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EP3678805A1 - Laser-werkzeugmaschine mit absaugsystem - Google Patents

Laser-werkzeugmaschine mit absaugsystem

Info

Publication number
EP3678805A1
EP3678805A1 EP18766235.8A EP18766235A EP3678805A1 EP 3678805 A1 EP3678805 A1 EP 3678805A1 EP 18766235 A EP18766235 A EP 18766235A EP 3678805 A1 EP3678805 A1 EP 3678805A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
suction
machine
material powder
suction device
power
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP18766235.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Martin Reisacher
Andreas Abt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
DMG Mori Ultrasonic Lasertec GmbH
Original Assignee
Sauer GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sauer GmbH and Co KG filed Critical Sauer GmbH and Co KG
Publication of EP3678805A1 publication Critical patent/EP3678805A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the present invention relates to a machine for processing workpieces and / or for producing moldings by locally solidifying material powder to coherent areas by means of a focused laser beam, the machine having a suction system for sucking off particles.
  • the present invention also relates to a method for aspirating particles from a process space in a process chamber of a machine chamber closable by a process chamber for processing workpieces and / or for producing moldings by locally solidifying material powder to coherent areas by means of a focused laser beam.
  • a generic machine is in particular a machine for producing shaped articles according to the principle of selective laser melting, selective laser sintering or laser deposition welding.
  • material powder made of metal, plastic or ceramic can be used.
  • laser machine tool or simply a machine is used below.
  • the corresponding moldings for example, by layering of a metallic or ceramic material powder or a plastic powder produced or processed.
  • the material powder is passed by means of a powder nozzle to the focal point of a focused laser beam, heated by the focused laser beam, so that the material powder is remelted in the irradiated areas to coherently solidified sections. After cooling, a layer of material is created, which can be processed mechanically.
  • the types of machines differ, among other things, in the way the material powder is provided.
  • a powder bed is built up in layers.
  • the material powder is provided by means of a powder nozzle at the point of machining.
  • the present invention particularly relates to machines in which the material powder is provided by means of a powder nozzle at the focal point of the laser.
  • the mechanical structure for moving the laser processing head and / or the workpiece for example, as in a known five-axis machining center, wherein instead of a mechanical tool, the laser processing head is provided.
  • Machine tools have also been available on the market for some years now, which permit both laser machining and machining, for example with a milling tool. In such hybrid machining centers, the laser processing head can be attached to the recording of the Maschinenzugspindel.
  • welding fumes may be produced, which may be harmful to human health, as they may contain respirable particles which may be carcinogenic, so that a significant health hazard may arise from such particles.
  • Welding fume particles may for example have a size of a few micrometers or even a few tenths of a micron. They are therefore also referred to as fine dust particles.
  • an operator of such a machine must be protected from the inhalation of the particles.
  • 210185PC Machine wear a respirator.
  • protection by a mask may be insufficient.
  • other persons who are in an environment of the machine are not protected.
  • laser machine tools therefore usually have suction devices for extracting the particles from the process space.
  • a laser machine tool has a process chamber which can be closed by a process chamber door and which surrounds a process space.
  • a suction device By means of a suction device, a negative pressure can be built up in the process chamber, so that in any case no particles are released into the environment when the process chamber is closed.
  • the air flow must be adjusted so that on the one hand as efficient as possible suction of the particles is guaranteed.
  • the airflow generated in the process room must not disturb the process itself. For example, too strong an air stream a material powder flow, which is generated by a flowing through the powder nozzle carrier gas disturb, so that at the focal point of the laser beam no sufficient amount of material powder or an uneven distribution of powder material arrives.
  • a manually adjustable throttle to adjust the suction on. Throttle valve adjustment is typically done once when installing or servicing the machine.
  • the present invention is in view of the above, the object to provide a machine with an exhaust system, in which the suction power is adjustable.
  • the object is achieved by a machine according to the preamble of claim 1.
  • the first suction means comprises means for controlling a suction power of the first suction means and / or the second suction means comprises means for controlling a suction power of the second suction means.
  • the object is also achieved by a method for extracting particles from a process space in a process chamber of a machine chamber closable by a process chamber for processing workpieces and / or for producing moldings by locally solidifying material powder to contiguous areas by means of a focused laser beam.
  • a first method step the process room door is locked before the machine starts a machining process. This ensures that the process room door can not be opened during the machining process.
  • a first suction device for sucking particles out of the process chamber is operated at a reduced power while the machine is performing the machining process. The throttling of the power takes place, for example, depending on the material used powder or as a function of a material powder flow.
  • the first extraction device is operated for extracting particles from the process space at maximum power during a fixed period of time after a processing process is interrupted or terminated.
  • the period is set so that all the air in the process room is completely replaced at least once during the period.
  • the process room door is unlocked after the specified period has expired. As soon as all particles have been sucked out of the process area, the process room door can be opened again. There is no longer any danger that an operator of the machine or an ambient air of the machine will be contaminated with harmful particles.
  • throttled power refers to a suction power that is less than a maximum suction power.
  • the air stream for suction is generated by a fan, which is preferably operated at a constant power.
  • the suction power of a suction device is then preferably throttled by limiting the air flow, for example by throttle valves.
  • the throttle valves may for example be arranged in exhaust ducts of the suction device, which are flow-connected to the blower.
  • the means for controlling the suction power of the first suction device and / or the second suction device each have actuators.
  • the actuators may preferably be controlled separately from a machine controller.
  • an air inlet and an air outlet connected to the first exhaust air duct are arranged in the process space.
  • the air inlet and the air outlet are preferably arranged such that an air flow is generated over a focal point of the focused laser beam. If the generated air flow flows over the focal point of the laser beam, a generated welding fume can be extracted particularly efficiently, since the welding fume is produced at the focal point or in the immediate vicinity of the focal point of the laser beam.
  • the first suction device can be operated with a lower suction power when the air flow flows past where the welding smoke is produced.
  • the air inlet and the air outlet are in particular arranged so that the air flow is generated in the horizontal direction. Such an arrangement is particularly advantageous when the laser processing head emits the focused laser beam in the vertical direction on the workpiece. The air flow generated in the horizontal direction can then flow unhindered past the workpiece.
  • the means for controlling the suction power of the first suction device and / or the second suction device are arranged, the suction power of the first suction device and / or the second suction device in dependence on an opening state of the process room door and / or an opening state of the door of the material powder container adjust.
  • a higher suction power is required to prevent contamination of the environment by particles.
  • a higher suction power is required than when the doors are closed.
  • the process chamber door can only be opened when the machining process of the machine is ended or interrupted.
  • the first suction device can be operated at full power with the process chamber door open, without the risk of negatively affecting the powder flow.
  • the machine controller may be configured to lock the process room door as long as a machining process is taking place. After the process has been ended or interrupted, the process room door can, for safety reasons, remain locked for a fixed period of time during which the extraction of the generated welding fumes is carried out. If the suction power is increased, this fixed period can be shortened.
  • the means for controlling the suction power of the first suction device and / or the second suction device may be configured to adjust the suction power of the first suction device and / or the second suction device in dependence on a machining and / or manufacturing process of the machine.
  • the suction power of the first suction device is throttled during a machining and / or manufacturing process, in order to avoid an influence on the material powder flow from the powder nozzle. If the processing and / or manufacturing process is interrupted or completed, then the suction power of the first suction device can be set to the maximum value.
  • the means for controlling the suction power of the first suction device and / or the second suction device may be configured to adjust the suction power of the first suction device and / or the second suction device in dependence on the material material and / or the material material composition of the material powder.
  • different welding fumes may be produced when different materials are used, which can be formed differently in terms of composition, pollutant, pollutant or smoke concentration and toxicity of the pollutants contained.
  • this exemplary embodiment has the advantage that the suction power is adjustable as a function of the resulting welding fume, wherein a higher suction power is preferably adjustable for materials with relatively higher pollutant concentration in the welding fume and / or higher toxicity of the pollutants contained and lower for materials Pollutant concentration in the welding fumes and / or lower toxicity of the pollutants contained a lower suction power is adjustable.
  • the exhaust method may further comprise a step of operating a second exhaust means for exhausting particles from the casing (e.g., a material powder cupboard) for the material powder containers.
  • the suction power of the second suction device can be adjusted depending on whether a door of the housing or the material powder cabinet is open or closed. With the door of the material pulp cabinet (or material powder container cabinet) open, in which one or more material powder containers may be arranged, the second suction means may be operated at full suction, so as to prevent or at least reduce leakage of material powder from the material powder container into the environment. When the door of the material powder cabinet door is closed, the second suction device can be operated at a reduced suction power, since not the full power is required to produce a sufficiently high negative pressure in the material powder cabinet.
  • Figure 1 a structure of a machine tool for producing or editing a
  • Shaped body or workpiece by means of focused laser radiation.
  • Figure 2 a perspective view of an embodiment of an inventive
  • FIG. 3 shows a detailed view of the exhaust air ducts and throttle valves of the laser
  • FIG. 4 shows a perspective view of the process space of a laser machine tool according to an embodiment.
  • Figure 5 an exemplary timing of the suction.
  • FIG. 6 an illustration of the principle of action of laser deposition welding.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a machine 1 for processing a workpiece and / or for producing a shaped body by location-selective solidification of material powder to coherent areas by means of laser radiation.
  • the machine 1 has a machine frame 21, to which a work table 20 and, on the other hand, a laser processing head 23 with a powder nozzle 15 are attached indirectly via adjusting axles 22 lying therebetween.
  • the adjusting axes 22 may each have a plurality of translatory (X, Y, Z) or rotary ( ⁇ , ⁇ , ⁇ ) axes, which are adjustable in accordance with a machine control.
  • the design may, for example, be such that the laser processing head 23 via one, two
  • the machine 1 may be, for example, a five-axis laser machine tool for the production of moldings by location-selective solidification of material powder to coherent areas by means of laser radiation.
  • a workpiece can be releasably secured for editing.
  • a shaped body can be built up in layers on the workpiece table 20 by site-selective solidification of material powder.
  • Such a laser machine tool 1 generally has a closed process chamber 10 in which a negative pressure can be generated by means of an exhaust system in order to protect an environment of the machine 1 from contamination by welding fumes or other particles, for example material powder.
  • the process chamber 10 surrounds a process space 12, which is accessible via a process room door 11.
  • the process room door 11 may have a locking mechanism that can be actuated depending on the machining process. As a result, it can be prevented that the process chamber door 11 is opened during an ongoing machining process.
  • the extraction system can suck in air from the process space 12 via an air outlet 5a.
  • the air outlet 5a is fluidly connected to a fan 2 via a first exhaust duct 3a.
  • an air inlet 5b which is flow-connected to a supply air duct 3d
  • the process space 12 fresh air can be supplied.
  • the direction of the air flow F in the process chamber 12 can be adjusted so that the air flow F is substantially horizontally past an operating point of the laser machine tool 1, where a focused laser beam L the supplied through the powder nozzle 15 material powder P merges with the workpiece.
  • the principle of action of laser deposition welding will be described in more detail below with reference to FIG.
  • the air flow F is shown in FIG. 1 as a dotted arrow. Further dotted arrows illustrate a supply air flow through the supply air duct 3d and an exhaust air flow through the first exhaust air duct 3a.
  • the air inlet 5b may also be omitted in alternative embodiments of the invention.
  • the supply of fresh air from the environment can then take place through slots and / or joints in the process chamber 10 or between the process chamber 10 and the process chamber door 11.
  • the provision of the air inlet 5b has the advantage that the flow direction of the air flow F can be set more precisely, so that a substantially laminar,
  • 210185PC horizontal flow over the operating point of the machine 1 can be generated.
  • more than one air inlet 5b and / or more than one air outlet 5a may be provided.
  • the air flow F can also be generated in any other flow direction, for example vertically, instead of in the horizontal direction.
  • FIG. 4 A perspective view of a five-axis laser machine tool 1 according to the invention for the production of moldings by site-selective solidification of powder material to coherent areas by means of laser radiation according to an embodiment is shown in Fig. 4.
  • the illustrated embodiment substantially corresponds to the machine 1 shown schematically in Fig. 1. In Fig. 4, however, no attached to the adjusting axis 22 laser processing head 23 is shown.
  • the workpiece table 20 is arranged in a process chamber 10 (process booth) which can be closed by a process chamber door 11 and which surrounds the process space 12.
  • a control device 13 arranged outside the process chamber 10 serves as an interface between operator and machine control. For example, measured values and / or warning messages and / or control applications can be displayed on a display of the control device 13.
  • the air outlet 5a is arranged on the left.
  • the dotted arrow illustrates the airflow F generated by the exhaust system.
  • the air inlet 5b is not visible in FIG. 4 because it is obscured by the process room door 11.
  • FIG. 2 shows a perspective rear view of the five-axis laser machine tool 1 according to the invention.
  • FIG. 2 illustrates further details, not shown in FIG. 4, of the exhaust system.
  • the machine 1 comprises a material powder container cabinet 7 for storing material powder in one or more material powder containers in the material powder container cabinet 7.
  • the material powder container cabinet 7 has a door (not shown) through which an operator can fill the material powder container, not shown, with material powder. From the material powder container cabinet 7 lines lead the material powder to the powder nozzle 15.
  • a carrier gas such as argon.
  • the suction system has a blower 2 for generating an air flow, a first suction device for sucking particles from the process space 12 and a second suction device for sucking particles from the material powder container cabinet 7.
  • the first suction device comprises a first exhaust air duct 3a, via which the air outlet 5a arranged in the process chamber 12 is flow-connected to the blower 2.
  • the second suction device comprises a second exhaust duct 3b, via which an air outlet arranged in the material powder container cabinet 7 (not shown) with the blower
  • 210185PC 2 is fluidly connected.
  • the first exhaust duct 3a and the second exhaust duct 3b are connected via a T-piece with a third exhaust duct 3c, which is fluidly connected to the fan 2.
  • the first suction device and the second suction device respectively have means 4a, 4b for setting a suction power.
  • a detail view in Fig. 3 shows the tee, which connects the first exhaust duct 3a and the second exhaust duct 3b with the third exhaust duct 3c.
  • the means for adjusting the suction power as throttle valves 4a and 4b in the first exhaust duct 3a and in the second exhaust duct 3b are shown.
  • the throttle valves 4a, 4b can be controlled via actuators 6a, 6b.
  • the actuators 6a, 6b are controlled by the machine control.
  • an opening degree of the throttle valves By adjusting an opening degree of the throttle valves, an air flow through the first and / or second suction means can be adjusted.
  • the air flow through the first and / or second suction device can be adjusted as a function of a process and / or as a function of a state of the process chamber door 11 and / or the door of the material powder container 7.
  • the throttle valves 4a, 4b are controlled by actuators 6a, 6b, the setting of the suction power can be fully automatically controlled by the machine control integrated into a process flow.
  • the fan 2 may include one or more filters to filter the extracted particles from the airflow.
  • the fan may have a category C filter with cleaning.
  • the air-filtered particles can be collected in a separate container and removed for disposal.
  • the filtered air flow can either be forwarded via an external exhaust duct or directed to the environment of the machine 1.
  • the blower may have one or more particulate filters, in particular HEPA filters, for example of the category H13 and / or H14.
  • a remote blower 2 can be used to generate the exhaust air flow.
  • the fan 2 may be arranged outside a building in which the machine 1 is installed.
  • the exhaust air can be discharged directly to the outside, so that lower requirements can be made to the filtration of the exhaust air, as if the exhaust air is discharged into the room air.
  • FIG. 5 An exemplary time sequence of the suction will now be described with reference to FIG. 5.
  • the top line in Fig. 5 indicates whether the process is in the "on” or “off” state, that is, whether a process of laser deposition welding is in progress or not.
  • the second line shows the condition of the door
  • the third line indicates whether the extraction of process space 11 is at full power, at reduced power, or not at all.
  • the bottom line indicates whether the suction of the material powder container cabinet 11 is at full power, at reduced power, or not at all.
  • the state of the process chamber door 11 is not shown in FIG. At the lower edge of FIG. 5, a time axis is shown at the five times Ti to Ts are drawn, which are explained below.
  • the door to the material powder container cabinet 7 is opened by an operator of the machine 1 to refill material powder.
  • the power of the suction from the material powder holder 7 is now increased to maximum performance.
  • the operator After the operator has refilled the material powder holder 7, he closes the door again at time T3.
  • the extraction from the material powder container cabinet 7 can now be continued again with reduced power.
  • the process of laser deposition welding in the machine 1 is ended.
  • the power of the extraction of the process chamber 12 is increased to the maximum value in order to clean the process space 12 as completely as possible of welding fumes and other particles. This can prevent harmful particles from entering the environment when opening the process chamber door 11.
  • the extraction at maximum power takes place during a fixed period ⁇ until the time T 4 , in which the suction of the process chamber 12 and the material powder container cabinet 7 is turned off.
  • the fixed period ⁇ is selected so that at the end of the specified period ⁇ as possible all harmful particles are sucked out of the process chamber 12.
  • the process chamber door 11 may be locked until the time T5, so that an operator of the machine 1, the process room door 11 only
  • 210185PC can then open, if it is ensured that a large part or as possible all harmful particles are sucked out of the process chamber 12.
  • the method described above can be controlled, for example, by a machine control of the machine 1, which can preferably be operated via the control device 13.
  • the suction can also be continued after the time Ts.
  • FIG. 6 The operating principle of the laser deposition welding is illustrated with reference to FIG. 6.
  • a powder nozzle 15 is shown in the vicinity of a workpiece W to be machined.
  • a focused laser beam L coming from the laser processing head runs coaxially with the powder nozzle 15 and is focused on an operating point on or just above the workpiece Wf.
  • the Werkst off powder P is passed coaxially to the laser beam L through the powder nozzle 15 to the focal point of the laser beam L on the workpiece W.
  • a protective or carrier gas G such as argon also flows through the powder nozzle 15 and thereby transports the material powder P.
  • the protective gas G also serves to prevent unwanted reactions of the heated material powder P or the workpiece W with atmospheric oxygen. In the welding process, a welding smoke S may arise.
  • This welding smoke should be removed from the working space 12 of the machine 1 by the extraction system described above.
  • the extraction system generates the air flow F illustrated by means of dotted arrows, which preferably leads past the workpiece W as a horizontal, laminar flow and thereby entrains the welding smoke S.
  • the strength of the air flow F must be set so that the air flow F does not interfere with the flow of the material powder P with carrier gas G. If the air flow F is set too high, then material powder P can be sucked off the powder nozzle 15, which would disrupt the process.
  • a typical value of the maximum suction power from the process room is about 1000 m 3 per hour. During throttled operation, approximately 200 to 600 m 3 per hour are drawn off. In comparison, during the laser welding process, typically a stream of about 3 to 6 liters of carrier gas flows with material powder, for example argon, per minute through the powder nozzle 15.
  • material powder for example argon

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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

Laser-Werkzeugmaschine mit Absaugsystem
Beschreibung
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 Kunststoff pulver 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.
210185 PC Zum Stand der Technik betreffend das Gebiet des selektiven Laserschmelzens wird zum Beispiel auf die DE 10 2015 522 689 AI 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 AI 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 Werkstoff pulver 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 Werkstoff pulver 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
210185PC 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 Werkstoff pulver oder eine ungleichmäßige Verteilung von Werkstoff pulver ankommt. Um eine Störung des Werkstoff pulverstroms 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.
210185PC 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 Werkstoff pulvers beziehungsweise in Abhängigkeit eines Werkstoffpulverstroms. Hierdurch wird verhindert, dass ein durch die Absaugung erzeugter Luftstrom den Werkstoff pulverstrom 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
210185PC 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 stromungsverbundener 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.
210185PC 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 Werkstoff pulvers 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.
210185 PC Kurzbeschreibung der Figuren
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:
Figur 1: einen Aufbau einer Werkzeugmaschine zum Herstellen bzw. Bearbeiten eines
Formkörpers beziehungsweise Werkstücks mittels fokussierter Laserstrahlung.
Figur 2: eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen
Laser- Werkzeugmaschine mit Absaugsystem.
Figur 3: eine Detailansicht der Abluftkanäle und Drosselklappen der Laser-
Werkzeugmaschine gemäß dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2.
Figur 4: eine perspektivische Ansicht auf den Prozessraum einer Laser-Werkzeugmaschine gemäß eines Ausführungsbeispiels.
Figur 5: einen beispielhaften zeitlichen Ablauf des Absaugens.
Figur 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.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Maschine 1 zum Bearbeiten eines Werkstücks und/oder zum Herstellen eines Formkörpers durch ortsselektives Verfestigen von Werkstoff pulver 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
210185 PC 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 Werkstoff pulver 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 Werkstoff pulver P mit dem Werkstück verschmilzt. Das Wirkprinzip des Laserauftragsschweißens wird weiter unten unter Bezugnahme auf Fig. 6 genauer beschrieben. Der Luftstrom F ist in Fig. 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,
210185PC 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 Werkstoff pulver zu zusammenhängenden Bereichen mittels Laserstrahlung gemäß eines Ausführungsbeispiels ist in Fig. 4 gezeigt. Das dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen der in Fig. 1 schematisch dargestellten Maschine 1. In Fig. 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 Fig. 4 nicht sichtbar, da er von der Prozessraumtür 11 verdeckt wird.
Fig. 2 zeigt eine perspektivische Rückansicht der erfindungsgemäßen Fünf-Achsen-Laser- Werkzeugmaschine 1. In Fig. 2 sind weitere in Fig. 4 nicht dargestellte Details des Absaugsystems illustriert. Die Maschine 1 umfasst einen Werkstoffpulverbehälterschrank 7 zum Bevorraten von Werkstoff pulver 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
210185PC 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 Fig. 3 zeigt das T-Stück, das den ersten Abluftkanal 3a und den zweiten Abluftkanal 3b mit dem dritten Abluftkanal 3c verbindet. In Fig. 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 Fig. 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 Fig. 5 beschrieben. Die oberste Linie in Fig. 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
210185PC zum Werkstoffpulverbehalterschrank 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 Fig. 5 nicht dargestellt. Am unteren Rand der Fig. 5 ist eine Zeitachse dargestellt an der fünf Zeitpunkte Ti bis Ts eingezeichnet sind, die im Folgenden erläutert werden.
Zum Zeitpunkt Ti startet der Prozess des Laserauftragsschweißens in der Maschine 1. Die Tür zum Werkstoffpulverbehalterschrank 7 sowie die Prozessraumtür 11 sind geschlossen. Mit dem Start des Prozesses im Zeitpunkt Ti 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 Unterdrück 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 Werkstoffpulverbehalter 7 auf maximale Leistung erhöht. Nachdem der Bediener den Werkstoffpulverbehalter 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 ΔΤ bis zum Zeitpunkt T4, in dem die Absaugung des Prozessraums 12 und des Werkstoffpulverbehälterschranks 7 abgestellt wird. Der festgelegte Zeitraum ΔΤ wird so gewählt, dass zum Ende des festgelegten Zeitraums ΔΤ 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
210185PC 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 Ts fortgeführt werden. Um eine Lärmentwicklung zu reduzieren, und um Energie zu sparen, ist es jedoch vorteilhaft, die Absaugung nach dem festgelegten Zeitraum ΔΤ zu drosseln beziehungsweise ganz abzuschalten.
Das Wirkprinzip des Laserauftragsschweißens wird anhand der Fig. 6 illustriert. In Fig. 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 Wfokussiert. Das Werkst off pulver 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 Werkstoff pulver 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 Werkstoff pulver 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.
210185 PC 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 Luftein lass
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
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Claims

Patentansprüche
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
210185PC (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 Werkstoff pulvers (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 (ΔΤ) nachdem ein Bearbeitungsprozess unterbrochen oder beendet wird;
Entriegeln der Prozessraumtür (12) nach Ablauf des festgelegten Zeitraums (ΔΤ).
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.
210185 PC
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