannten Temperatureffekte insbesondere hinsichtlich thermischer Ausdehnung bzw. Schrumpfung zu

berücksichtigen. Auch können andere

Abtragseigenschaf en aufgrund der anderen (höheren) Temperaturen vorliegen, die zu berücksichtigen sind.

Der alternierende Ansatz von einerseits

Auftragsschweißen und andererseits Materialabtrag kann in einem einzigen Fertigungsprogramm abgelegt sein, was im Sinne dieser Beschreibung gemeinsame

Fertigungsdaten 34 sind, die dann also abwechselnd den Betrieb des Auftragsschweißkopfs und des abtragenden Werkzeugs und dazwischen der

erkzeugwechseimechanismen steuern. In dem in Figur 3 angedeuteten Verfahren sind dann nicht nur die

Kennwerte und Vorgaben des Auftragsschweißens zu

berücksichtigen, sondern auch diejenigen des

materialabtragenden Verfahrens. Die insoweit

vo zunehmenden Arbeitsschritte des Materialabtrags haben natürlich auch thermische Auswirkungen

dahingehend, dass das Werkstück sich vermutlich

abkühlen wird. Dies wiederum wirkt sich auf die

Geometrie während der Fertigung aus und muss sowohl während des Materialabtrags als auch während des sich möglicherweise anschließenden weiteren Materialaufbaus durch Auftragsschweißen berücksichtigt werden. Dies kann anhand der schon beschriebenen Fertigungsdynamikdaten 35 und der daraus abgeleiteten temperaturbezogenen Daten 36 erreicht werden.

Nachfolgend werden mögliche Dimensionen, Werte und Größenordnungen der beschriebenen Erfindung aufgezählt :

Werkstückgesamtgröße : > 20 mm, > 50 mm oder

> 100 mm, ggf. < 1000 mm, < 500 .mm,

Auftia k v heieißLeistung: > 500 1, > 1000 W,

> 2000 K, < 20.000 W, < 10.000 W.

Materialauftragsrate; > 0.1 g/rain, > 0,5 g/min, > 2 g/min, < 200 g/min, < 100 g/minSchweißmaterialien : Eisen, Stahl, Nickel-Basis-Legierungen, Chromkobalt, Stellite, allgemein metallische Legierungen, Keramik

Schweißtemperatur an der momentanen

Arbeitsstelle: bei Stahl 1.400 bis 1.600 °C, bei

Keramik 1.100 °C bis 2.500 °C

Werkstücktemperatur jenseits der momentanen

Arbeitsstelle: > 50 °C, > 100 °C, >200 °C, bei Metall < 500 °C.

Vorschubgeschwindigkeit des Laserschweißkopfs relativ zum Werkstück > 0,1 m/min, > 0,2 m/min, > 0,5 m/min, < 5 m/min, < 5 m/min

Merkmale, die in dieser Beschreibung dargestellt sind, sind auch dann, als miteinander kombinierbar zu verstehen, wenn deren Kombination nicht ausdrücklich beschrieben ist, soweit die Kombination technisch möglich und sinnvoll ist . Beschreibungen von

Verfahre · ^' : · : : -Schreibungen von diese Verfahrensschritte implementierenden

Vorrichtungen zu verstehen, und umgekehrt. Weiterhin ist die Beschreibung von Steiierungsverfahren auch als Beschreibung von diese Steuerungsverfahren

implementierender Software zu verstehen. Insoweit sind Software und Datenträger mit Software darauf als eigenständiger Teil der Erfindung zu verstehen.