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DE102017215911A1 - Laser-Werkzeugmaschine mit Absaugsystem - Google Patents

Laser-Werkzeugmaschine mit Absaugsystem Download PDF

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DE102017215911A1
DE102017215911A1 DE102017215911.1A DE102017215911A DE102017215911A1 DE 102017215911 A1 DE102017215911 A1 DE 102017215911A1 DE 102017215911 A DE102017215911 A DE 102017215911A DE 102017215911 A1 DE102017215911 A1 DE 102017215911A1
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DE
Germany
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suction
suction device
machine
material powder
power
Prior art date
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DE102017215911.1A
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English (en)
Inventor
Martin Reisacher
Andreas Abt
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Sauer GmbH and Co KG
Original Assignee
Sauer GmbH and Co KG
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Publication date
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Priority to JP2020513881A priority patent/JP7265534B2/ja
Priority to KR1020207009998A priority patent/KR102485713B1/ko
Priority to US16/645,729 priority patent/US11376690B2/en
Priority to EP18766235.8A priority patent/EP3678805A1/de
Priority to CN201880065635.6A priority patent/CN111356545B/zh
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Maschine (1) zum Bearbeiten von Werkstücken und/oder zum Herstellen von Formkörpern durch ortsselektives Verfestigen von Werkstoffpulver (P) zu zusammenhängenden Bereichen mittels eines fokussierten Laserstrahls (L). Die Maschine (1) umfasst eine durch eine Prozessraumtür (11) verschließbare Prozesskammer (10), die einen Prozessraum (12) umgibt, einen durch eine Tür verschließbaren Werkstoffpulverbehälterschrank (7) zum Bevorraten von Werkstoffpulver (P) und ein Absaugsystem. Das Absaugsystem weist ein Gebläse (2) zum Erzeugen eines Luftstroms, eine über einen ersten Abluftkanal (3a) mit dem Gebläse (2) strömungsverbundenen ersten Absaugeinrichtung zum Absaugen von Partikeln aus dem Prozessraum (12) und eine über einen zweiten Abluftkanal (3b) mit dem Gebläse (2) strömungsverbundenen zweiten Absaugeinrichtung zum Absaugen von Partikeln aus dem Werkstoffpulverbehälterschrank (7) auf. Erfindungsgemäß weist die erste Absaugeinrichtung Mittel (4a) zum Steuern einer Absaugleistung der ersten Absaugeinrichtung auf und/oder die zweite Absaugeinrichtung weist Mittel (4b) zum Steuern einer Absaugleistung der zweiten Absaugeinrichtung auf.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Maschine zum Bearbeiten von Werkstücken und/oder zum Herstellen von Formkörpern durch ortsselektives Verfestigen von Werkstoffpulver zu zusammenhängenden Bereichen mittels eines fokussierten Laserstrahls, wobei die Maschine ein Absaugsystem zum Absaugen von Partikeln aufweist.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Absaugen von Partikeln aus einem Prozessraum in einer durch eine Prozessraumtür verschließbaren Prozesskammer einer Maschine zum Bearbeiten von Werkstücken und/oder zum Herstellen von Formkörpern durch ortsselektives Verfestigen von Werkstoffpulver zu zusammenhängenden Bereichen mittels eines fokussierten Laserstrahls.
  • Hintergrund
  • Eine gattungsgemäße Maschine ist insbesondere eine Maschine zum Herstellen von Formkörpern nach dem Prinzip des selektiven Laserschmelzens, des selektiven Lasersinterns oder des Laserauftragsschweißens. Dabei können insbesondere Werkstoffpulver aus Metall, Plastik oder Keramik verwendet werden. Zusammenfassend für die verschiedenen Arten von Maschinen zum Bearbeiten/Fertigen/Herstellen eines Werkstücks beziehungsweise eines Formkörpers mit einem Laserstrahl wird im Folgenden der Begriff Laser-Werkzeugmaschine oder auch einfach Maschine verwendet.
  • Mit dem Verfahren des selektiven Laserschmelzens, Lasersinterns oder Laserauftragsschweißens können Formkörper, wie etwa Maschinenteile, Werkzeuge, Prothesen, Schmuckstücke usw. gemäß Geometriebeschreibungsdaten der entsprechenden Formkörper, beispielsweise durch schichtweises Aufbauen aus einem metallischen oder keramischen Werkstoffpulver beziehungsweise aus einem Kunststoffpulver hergestellt beziehungsweise bearbeitet werden. Beim Herstellungsprozess wird das Werkstoffpulver mittels einer Pulverdüse an den Brennpunkt eines fokussierten Laserstrahls geleitet, durch den fokussierten Laserstrahl erhitzt, so dass das Werkstoffpulver in den bestrahlten Bereichen zu zusammenhängend verfestigten Abschnitten umgeschmolzen wird. Nach dem Erkalten entsteht eine Werkstoffschicht, die mechanisch bearbeitet werden kann.
  • Zum Stand der Technik betreffend das Gebiet des selektiven Laserschmelzens wird zum Beispiel auf die DE 10 2015 522 689 A1 verwiesen. Ferner ist eine Laser-Werkzeugmaschine der eingangs genannten Art zum Beispiel aus der EP 2 052 845 A2 bekannt. Eine Werkzeugmaschine zum Auftragsschweißen wird beispielsweise in der Offenlegungsschrift DE 10 2013 224 649 A1 beschrieben.
  • Der Artikel „Laser-Einheit macht Auftragsschweißen auf Bearbeitungszentrum möglich“ von Nowotny et al. in „MM Das Industriemagazin“, 17/2009, Seite 42 ff., beschreibt eine Laserbearbeitungsoptik, die über einen Steilkegel in die Frässpindel einer CNC-Maschine eingesetzt wird. In den Laser-Brennpunkt wird Schweißgut (Werkstoffpulver) durch eine Pulverdüse zugeführt. In der gleichen Maschine kann das Werkstück gefräst werden.
  • Es sind im Wesentlichen zwei Typen von Maschinen zum Bearbeiten von Werkstücken und/oder zum Herstellen von Formkörpern durch ortsselektives Verfestigen von Werkstoffpulver zu zusammenhängenden Bereichen mittels eines Laserstrahls, insbesondere durch selektives Laserschmelzen beziehungsweise selektives Lasersintern oder Laserauftragsschweißen, bekannt. Die Maschinentypen unterscheiden sich unter Anderem hinsichtlich der Art und Weise, wie das Werkstoffpulver bereitgestellt wird. Bei einem ersten Maschinentyp wird ein Pulverbett schichtweise aufgebaut. Bei einem zweiten Maschinentyp wird das Werkstoffpulver mittels einer Pulverdüse am Ort der Bearbeitung bereitgestellt. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere Maschinen, bei denen das Werkstoffpulver mittels einer Pulverdüse am Brennpunkt des Lasers bereitgestellt wird. Der mechanische Aufbau zum Bewegen des Laserbearbeitungskopfes und/oder des Werkstücks kann beispielsweise wie bei einem bekannten Fünf-Achsen-Bearbeitungszentrum erfolgen, wobei statt einem mechanischen Werkzeug der Laserbearbeitungskopf vorgesehen ist. Seit einigen Jahren sind auf dem Markt auch Werkzeugmaschinen verfügbar, die sowohl eine Laserbearbeitung als auch eine spanende Bearbeitung, zum Beispiel mit einem Fräswerkzeug, erlauben. Bei solchen Hybrid-Bearbeitungszentren kann der Laserbearbeitungskopf an der Aufnahme der Werkzugspindel befestigt werden.
  • Bei den oben genannten Verfahren, insbesondere beim Laserauftragsschweißen kann Schweißrauch entstehen, der für Menschen gesundheitsschädlich sein kann, da er lungengängige Partikel enthalten kann, die krebserregend sein können, so dass eine erhebliche Gesundheitsgefahr von solchen Partikel ausgehen kann. Schweißrauchpartikel können beispielsweise eine Größe von wenigen Mikrometern oder auch einigen Zehntel Mikrometern aufweisen. Sie werden daher auch als Feinstaubpartikel bezeichnet. Aufgrund der möglichen Gesundheitsgefahr für Menschen muss insbesondere ein Bediener einer solchen Maschine vor dem Einatmen der Partikel geschützt werden. Als erste Schutzmaßnahme kann ein Bediener der Maschine eine Atemschutzmaske tragen. Allerdings kann der Schutz durch eine Maske ungenügend sein. Außerdem werden andere Personen, die sich in einer Umgebung der Maschine aufhalten, nicht geschützt. Um eine Kontamination der Umgebungsluft der Maschine mit gesundheitsgefährdenden Partikeln weitestgehend zu vermeiden, weisen Laser-Werkzeugmaschinen daher in der Regel Absaugvorrichtungen zum Absaugen der Partikel aus dem Prozessraum auf.
  • Eine Laser-Werkzeugmaschine weist in der Regel eine durch eine Prozessraumtür verschließbare Prozesskammer auf, die einen Prozessraum umgibt. Durch eine Absaugeinrichtung kann in der Prozesskammer ein Unterdruck aufgebaut werden, so dass jedenfalls bei geschlossener Prozesskammer keine Partikel an die Umgebung abgegeben werden. Beim Betreiben der Absaugeinrichtung muss der Luftstrom so eingestellt werden, dass einerseits eine möglichst effiziente Absaugung der Partikel gewährleistet ist. Andererseits darf der im Prozessraum erzeugte Luftstrom den Prozess selbst nicht stören. Beispielsweise kann ein zu starker Luftstrom einen Werkstoffpulverstrom, der von einem durch die Pulverdüse strömenden Trägergas erzeugt wird, stören, so dass am Brennpunkt des Laserstrahls keine ausreichende Menge an Werkstoffpulver oder eine ungleichmäßige Verteilung von Werkstoffpulver ankommt. Um eine Störung des Werkstoffpulverstroms zu vermeiden, weisen Absaugeinrichtungen in der Regel eine manuell einstellbare Drosselklappe zum Anpassen der Absaugleistung auf. Das Einstellen der Drosselklappe wird üblicherweise einmalig beim Installieren oder Warten der Maschine durchgeführt.
  • Durch die festgelegte Drosselung der Absaugleistung kann aber nach Beenden des Prozesses nicht mehr die volle Absaugleistung zum Absaugen der Partikel aus dem Prozessraum genutzt werden. Somit muss vor dem Öffnen der Prozessraumtür unnötig lange abgewartet werden, bis die gesamte Luft im Prozessraum mindestens einmal komplett ausgetauscht wurde, so dass eine Kontamination der Umgebung beziehungsweise des Bedieners der Maschine mit Partikeln weitestgehend ausgeschlossen werden kann.
  • Zusammenfassung
  • Der vorliegenden Erfindung liegt im Hinblick auf das Vorstehende die Aufgabe zugrunde, eine Maschine mit einem Absaugsystem bereitzustellen, bei dem die Absaugleistung einstellbar ist.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch eine Maschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Erfindungsgemäß weist die erste Absaugeinrichtung Mittel zum Steuern einer Absaugleistung der ersten Absaugeinrichtung auf und/oder die zweite Absaugeinrichtung weist Mittel zum Steuern einer Absaugleistung der zweiten Absaugeinrichtung auf.
  • Die Aufgabe wird außerdem gelöst durch ein Verfahren zum Absaugen von Partikeln aus einem Prozessraum in einer durch eine Prozessraumtür verschließbaren Prozesskammer einer Maschine zum Bearbeiten von Werkstücken und/oder zum Herstellen von Formkörpern durch ortsselektives Verfestigen von Werkstoffpulver zu zusammenhängenden Bereichen mittels eines fokussierten Laserstrahls. In einem ersten Verfahrensschritt wird die Prozessraumtür verriegelt bevor die Maschine einen Bearbeitungsprozess startet. Hierdurch wird sichergestellt, dass die Prozessraumtür während des Bearbeitungsprozesses nicht geöffnet werden kann. In einem weiteren Verfahrensschritt wird eine erste Absaugeinrichtung zum Absaugen von Partikeln aus dem Prozessraum bei gedrosselter Leistung betrieben während die Maschine den Bearbeitungsprozess durchführt. Die Drosselung der Leistung erfolgt beispielsweise in Abhängigkeit des verwendeten Werkstoffpulvers beziehungsweise in Abhängigkeit eines Werkstoffpulverstroms. Hierdurch wird verhindert, dass ein durch die Absaugung erzeugter Luftstrom den Werkstoffpulverstrom beeinflusst. In einem weiteren Verfahrensschritt wird die erste Absaugeinrichtung zum Absaugen von Partikeln aus dem Prozessraum bei maximaler Leistung während eines festgelegten Zeitraums betrieben, nachdem ein Bearbeitungsprozess unterbrochen oder beendet wird. Hierdurch wird vorteilhaft ermöglicht, dass sämtliche schädlichen Partikel oder zumindest ein Großteil schädlicher Partikel aus dem Prozessraum abgesaugt werden kann, bevor die Prozessraumtür geöffnet werden kann. Der Zeitraum wird so festgelegt, dass innerhalb des Zeitraums die gesamte Luft im Prozessraum mindestens einmal komplett ausgetauscht wird. In einem letzten Verfahrensschritt wird die Prozessraumtür nach Ablauf des festgelegten Zeitraums entriegelt. Sobald alle Partikel aus dem Prozessraum abgesaugt sind, kann die Prozessraumtür wieder geöffnet werden. Es besteht keine Gefahr mehr, dass ein Bediener der Maschine oder eine Umgebungsluft der Maschine mit gesundheitsschädlichen Partikeln kontaminiert wird.
  • Der Begriff gedrosselte Leistung bezeichnet eine Absaugleistung, die geringer als eine maximale Absaugleistung ist. Der Luftstrom zum Absaugen wird durch ein Gebläse erzeugt, das vorzugsweise bei konstanter Leistung betrieben wird. Die Absaugleistung einer Absaugeinrichtung wird dann vorzugsweise durch Begrenzen des Luftstroms, beispielsweise durch Drosselklappen, gedrosselt. Die Drosselklappen können beispielsweise in Abluftkanälen der Absaugeinrichtung angeordnet sein, die mit dem Gebläse strömungsverbunden sind.
  • Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen, welche einzeln oder in Kombination miteinander eingesetzt werden können, sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Vorzugsweise weisen die Mittel zum Steuern der Absaugleistung der ersten Absaugeinrichtung und/oder der zweiten Absaugeinrichtung jeweils Stellglieder auf. Die Stellglieder können vorzugsweise separat von einer Maschinensteuerung gesteuert werden. Somit kann die Absaugleistung der ersten Absaugeinrichtung und/oder die Absaugleistung der zweiten Absaugeinrichtung vollautomatisch und in einen Prozessablauf integriert eingestellt werden. Darüber hinaus kann die Absaugleistung jeweils in Abhängigkeit eines Zustands der Maschine eingestellt werden.
  • In einer bevorzugten Ausführung der Maschine sind im Prozessraum ein Lufteinlass und ein mit dem ersten Abluftkanal strömungsverbundener Luftauslass angeordnet. Der Lufteinlass und der Luftauslass sind vorzugsweise derart angeordnet, so dass ein Luftstrom über einen Brennpunkt des fokussierten Laserstrahls erzeugt wird. Wenn der erzeugte Luftstrom über den Brennpunkt des Laserstrahls fließt kann ein erzeugter Schweißrauch besonders effizient abgesaugt werden, da der Schweißrauch am Brennpunkt oder in unmittelbarer Nähe des Brennpunkts des Laserstrahls entsteht. Ferner kann die erste Absaugeinrichtung mit einer geringeren Absaugleistung betrieben werden, wenn der Luftstrom dort vorbei strömt, wo der Schweißrauch entsteht.
  • Der Lufteinlass und der Luftauslass sind insbesondere so angeordnet, dass der Luftstrom in horizontaler Richtung erzeugt wird. Eine solche Anordnung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn der Laserbearbeitungskopf den fokussierten Laserstrahl in vertikaler Richtung auf das Werkstück emittiert. Der in horizontaler Richtung erzeugte Luftstrom kann dann ungehindert am Werkstück vorbeiströmen.
  • Es ist bevorzugt, dass die Mittel zum Steuern der Absaugleistung der ersten Absaugeinrichtung und/oder der zweiten Absaugeinrichtung eingerichtet sind, die Absaugleistung der ersten Absaugeinrichtung und/oder der zweiten Absaugeinrichtung in Abhängigkeit von einem Öffnungszustand der Prozessraumtür und/oder einem Öffnungszustand der Tür des Werkstoffpulverbehälters einzustellen. Bei geöffneter Prozessraumtür beziehungsweise bei geöffneter Tür des Werkstoffpulverbehälters ist eine höhere Absaugleistung nötig, um eine Kontamination der Umgebung durch Partikel zu verhindern. In anderen Worten, um einen Unterdruck im Prozessraum beziehungsweise im Werkstoffpulverbehälter aufrechtzuerhalten, ist eine höhere Absaugleistung nötig als wenn die Türen jeweils geschlossen sind. Die Prozessraumtür kann insbesondere nur dann geöffnet werden, wenn der Bearbeitungsprozess der Maschine beendet beziehungsweise unterbrochen ist. Somit kann die erste Absaugeinrichtung bei geöffneter Prozessraumtür bei voller Leistung betrieben werden, ohne dass Gefahr besteht, den Pulverstrom zu negativ zu beeinflussen. Die Maschinensteuerung kann eingerichtet sein, die Prozessraumtür zu verriegeln, solange ein Bearbeitungsprozess stattfindet. Nach Beenden oder Unterbrechen des Prozesses kann die Prozessraumtür sicherheitshalber für einen festgelegten Zeitraum verriegelt bleiben, während dem die Absaugung des erzeugten Schweißrauches durchgeführt wird. Wird dabei die Absaugleistung erhöht, so kann dieser festgelegte Zeitraum verkürzt werden.
  • Die Mittel zum Steuern der Absaugleistung der ersten Absaugeinrichtung und/oder der zweiten Absaugeinrichtung können eingerichtet sein, die Absaugleistung der ersten Absaugeinrichtung und/oder der zweiten Absaugeinrichtung in Abhängigkeit von einem Bearbeitungs- und/oder Herstellungsprozess der Maschine einzustellen. Insbesondere wird die Absaugleistung der ersten Absaugeinrichtung während eines Bearbeitungs- und/oder Herstellungsprozesses gedrosselt, um einen Einfluss auf den Werkstoffpulverstrom aus der Pulverdüse zu vermeiden. Wird der Bearbeitungs- und/oder Herstellungsprozess unterbrochen oder abgeschlossen, so kann die Absaugleistung der ersten Absaugeinrichtung auf den Maximalwert eingestellt werden.
  • Die Mittel zum Steuern der Absaugleistung der ersten Absaugeinrichtung und/oder der zweiten Absaugeinrichtung können eingerichtet sein, die Absaugleistung der ersten Absaugeinrichtung und/oder der zweiten Absaugeinrichtung in Abhängigkeit von dem Werkstoffmaterial und/oder der Werkstoffmaterialzusammensetzung des Werkstoffpulvers einzustellen. Bei der Verwendung von unterschiedlichen Werkstoffen kann je nach Werkstoffzusammensetzung unterschiedlicher Schweißrauch entstehen, der in Zusammensetzung, Schadpartikel-, Schadstoff- bzw. Rauchkonzentration und Toxizität der enthaltenen Schadstoffe unterschiedlich gebildet werden kann. Diese beispielhafte Ausführung hat demnach den Vorteil, dass die Absaugleistung in Abhängigkeit des entstehenden Schweißrauchs einstellbar ist, wobei bevorzugt für Werkstoffe mit relativ gesehen höherer Schadstoffkonzentration im Schweißrauch und/oder höherer Toxizität der enthaltenen Schadstoffe eine höhere Absaugleistung einstellbar ist und für Werkstoffe mit relativ gesehen niedrigerer Schadstoffkonzentration im Schweißrauch und/oder niedrigerer Toxizität der enthaltenen Schadstoffe eine niedrigere Absaugleistung einstellbar ist.
  • Das Absaugverfahren kann ferner einen Schritt des Betreibens einer zweiten Absaugeinrichtung zum Absaugen von Partikeln aus dem Gehäuse (z.B. ein Werkstoffpulverschrank bzw. Werkstoffpulverbehälterschrank) für die Werkstoffpulverbehälter aufweisen. Die Absaugleistung der zweiten Absaugeinrichtung kann in Abhängigkeit davon eingestellt werden, ob eine Tür des Gehäuses bzw. des Werkstoffpulverschranks geöffnet oder verschlossen ist. Bei geöffneter Tür des Werkstoffpulverschranks (bzw. Werkstoffpulverbehälterschrank), in dem ein oder mehrere Werkstoffpulverbehälterangeordnet sein können, kann die zweite Absaugeinrichtung bei voller Absaugleistung betrieben werden, so dass ein Austreten von Werkstoffpulver aus dem Werkstoffpulverbehälter in die Umgebung verhindert oder wenigstens verringert wird. Bei geschlossener Tür des Werkstoffpulverschranks kann die zweite Absaugeinrichtung bei gedrosselter Absaugleistung betrieben werden, da nicht die volle Leistung erforderlich ist, um einen ausreichend hohen Unterdruck im Werkstoffpulverschrank zu erzeugen.
  • Figurenliste
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels, auf welches die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist, näher beschrieben.
  • Es zeigen schematisch:
    • 1: einen Aufbau einer Werkzeugmaschine zum Herstellen bzw. Bearbeiten eines Formkörpers beziehungsweise Werkstücks mittels fokussierter Laserstrahlung.
    • 2: eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Laser- Werkzeugmaschine mit Absaugsystem.
    • 3: eine Detailansicht der Abluftkanäle und Drosselklappen der Laser-Werkzeugmaschine gemäß dem Ausführungsbeispiel der 2.
    • 4: eine perspektivische Ansicht auf den Prozessraum einer Laser-Werkzeugmaschine gemäß eines Ausführungsbeispiels.
    • 5: einen beispielhaften zeitlichen Ablauf des Absaugens.
    • 6: eine Illustration des Wirkungsprinzips des Laserauftragsschweißens.
  • Ausführliche Beschreibung der Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels
  • Bei der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Maschine 1 zum Bearbeiten eines Werkstücks und/oder zum Herstellen eines Formkörpers durch ortsselektives Verfestigen von Werkstoffpulver zu zusammenhängenden Bereichen mittels Laserstrahlung. Die Maschine 1 weist einen Maschinenrahmen 21 auf, an dem mittelbar über dazwischenliegende Stellachsen 22 einerseits ein Werkstücktisch 20 und andererseits ein Laserbearbeitungskopf 23 mit einer Pulverdüse 15 angebracht sind. Die Stellachsen 22 können jeweils mehrere translatorische (X, Y, Z) oder rotatorische (φ, λ, θ) Achsen aufweisen, die nach Maßgabe einer Maschinensteuerung einstellbar sind. Die Auslegung kann beispielsweise so sein, dass der Laserbearbeitungskopf 23 über ein, zwei oder drei translatorische Stellachsen 22 (X und/oder Y und/oder Z) am Maschinenrahmen 21 befestigt ist, während der Werkstücktisch 20 über eine, zwei oder drei rotatorische Stellachsen 22 am Maschinenrahmen 21 befestigt ist.
  • Bei der Maschine 1 kann es sich beispielsweise um eine Fünf-Achsen-Laser-Werkzeugmaschine zum Herstellen von Formkörpern durch ortsselektives Verfestigen von Werkstoffpulver zu zusammenhängenden Bereichen mittels Laserstrahlung handeln. Auf dem Werkstücktisch 20 kann ein Werkstück zum Bearbeiten lösbar befestigt werden. Alternativ kann auf dem Werkstücktisch 20 ein Formkörper durch ortsselektives Verfestigen von Werkstoffpulver schichtweise aufgebaut werden.
  • Eine solche Laser-Werkzeugmaschine 1 weist in der Regel eine abgeschlossene Prozesskammer 10 auf, in der mittels eines Absaugsystems ein Unterdruck erzeugt werden kann, um eine Umgebung der Maschine 1 vor Kontamination durch Schweißrauch oder sonstige Partikel, zum Beispiel Werkstoffpulver, zu schützen. Die Prozesskammer 10 umgibt einen Prozessraum 12, der über eine Prozessraumtür 11 zugänglich ist. Die Prozessraumtür 11 kann einen Verriegelungsmechanismus aufweisen, der in Abhängigkeit des Bearbeitungsprozesses betätigt werden kann. Hierdurch kann verhindert werden, dass die Prozessraumtür 11 während eines laufenden Bearbeitungsprozesses geöffnet wird.
  • Das Absaugsystem kann über einen Luftauslass 5a Luft aus dem Prozessraum 12 ansaugen. Der Luftauslass 5a ist über einen ersten Abluftkanal 3a mit einem Gebläse 2 strömungsverbunden. Über einen Lufteinlass 5b, der mit einem Zuluftkanal 3d strömungsverbunden ist, kann dem Prozessraum 12 Frischluft zugeführt werden. Durch eine geeignete Positionierung des Lufteinlasses 5b und des Luftauslasses 5a im Prozessraum 12 kann die Richtung des Luftstroms F im Prozessraum 12 so eingestellt werden, dass der Luftstrom F im Wesentlichen horizontal an einem Arbeitspunkt der Laser-Werkzeugmaschine 1 vorbeiführt wird, wo ein fokussierter Laserstrahl L das durch die Pulverdüse 15 zugeführte Werkstoffpulver P mit dem Werkstück verschmilzt. Das Wirkprinzip des Laserauftragsschweißens wird weiter unten unter Bezugnahme auf 6 genauer beschrieben. Der Luftstrom F ist in 1 als gepunkteter Pfeil dargestellt. Weitere gepunktete Pfeile illustrieren einen Zuluftstrom durch den Zuluftkanal 3d und einen Abluftstrom durch den ersten Abluftkanal 3a.
  • Der Lufteinlass 5b kann in alternativen Ausführungen der Erfindung auch weggelassen werden. Die Zufuhr von Frischluft aus der Umgebung kann dann durch Schlitze und/oder Fugen in der Prozesskammer 10 beziehungsweise zwischen der Prozesskammer 10 und der Prozessraumtür 11 erfolgen. Das Vorsehen des Lufteinlasses 5b hat jedoch den Vorteil, dass die Strömungsrichtung des Luftstroms F genauer festgelegt werden kann, so dass eine im Wesentlichen laminare, horizontale Strömung über den Arbeitspunkt der Maschine 1 erzeugt werden kann. In alternativen Ausführungen kann auch mehr als ein Lufteinlass 5b und/oder mehr als ein Luftauslass 5a vorgesehen sein. Auch kann der Luftstrom F statt in horizontaler Richtung auch mit einer beliebigen anderen Strömungsrichtung, zum Beispiel senkrecht, erzeugt werden.
  • Eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Fünf-Achsen-Laser-Werkzeugmaschine 1 zum Herstellen von Formkörpern durch ortsselektives Verfestigen von Werkstoffpulver zu zusammenhängenden Bereichen mittels Laserstrahlung gemäß eines Ausführungsbeispiels ist in 4 gezeigt. Das dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen der in 1 schematisch dargestellten Maschine 1. In 4 ist jedoch kein an der Stellachse 22 befestigter Laserbearbeitungskopf 23 dargestellt.
  • Der Werkstücktisch 20 ist in einer durch eine Prozessraumtür 11 verschließbaren Prozesskammer 10 (Prozesskabine) angeordnet, die den Prozessraum 12 umgibt. Eine außerhalb der Prozesskammer 10 angeordnete Steuereinrichtung 13 dient als Schnittstelle zwischen Bediener und Maschinensteuerung. Auf einem Display der Steuereinrichtung 13 können beispielsweise Messwerte und/oder Warnmeldungen und/oder Steuerungsapplikationen dargestellt werden. Im Prozessraum 12 ist links der Luftauslass 5a angeordnet. Der gepunktet eingezeichnete Pfeil illustriert den durch das Absaugsystem erzeugten Luftstrom F. Der Lufteinlass 5b ist in 4 nicht sichtbar, da er von der Prozessraumtür 11 verdeckt wird.
  • 2 zeigt eine perspektivische Rückansicht der erfindungsgemäßen Fünf-Achsen-Laser-Werkzeugmaschine 1. In 2 sind weitere in 4 nicht dargestellte Details des Absaugsystems illustriert. Die Maschine 1 umfasst einen Werkstoffpulverbehälterschrank 7 zum Bevorraten von Werkstoffpulver in einem oder mehreren Werkstoffpulverbehältern in dem Werkstoffpulverbehälterschrank 7. Der Werkstoffpulverbehälterschrank 7 weist eine Tür auf (nicht dargestellt), über die ein Bediener den nicht gezeigten Werkstoffpulverbehälter mit Werkstoffpulver befüllen kann. Vom Werkstoffpulverbehälterschrank 7 führen Leitungen das Werkstoffpulver zur Pulverdüse 15. Zum Transportieren des Werkstoffpulvers dient ein Trägergas, beispielsweise Argon.
  • Das Absaugsystem weist ein Gebläse 2 zum Erzeugen eines Luftstroms, eine erste Absaugeinrichtung zum Absaugen von Partikeln aus dem Prozessraum 12 und eine zweite Absaugeinrichtung zum Absaugen von Partikeln aus dem Werkstoffpulverbehälterschrank 7 auf. Die erste Absaugeinrichtung umfasst einen ersten Abluftkanal 3a, über den der im Prozessraum 12 angeordnete Luftauslass 5a mit dem Gebläse 2 strömungsverbunden ist. Die zweite Absaugeinrichtung umfasst einen zweiten Abluftkanal 3b, über den ein im Werkstoffpulverbehälterschrank 7 angeordneter (nicht dargestellter) Luftauslass mit dem Gebläse 2 strömungsverbunden ist. Der erste Abluftkanal 3a und der zweite Abluftkanal 3b sind über ein T-Stück mit einem dritten Abluftkanal 3c verbunden, der mit dem Gebläse 2 strömungsverbunden ist.
  • Die erste Absaugeinrichtung und die zweite Absaugeinrichtung weisen jeweils Mittel 4a, 4b zum Einstellen einer Absaugleistung auf. Eine Detailansicht in 3 zeigt das T-Stück, das den ersten Abluftkanal 3a und den zweiten Abluftkanal 3b mit dem dritten Abluftkanal 3c verbindet. In 3 sind die Mittel zum Einstellen der Absaugleistung als Drosselklappen 4a und 4b im ersten Abluftkanal 3a beziehungsweise im zweiten Abluftkanal 3b dargestellt. Die Drosselklappen 4a, 4b können über Stellglieder 6a, 6b gesteuert werden. Insbesondere werden die Stellglieder 6a, 6b von der Maschinensteuerung gesteuert. Durch Einstellen eines Öffnungsgrades der Drosselklappen kann ein Luftstrom durch die erste und/oder zweite Absaugeinrichtung eingestellt werden. Insbesondere kann der Luftstrom durch die erste und/oder zweite Absaugeinrichtung in Abhängigkeit eines Prozesses und/oder in Abhängigkeit eines Zustands der Prozessraumtür 11 und/oder der Tür des Werkstoffpulverbehälters 7 eingestellt werden. Dadurch, dass die Drosselklappen 4a, 4b über Stellglieder 6a, 6b gesteuert werden, kann das Einstellen der Absaugleistung vollautomatisch von der Maschinensteuerung gesteuert in einen Prozessablauf integriert werden.
  • Das Gebläse 2 kann einen oder mehrere Filter aufweisen, um die abgesaugten Partikel aus dem Luftstrom zu filtern. Beispielsweise kann das Gebläse einen Filter der Kategorie C mit Abreinigung aufweisen. Die aus der Luft gefilterten Partikel können in einem gesonderten Behälter gesammelt werden und zur Entsorgung entnommen werden. Der gefilterte Luftstrom kann entweder über einen externen Abluftkanal weitergeleitet werden oder an die Umgebung der Maschine 1 geleitet werden. Insbesondere wenn der gefilterte Luftstrom an die Umgebung der Maschine 1 geleitet wird, muss sichergestellt sein, dass die Luft weitestgehend frei von gesundheitsschädlichen Partikeln ist. Hierzu kann das Gebläse einen oder mehrere Schwebstofffilter, insbesondere HEPA-Filter, beispielsweise der Kategorie H13 und/oder H14 aufweisen.
  • Anders als in 2 dargestellt kann auch ein entfernt angeordnetes Gebläse 2 zum Erzeugen des Abluftstroms verwendet werden. Beispielsweise kann das Gebläse 2 außerhalb eines Gebäudes angeordnet sein, in dem die Maschine 1 aufgestellt ist. Somit kann die Abluft direkt nach Außen abgeführt werden, so dass geringere Anforderungen an die Filterung der Abluft gestellt werden können, als wenn die Abluft in die Raumluft abgeführt wird.
  • Ein beispielhafter zeitlicher Ablauf des Absaugens wird nun anhand von 5 beschrieben. Die oberste Linie in 5 zeigt an, ob der Prozess im Zustand „an“ oder „aus“ ist, also ob ein Prozess des Laserauftragsschweißens gerade läuft oder nicht. Die zweite Linie zeigt den Zustand der Tür zum Werkstoffpulverbehälterschrank 7 an, also ob die Tür gerade offen oder geschlossen ist. Die dritte Linie gibt an, ob die Absaugung des Prozessraums 11 bei voller Leistung, bei gedrosselter Leistung oder gar nicht in Betrieb ist. Die unterste Linie zeigt an, ob die Absaugung des Werkstoffpulverbehälterschranks 11 bei voller Leistung, bei gedrosselter Leistung oder gar nicht in Betrieb ist. Der Zustand der Prozessraumtür 11 ist in 5 nicht dargestellt. Am unteren Rand der 5 ist eine Zeitachse dargestellt an der fünf Zeitpunkte T1 bis T5 eingezeichnet sind, die im Folgenden erläutert werden.
  • Zum Zeitpunkt T1 startet der Prozess des Laserauftragsschweißens in der Maschine 1. Die Tür zum Werkstoffpulverbehälterschrank 7 sowie die Prozessraumtür 11 sind geschlossen. Mit dem Start des Prozesses im Zeitpunkt T1 wird jeweils die Absaugung des Prozessraumes 12 sowie die Absaugung des Werkstoffbehälterschranks 7 hochgefahren. Sowohl die Absaugung des Prozessraumes 12 sowie die Absaugung des Werkstoffpulverbehälters 7 werden bei gedrosselter Leistung betrieben. Die Leistung der Absaugung des Prozessraumes 12 ist gedrosselt, damit der Prozess nicht durch ein ungewolltes Absaugen des Werkstoffpulvers von der Pulverdüse 15 gestört wird. Die Leistung der Absaugung des Werkstoffpulverbehälterschranks 7 kann bei verschlossener Tür mit gedrosselter Leistung erfolgen, da hierdurch nur ein Unterdruck aufrecht erhalten werden muss, der ausreicht, um ein Austreten von Werkstoffpulver in die Umgebung der Maschine 1 zu verhindern.
  • Im Zeitpunkt T2 wird die Tür zum Werkstoffpulverbehälterschrank 7 durch einen Bediener der Maschine 1 geöffnet, um Werkstoffpulver nachzufüllen. Um auch bei geöffneter Tür ein Austreten von Werkstoffpulver in die Umgebung weitestgehend zu vermeiden, wird nun die Leistung der Absaugung vom Werkstoffpulverbehälter 7 auf maximale Leistung erhöht. Nachdem der Bediener den Werkstoffpulverbehälter 7 nachgefüllt hat, verschließt er zum Zeitpunkt T3 wieder die Tür. Die Absaugung vom Werkstoffpulverbehälterschrank 7 kann nun wieder bei gedrosselter Leistung fortgesetzt werden.
  • Zum Zeitpunkt T4 wird der Prozess des Laserauftragsschweißens in der Maschine 1 beendet. Zu diesem Zeitpunkt T4 wird die Leistung der Absaugung des Prozessraums 12 auf den Maximalwert erhöht, um den Prozessraum 12 möglichst vollständig von Schweißrauch und anderen Partikeln zu reinigen. Hiermit kann verhindert werden, dass schädliche Partikel beim Öffnen der Prozessraumtür 11 in die Umgebung gelangen. Die Absaugung bei maximaler Leistung erfolgt während eines festgelegten Zeitraums ΔT bis zum Zeitpunkt T4 , in dem die Absaugung des Prozessraums 12 und des Werkstoffpulverbehälterschranks 7 abgestellt wird. Der festgelegte Zeitraum ΔT wird so gewählt, dass zum Ende des festgelegten Zeitraums ΔT möglichst alle schädlichen Partikel aus dem Prozessraum 12 abgesaugt sind. Die Prozessraumtür 11 kann bis zum Zeitpunkt T5 verriegelt sein, so dass ein Bediener der Maschine 1 die Prozessraumtür 11 erst dann öffnen kann, wenn sichergestellt ist, dass ein Großteil oder möglichst alle schädlichen Partikel aus dem Prozessraum 12 abgesaugt sind.
  • Das oben beschriebene Verfahren kann beispielsweise von einer Maschinensteuerung der Maschine 1 gesteuert werden, die vorzugsweise über die Steuereinrichtung 13 bedient werden kann. Alternativ zu dem dargestellten Ablauf kann die Absaugung auch nach dem Zeitpunkt T5 fortgeführt werden. Um eine Lärmentwicklung zu reduzieren, und um Energie zu sparen, ist es jedoch vorteilhaft, die Absaugung nach dem festgelegten Zeitraum ΔT zu drosseln beziehungsweise ganz abzuschalten.
  • Das Wirkprinzip des Laserauftragsschweißens wird anhand der 6 illustriert. In 6 ist eine Pulverdüse 15 in der Nähe eines zu bearbeitenden Werkstücks W dargestellt. Ein vom Laserbearbeitungskopf kommender fokussierter Laserstrahl L verläuft koaxial zur Pulverdüse 15 und ist auf einen Arbeitspunkt auf oder kurz über dem Werkstück W fokussiert. Das Werkstoffpulver P wird koaxial zum Laserstrahl L durch die Pulverdüse 15 zum Brennpunkt des Laserstrahls L am Werkstück W geleitet. Ein Schutz- beziehungsweise Trägergas G wie zum Beispiel Argon strömt ebenfalls durch die Pulverdüse 15 und transportiert dabei das Werkstoffpulver P. Das Schutzgas G dient auch dazu, unerwünschte Reaktionen des erhitzten Werkstoffpulvers P oder des Werkstücks W mit Luftsauerstoff zu unterbinden. Bei dem Schweißprozess kann ein Schweißrauch S entstehen. Dieser Schweißrauch soll durch das oben beschriebene Absaugsystem aus dem Arbeitsraum 12 der Maschine 1 entfernt werden. Das Absaugsystem erzeugt hierzu den mittels punktierten Pfeilen illustrierten Luftstrom F, der vorzugsweise als horizontale, laminare Strömung am Werkstück W vorbeiführt und dabei den Schweißrauch S mitführt. Die Stärke des Luftstroms F muss so eingestellt werden, dass der Luftstrom F die Strömung des Werkstoffpulvers P mit Trägergas G nicht stört. Ist der Luftstrom F zu stark eingestellt, so kann Werkstoffpulver P von der Pulverdüse 15 abgesaugt werden, wodurch der Prozess gestört würde.
  • Ein typischer Wert der maximalen Leistung der Absaugung aus dem Prozessraum beträgt ungefähr 1000 m3 pro Stunde. Beim gedrosselten Betrieb werden ungefähr 200 bis 600 m3 pro Stunde abgesaugt. Im Vergleich dazu strömt während des Laserschweißprozesses typischerweise ein Strom von ca. 3 bis 6 Litern Trägergas mit Werkstoffpulver, zum Beispiel Argon, pro Minute durch die Pulverdüse 15. Beim Vergleichen der beiden Werte ist zu beachten, dass der Abluftstrom F einen wesentlich größeren Durchmesser aufweist, damit die Strömungsgeschwindigkeit des Pulverstroms (Trägergas mit Werkstoffpulver) in der Regel um mindestens eine Größenordnung größer als die Strömungsgeschwindigkeit des Luftstroms F ist.
  • Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Laser-Werkzeugmaschine
    2
    Gebläse
    3a
    erster Abluftkanal
    3b
    zweiter Abluftkanal
    3c
    dritter Abluftkanal
    3d
    Zuluftkanal
    4a
    erste Drosselklappe
    4b
    zweite Drosselklappe
    5a
    Luftauslass
    5b
    Lufteinlass
    6a
    erstes Stellglied
    6b
    zweites Stellglied
    7
    Werkstoffpulverbehälterschrank
    10
    Prozesskammer
    11
    Prozessraumtür
    12
    Prozessraum
    13
    Steuereinrichtung
    15
    Pulverdüse
    20
    Werkstücktisch
    21
    Maschinenrahmen
    22
    Stellachsen
    23
    Laserbearbeitungskopf
    L
    Laserstrahl
    W
    Werkstück
    P
    Werkstückpulver
    G
    Schutzgas und/oder Trägergas
    S
    Schweißrauch
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102015522689 A1 [0005]
    • EP 2052845 A2 [0005]
    • DE 102013224649 A1 [0005]

Claims (9)

  1. Maschine (1) zum Bearbeiten von Werkstücken und/oder zum Herstellen von Formkörpern durch ortsselektives Verfestigen von Werkstoffpulver (P) zu zusammenhängenden Bereichen mittels eines fokussierten Laserstrahls (L), umfassend: eine durch eine Prozessraumtür (11) verschließbare Prozesskammer (10), die einen Prozessraum (12) umgibt; einen durch eine Tür verschließbaren Werkstoffpulverbehälterschrank (7) zum Bevorraten von Werkstoffpulver (P); und ein Absaugsystem mit einem Gebläse (2) zum Erzeugen eines Luftstroms; einer über einen ersten Abluftkanal (3a) mit dem Gebläse (2) strömungsverbundenen ersten Absaugeinrichtung zum Absaugen von Partikeln aus dem Prozessraum (12) und einer über einen zweiten Abluftkanal (3b) mit dem Gebläse (2) strömungsverbundenen zweiten Absaugeinrichtung zum Absaugen von Partikeln aus dem Werkstoffpulverbehälterschrank (7), dadurch gekennzeichnet, dass die erste Absaugeinrichtung Mittel (4a) zum Steuern einer Absaugleistung der ersten Absaugeinrichtung aufweist und/oder die zweite Absaugeinrichtung Mittel (4b) zum Steuern einer Absaugleistung der zweiten Absaugeinrichtung aufweist.
  2. Maschine (1) nach Anspruch 1, wobei die Mittel (4a, 4b) zum Steuern der Absaugleistung der ersten Absaugeinrichtung und/oder der zweiten Absaugeinrichtung jeweils Stellglieder aufweisen.
  3. Maschine (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei im Prozessraum (12) ein Lufteinlass (5b) und ein mit dem ersten Abluftkanal (3a) strömungsverbundener Luftauslass (5a) angeordnet sind, so dass ein Luftstrom (F) über einen Brennpunkt des fokussierten Laserstrahls (L) erzeugt wird.
  4. Maschine (1) nach Anspruch 3, wobei der Lufteinlass (5b) und der Luftauslass (5a) so angeordnet sind, dass der Luftstrom (F) in horizontaler Richtung erzeugt wird.
  5. Maschine (1) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mittel (4a, 4b) zum Steuern der Absaugleistung der ersten Absaugeinrichtung und/oder der zweiten Absaugeinrichtung eingerichtet sind, die Absaugleistung der ersten Absaugeinrichtung und/oder der zweiten Absaugeinrichtung in Abhängigkeit von einem Öffnungszustand der Prozessraumtür (11) und/oder einem Öffnungszustand der Tür des Werkstoffpulverbehälterschranks (7) einzustellen.
  6. Maschine (1) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mittel (4a, 4b) zum Steuern der Absaugleistung der ersten Absaugeinrichtung und/oder der zweiten Absaugeinrichtung eingerichtet sind, die Absaugleistung der ersten Absaugeinrichtung und/oder der zweiten Absaugeinrichtung in Abhängigkeit von einem Bearbeitungs- und/oder Herstellungsprozess der Maschine (1) einzustellen.
  7. Maschine (1) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mittel (4a, 4b) zum Steuern der Absaugleistung der ersten Absaugeinrichtung und/oder der zweiten Absaugeinrichtung eingerichtet sind, die Absaugleistung der ersten Absaugeinrichtung und/oder der zweiten Absaugeinrichtung in Abhängigkeit von dem Werkstoff und/oder einer Werkstoffzusammensetzung des verwendeten Werkstoffpulvers (P) einzustellen.
  8. Verfahren zum Absaugen von Partikeln aus einem Prozessraum (12) in einer durch eine Prozessraumtür (11) verschließbaren Prozesskammer (10) einer Maschine (1) zum Bearbeiten von Werkstücken und/oder zum Herstellen von Formkörpern durch ortsselektives Verfestigen von Werkstoffpulver (P) zu zusammenhängenden Bereichen mittels eines fokussierten Laserstrahls (L), wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Verriegeln der Prozessraumtür (12) bevor die Maschine (1) einen Bearbeitungsprozess startet; Betreiben einer ersten Absaugeinrichtung zum Absaugen von Partikeln aus dem Prozessraum (12) bei gedrosselter Leistung während die Maschine (1) den Bearbeitungsprozess durchführt; Betreiben der ersten Absaugeinrichtung zum Absaugen von Partikeln aus dem Prozessraum (12) bei maximaler Leistung während eines festgelegten Zeitraums (ΔT) nachdem ein Bearbeitungsprozess unterbrochen oder beendet wird; Entriegeln der Prozessraumtür (12) nach Ablauf des festgelegten Zeitraums (ΔT).
  9. Verfahren nach Anspruch 8, mit den zusätzlichen Schritten: Betreiben einer zweiten Absaugeinrichtung zum Absaugen von Partikeln aus einem Werkstoffpulverbehälterschrank (7), wobei die Absaugleistung der zweiten Absaugeinrichtung in Abhängigkeit davon eingestellt wird, ob eine Tür des Werkstoffpulverbehälterschranks (7) geöffnet oder verschlossen ist.
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