DE102019207421A1 - Method and device for smoothing a surface of a component by machining with energetic radiation - Google Patents

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Abstract

Bei einem Verfahren zum Glätten einer Oberfläche eines Bauteils durch Bearbeitung mit energetischer Strahlung wird die Oberfläche durch mehrere Überfahrten mit einem energetischen Strahl in einer Randschicht mehrmals entlang einer Bearbeitungsbahn auf- oder umgeschmolzen. Bei jeder Überfahrt wird die Schmelzbadtemperatur des jeweils momentan erzeugten Schmelzbades erfasst und über die Bearbeitungsparameter geregelt. Weiterhin wird während jeder Überfahrt die Rauheit der jeweils auf- oder umgeschmolzenen Oberfläche ortsaufgelöst gemessen und mit einer Zielrauheit verglichen. Die Bearbeitung wird bei Erreichen der Zielrauheit innerhalb vorgebbarer Toleranzen beendet. Durch diese Regelung über zwei Regelgrößen und die Rauheitsmessung während der Überfahrt wird eine zuverlässige Glättung auch bei Freiformflächen und variierender Bauteildicke in einem einstufigen Prozess ermöglicht.In a method for smoothing a surface of a component by machining with energetic radiation, the surface is melted or remelted several times along a machining path by several passes with an energetic beam in an edge layer. With each pass, the melt pool temperature of the currently generated melt pool is recorded and controlled via the processing parameters. Furthermore, during each pass, the roughness of the respectively melted or remelted surface is measured spatially resolved and compared with a target roughness. Machining is ended when the target roughness is reached within specifiable tolerances. This regulation using two control variables and the roughness measurement during the pass enable reliable smoothing even with free-form surfaces and varying component thicknesses in a single-stage process.

Description

Technisches AnwendungsgebietTechnical field of application

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Glätten einer Oberfläche eines Bauteils, insbesondere eines Kunststoffbauteils durch Bearbeitung mit energetischer Strahlung, insbesondere Laserstrahlung, bei denen die Oberfläche durch mehrere Überfahrten mit wenigstens einem energetischen Strahl in einer Randschicht mehrmals entlang einer Bearbeitungsbahn auf- oder umgeschmolzen wird.The present invention relates to a method and a device for smoothing a surface of a component, in particular a plastic component, by processing with energetic radiation, in particular laser radiation, in which the surface rises up or down several times along a processing path through several passes with at least one energetic beam in an edge layer is remelted.

Bauteile aus Kunststoff wurden in der Vergangenheit überwiegend mittels Spritzguss hergestellt. Dieses Verfahren wird zunehmend durch additive Fertigungsverfahren, auch als 3D-Druck bezeichnet, ergänzt. Für Kunststoffe häufig eingesetzte Verfahren sind das SLS-Verfahren (SLS: Selective Laser Sintering) und das FDM-Verfahren (FDM: Fused Deposition Modeling). Die Oberfläche additiv gefertigter Kunststoffbauteile weist allerdings eine für viele Anwendungen zu hohe Oberflächenrauheit auf. Daher ist in der Regel eine Nachbearbeitung der Oberfläche der additiv gefertigten Kunststoffbauteile erforderlich, mit der die Oberflächenrauheit verringert wird.In the past, plastic components were mainly manufactured using injection molding. This process is increasingly being supplemented by additive manufacturing processes, also known as 3D printing. Processes frequently used for plastics are the SLS process (SLS: Selective Laser Sintering) and the FDM process (FDM: Fused Deposition Modeling). The surface of additively manufactured plastic components, however, has a surface roughness that is too high for many applications. As a rule, the surface of the additively manufactured plastic components must therefore be reworked to reduce the surface roughness.

Stand der TechnikState of the art

Zur Glättung der Oberflächen von additiv gefertigten Kunststoffbauteilen sind unterschiedliche Verfahren bekannt, beispielsweise chemisches Ätzen, manuelles Schleifen und Polieren oder das Gleitschleifen, die jedoch jeweils unterschiedliche Nachteile hinsichtlich des Zeit- und Kostenaufwandes sowie der Beeinflussung der Oberfläche aufweisen. Ein weiteres bekanntes Verfahren zur Glättung von Kunststoffoberflächen, das die Nachteile der mechanischen oder chemischen Behandlung vermeidet, ist das Glätten mittels energetischer Strahlung, insbesondere Laserstrahlung.Various methods are known for smoothing the surfaces of additively manufactured plastic components, for example chemical etching, manual grinding and polishing or vibratory grinding, which, however, each have different disadvantages in terms of time and cost and influencing the surface. Another known method for smoothing plastic surfaces that avoids the disadvantages of mechanical or chemical treatment is smoothing by means of energetic radiation, in particular laser radiation.

So ist aus der DE 102 28 743 A1 ein Verfahren zum Glätten und Polieren von Oberflächen durch Bearbeitung mit energetischer Strahlung bekannt, bei dem die zu glättende Oberfläche unter Einsatz der energetischen Strahlung umgeschmolzen wird, um die Glättung zu erreichen. Die Bearbeitung erfolgt dabei durch Abrastern der Oberfläche mittels eines energetischen Strahls, insbesondere eines Laserstrahls, wobei die Oberfläche für optimale Glättungsergebnisse mehrmals nacheinander umgeschmolzen wird. Das in dieser Druckschrift beschriebene Verfahren eignet sich vor allem zur Glättung von Metalloberflächen. Es wird jedoch auch vorgeschlagen, das Verfahren bei anderen Werkstoffen, beispielsweise bei Werkstücken aus Kunststoff einzusetzen. Allerdings ist dieses Verfahren bisher nur zur Verringerung der Rauheit planer Oberflächen gleichmäßig dicker Bauteile geeignet. Bei Freiformflächen und/oder variierenden Bauteildicken können Verbrennungen des Materials oder unzulässige Kantenverrundungen auftreten. Eine Variation der Materialdicke führt zu einer geänderten Wärmeverteilung und verändert dadurch auch das Ergebnis der Glättung. Dicke Bauteilbereiche werden nicht genügend aufgeschmolzen und dünne Bauteilebereiche erhitzen sich so stark, dass Material verdampft werden kann.So is from the DE 102 28 743 A1 a method for smoothing and polishing surfaces by machining with energetic radiation is known in which the surface to be smoothed is remelted using the energetic radiation in order to achieve smoothing. The processing is carried out by scanning the surface using an energetic beam, in particular a laser beam, the surface being remelted several times in succession for optimal smoothing results. The method described in this publication is particularly suitable for smoothing metal surfaces. However, it is also proposed to use the method with other materials, for example with workpieces made of plastic. However, this method has so far only been suitable for reducing the roughness of flat surfaces of evenly thick components. With freeform surfaces and / or varying component thicknesses, burns of the material or impermissible edge rounding can occur. A variation in the material thickness leads to a changed heat distribution and thus also changes the result of the smoothing. Thick component areas are not sufficiently melted and thin component areas heat up so much that material can be evaporated.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Glätten einer Oberfläche eines Bauteils, insbesondere eines Kunststoffbauteils, durch Bearbeitung mit energetischer Strahlung anzugeben, das auch bei Freiformflächen und variierender Bauteildicke gute Glättungsergebnisse liefert.The object of the present invention is to provide a method and a device for smoothing a surface of a component, in particular a plastic component, by processing with energetic radiation, which provides good smoothing results even with freeform surfaces and varying component thickness.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Die Aufgabe wird mit dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß den Patentansprüchen 1 und 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und der Vorrichtung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen.The object is achieved with the method and the device according to claims 1 and 9. Advantageous configurations of the method and the device are the subject matter of the dependent claims or can be found in the following description and the exemplary embodiment.

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird die Oberfläche durch mehrere Überfahrten mit wenigstens einem energetischen Strahl, vorzugsweise einem Laserstrahl, in einer Randschicht entlang einer Bearbeitungsbahn mehrmals auf- oder umgeschmolzen, der bei jeder Überfahrt entlang einer oder mehreren Bahnen über die Oberfläche geführt wird. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass bei jeder Überfahrt die Schmelzbadtemperatur des durch den energetischen Strahl während der Überfahrt jeweils momentan erzeugten Schmelzbades erfasst und wenigstens ein die Schmelzbadtemperatur beeinflussender Bearbeitungsparameter in Abhängigkeit von der erfassten Schmelzbadtemperatur während der Überfahrt geregelt wird, um einen vorgebbaren Verlauf der Schmelzbadtemperatur entlang der Bearbeitungsbahn zu erhalten. Unter dem Verlauf der Schmelzbadtemperatur ist dabei also kein zeitlicher Verlauf sondern ein örtlicher Verlauf T(x,y) zu verstehen. Als Bearbeitungsparameter wird hierbei vorzugsweise die Strahlungsleistung geregelt. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, andere Bearbeitungsparameter wie beispielsweise die Bewegungs- bzw. Scangeschwindigkeit des energetischen Strahls relativ zur Oberfläche zu regeln. Weiterhin wird beim vorgeschlagenen Verfahren die Rauheit der jeweils auf- oder umgeschmolzenen Oberfläche während jeder Überfahrt ortsaufgelöst gemessen und mit einer Zielrauheit, die dem gewünschten Glättungsergebnis entspricht, verglichen. Das Verfahren wird beendet, sobald die gemessene Oberflächenrauheit innerhalb vorgebbarer Toleranzen der Zielrauheit entspricht. Dies kann je nach der Anfangsrauheit des Bauteils, Bauteilmaterial und möglichen Bearbeitungsparametern bereits nach der ersten oder zweiten Überfahrt der Fall sein oder auch eine größere Anzahl an Überfahrten erfordern.In the proposed method, the surface is repeatedly melted or remelted in an edge layer along a processing path by several passes with at least one energetic beam, preferably a laser beam, which is guided over the surface with each pass along one or more paths. The method is characterized in that, with each pass, the melt bath temperature of the melt bath currently generated by the energetic beam during the pass is recorded and at least one processing parameter influencing the melt bath temperature is regulated as a function of the melt bath temperature detected during the pass in order to achieve a predefinable course of the Melt bath temperature along the machining path. The course of the melt bath temperature is not to be understood as a time course, but rather a local course T (x, y). The radiation power is preferably regulated as the processing parameter. However, there is also the possibility of regulating other processing parameters such as the movement or scanning speed of the energetic beam relative to the surface. Furthermore, in the proposed method, the roughness of the respectively melted or remelted surface is measured spatially resolved during each pass and compared with a target roughness that corresponds to the desired smoothing result. The process is ended as soon as the measured surface roughness is within specifiable tolerances corresponds to the target roughness. Depending on the initial roughness of the component, component material and possible processing parameters, this can already be the case after the first or second pass, or it can also require a larger number of passes.

Vorzugsweise wird aus dem Vergleich der gemessenen Rauheit mit der Zielrauheit jeweils ein Verlauf der Schmelzbadtemperatur entlang der Bearbeitungsbahn ermittelt, durch den die Rauheit der Oberfläche der Zielrauheit nach der nächsten Überfahrt mit dem energetischen Strahl möglichst nahe kommt. Dieser ermittelte Verlauf der Schmelzbadtemperatur wird dann für die nächste Überfahrt vorgegeben.From the comparison of the measured roughness with the target roughness, a course of the melt bath temperature along the machining path is determined, through which the roughness of the surface comes as close as possible to the target roughness after the next passage with the energetic beam. This determined course of the melt bath temperature is then specified for the next pass.

Zur Verbesserung des Polier- bzw. Glättungsergebnisses wird bei der vorliegenden Erfindung somit eine Prozessregelung vorgeschlagen, die sowohl den Prozess als auch das Ergebnis während jeder Überfahrt kontrolliert. Die Regelung erfolgt über zwei Regelgrößen (Temperatur und Rauheit) und stellt damit ein Mehrgrößensystem dar. Der äußere Regelkreis besteht aus der Rauheitsmessung der bei der jeweiligen Überfahrt nach Erstarren der Schmelze erhaltenen Oberfläche. Mit Hilfe einer geeigneten Messeinrichtung wird die Rauheit pro Überfahrt ortsaufgelöst erfasst und ausgewertet. Der Prozess wird beendet, wenn die Zielrauheit innerhalb der vorgegebenen Toleranzen erreicht wird. Im inneren Regelkreis wird über die Schmelzbadtemperatur als Regelgröße auf einen vorgegebenen Temperaturverlauf entlang der Bearbeitungsbahn geregelt. Bei der ersten Überfahrt wird hierzu vorzugsweise ein konstanter Temperaturverlauf vorgegeben. Bei allen nachfolgenden Überfahrten wird der Temperaturverlauf dann vorzugsweise durch Auswertung der bei der jeweils vorangegangenen Überfahrt gemessenen Oberflächenrauheit ermittelt und für die jeweilige Überfahrt dann vorgegeben. Somit wird ab der zweiten Überfahrt der durch diese Überfahrt zu erzeugende Rauheitssprung (Differenz zwischen Rauheit vor und Rauheit nach der Überfahrt) zielgerichtet eingestellt. Dieser Rauheitssprung wird unter Berücksichtigung der zur Verfügung stehenden Bearbeitungsparameter vorzugsweise so gewählt, dass der Zielrauheit ohne Schädigung des Materials oder der Oberfläche durch zu hohe Temperaturen mit diesem Rauheitssprung möglichst nahe gekommen wird. Die Messung der Schmelzbadtemperatur kann mit einem optischen Temperaturmessverfahren erfolgen, beispielsweise mittels Pyrometrie oder Thermographie.In order to improve the polishing or smoothing result, the present invention proposes a process control which controls both the process and the result during each pass. The regulation takes place via two control variables (temperature and roughness) and thus represents a multi-variable system. The outer control circuit consists of the roughness measurement of the surface obtained during the respective passage after solidification of the melt. With the help of a suitable measuring device, the roughness per pass is recorded spatially resolved and evaluated. The process is ended when the target roughness is reached within the specified tolerances. In the inner control loop, the melt bath temperature is used as a control variable to control a specified temperature profile along the machining path. For this purpose, a constant temperature profile is preferably specified for the first pass. In all subsequent passes, the temperature profile is then preferably determined by evaluating the surface roughness measured in the previous pass and then specified for the respective pass. From the second pass, the roughness jump to be generated by this pass (difference between roughness before and roughness after the pass) is set in a targeted manner. This roughness jump is preferably selected, taking into account the available processing parameters, so that the target roughness comes as close as possible with this roughness jump without damaging the material or the surface due to excessively high temperatures. The melt bath temperature can be measured with an optical temperature measurement method, for example by means of pyrometry or thermography.

Durch diese Regelung über zwei Regelgrößen wird eine zuverlässige Glättung auch von Freiformflächen und Kunststoffbauteilen mit variierender Bauteildicke ermöglicht. Bei der ersten Überfahrt kann hierzu die Schmelzbadtemperatur entlang der Bearbeitungsbahn so vorgegeben werden, dass sie innerhalb eines Temperaturbereiches bleibt, in dem einerseits - vor allem bei Kunststoffbauteilen - noch keine Verbrennung oder Verdampfung von Material stattfindet, aber andererseits eine für die Glättung ausreichende Aufschmelztiefe erreicht wird, beispielsweise durch Vorgabe eines entsprechend konstanten Temperaturwertes in diesem Bereich. Auf diese Weise werden durch die Regelung auch bei variierender Bauteildicke die Bearbeitungsparameter für jeden Bearbeitungsort bzw. jedes Bearbeitungsareal automatisch so angepasst, dass jeweils ausreichend aufgeschmolzen wird und keine zu starke Erhitzung auftritt. Damit können vorteilhaft Bauteile mit Freiformflächen und unterschiedlichen bzw. variierenden Dicken bearbeitet werden. Durch eine vorzugsweise koaxiale Integration der Messkomponenten für die Temperaturmessung in den Strahlengang des energetischen Strahls wird gewährleistet, dass die Temperaturmessung stets im Bearbeitungspunkt stattfindet. Über den äußeren Regelkreis kann dann in der bevorzugten Ausgestaltung mit der zweiten Überfahrt die Temperatur ortsabhängig bereits so vorgegeben werden, dass die Zielrauheit möglichst schnell erreicht wird. Diese Temperaturvorgabe erfolgt selbstverständlich wiederum innerhalb der materialspezifischen Grenzen, innerhalb der eine Schädigung des Materials vermieden wird.This regulation using two control variables enables reliable smoothing even of freeform surfaces and plastic components with varying component thicknesses. During the first pass, the melt bath temperature along the machining path can be specified so that it remains within a temperature range in which, on the one hand - especially in the case of plastic components - no combustion or evaporation of material takes place, but on the other hand a melting depth sufficient for smoothing is achieved , for example by specifying a correspondingly constant temperature value in this area. In this way, even with varying component thicknesses, the control automatically adjusts the processing parameters for each processing location or processing area so that there is sufficient melting in each case and no excessive heating occurs. This means that components with free-form surfaces and different or varying thicknesses can advantageously be machined. A preferably coaxial integration of the measuring components for the temperature measurement in the beam path of the energetic beam ensures that the temperature measurement always takes place in the processing point. In the preferred embodiment, with the second pass, the temperature can then already be predetermined via the outer control loop, depending on the location, so that the target roughness is reached as quickly as possible. This temperature specification is of course again made within the material-specific limits within which damage to the material is avoided.

Zur Bestimmung der jeweils für die nächste Überfahrt vorzugebenden Temperaturen bzw. des entsprechenden Temperaturverlaufs wird vorzugsweise vorab für das jeweilige Bauteilmaterial ein Zusammenhang zwischen der Schmelzbadtemperatur und der damit erreichten Verbesserung der Oberflächenrauheit (Rauheitssprung), also der Rauheitsdifferenz der Oberfläche vor einer Bearbeitung bzw. Überfahrt und nach der Bearbeitung bzw. Überfahrt, ermittelt. Dieser Zusammenhang kann beispielsweise in einer Tabelle (LUT: Look-Up-Table) abgelegt werden, auf die das Verfahren dann während der Bearbeitung zur Ermittlung der für einen bestimmten Rauheitssprung erforderlichen Schmelzbadtemperaturen zurückgreift.To determine the temperatures to be specified for the next pass or the corresponding temperature profile, a relationship between the melt bath temperature and the resulting improvement in the surface roughness (roughness jump), i.e. the roughness difference of the surface before machining or pass and after processing or crossing, determined. This relationship can be stored, for example, in a table (LUT: Look-Up-Table), which the method then uses during processing to determine the melt bath temperatures required for a specific roughness jump.

Da die Oberflächenrauheit über das Bauteil variieren kann, wird eine ortsaufgelöste Rauheitsmessung durchgeführt und somit eine Art Rauheitskarte über die zu glättende Oberfläche erhalten. Der Temperaturverlauf entlang der Bearbeitungsbahn wird dann in Abhängigkeit des ortsabhängigen Unterschieds zwischen der gemessenen Rauheit und der Zielrauheit ermittelt.Since the surface roughness can vary across the component, a spatially resolved roughness measurement is carried out and thus a kind of roughness map is obtained for the surface to be smoothed. The temperature profile along the machining path is then determined as a function of the location-dependent difference between the measured roughness and the target roughness.

Die Messung der Rauheit der jeweils auf- oder umgeschmolzenen Oberflächenschicht erfolgt beim vorliegenden Verfahren bereits während der Überfahrt, also jeweils unmittelbar hinter dem momentan durch den energetischen Strahl erzeugten Schmelzbad nach dessen Erstarrung. Dies wird vorzugsweise dadurch ermöglicht, dass die Messeinrichtung zur Messung der Rauheit starr mit dem Bearbeitungskopf gekoppelt wird, über den der energetische Strahl auf die Oberfläche gerichtet und über die Oberfläche geführt wird. Die Messeinrichtung für die Rauheit kann dabei in diesen Bearbeitungskopf integriert, an diesem Bearbeitungskopf befestigt oder starr mit diesem Bearbeitungskopf gekoppelt sein, der während der Bearbeitung relativ zur Oberfläche entlang der Bearbeitungsbahn bewegt wird. Als Messeinrichtung wird hierzu vorzugsweise eine optische Messeinrichtung zur Messung der Rauheit eingesetzt. Hierzu eignen sich beispielsweise Techniken der Triangulation oder der Weißlichtinterferometrie. Besonders bevorzugt wird eine Messeinrichtung der optischen Kohärenztomographie (OCT) für die Messung der Rauheit eingesetzt. Durch diese Messung bereits während der Überfahrt wird ein separater Arbeitsschritt und damit ein zweistufiger Prozess vermieden, bei dem zunächst die zu glättende Oberfläche während einer Überfahrt vollständig auf- oder umgeschmolzen wird und die Oberfläche dann erst anschließend hinsichtlich der Oberflächenrauheit vermessen wird.The measurement of the roughness of the respectively melted or remelted surface layer takes place in the present method already during the passage, that is in each case immediately behind the melt pool momentarily generated by the energetic beam after its solidification. This is preferably made possible in that the Measuring device for measuring the roughness is rigidly coupled to the machining head, via which the energetic beam is directed onto the surface and guided over the surface. The roughness measuring device can be integrated into this machining head, attached to this machining head or rigidly coupled to this machining head, which is moved relative to the surface along the machining path during machining. For this purpose, an optical measuring device for measuring the roughness is preferably used as the measuring device. For example, techniques of triangulation or white light interferometry are suitable for this. A measuring device from optical coherence tomography (OCT) is particularly preferably used for measuring the roughness. This measurement already during the pass avoids a separate work step and thus a two-stage process in which the surface to be smoothed is first completely melted or remelted during a pass and the surface is only then measured for surface roughness.

Zur Verbesserung des Glättungsergebnisses werden die Bearbeitungsparameter vorzugsweise so gewählt, dass das momentane Schmelzbad jeweils eine Ausdehnung von mindestens 25 mm2 aufweist. Dies kann durch Nutzung eines energetischen Strahls mit einem entsprechend großen Strahldurchmesser oder auch durch geeignet schnelles Scannen eines entsprechend großen Flächenbereiches mit einem energetischen Strahl eines kleineren Strahldurchmessers erreicht werden. In dem letztgenannten Fall wird der Bearbeitungskopf entlang der Bearbeitungsbahn über die glättende Oberfläche bewegt, während der energetische Strahl durch eine Scaneinrichtung im Bearbeitungskopf über eine jeweils kleine Fläche zusätzlich geführt wird. Unter dem Schmelzbad wird dabei bei Kunststoffbauteilen ein zusammenhängender Bereich verstanden, in dem der Kunststoff auf einem Wert oberhalb der Glasübergangstemperatur TG erhitzt ist, bei dem er eine für das Ausfließen der Oberflächenrauheit ausreichend niedrige Viskosität aufweist. Durch Gewährleistung eines ausreichend großen zusammenhängenden Schmelzbades wird dabei ein besonders gutes Glättungsergebnis erzielt.In order to improve the smoothing result, the machining parameters are preferably selected so that the current weld pool has an area of at least 25 mm 2 . This can be achieved by using an energetic beam with a correspondingly large beam diameter or also by suitably fast scanning of a correspondingly large surface area with an energetic beam of a smaller beam diameter. In the latter case, the machining head is moved along the machining path over the smoothing surface, while the energetic beam is additionally guided over a small area by a scanning device in the machining head. In the case of plastic components, the molten bath is understood to be a coherent area in which the plastic is heated to a value above the glass transition temperature T G at which it has a viscosity that is sufficiently low for the surface roughness to flow out. A particularly good smoothing result is achieved by ensuring a sufficiently large, contiguous weld pool.

Vorzugsweise wird das vorgeschlagene Verfahren mit Laserstrahlung durchgeführt. Es können jedoch anstelle von Laserstrahlung auch andere Arten energetischer Strahlung, beispielsweise Mikrowellenstrahlung, Elektronenstrahlung oder Infrarotstrahlung, eingesetzt werden. Bei Nutzung eines Laserstrahls kann eine kontinuierliche, eine gepulste oder eine zeitlich modulierte Strahlquelle eingesetzt werden. Die Laserstrahlung muss eine geeignete Wellenlänge aufweisen, um in dem zu bearbeitenden Material oberflächennah absorbiert zu werden. Dies wird vorzugsweise durch Verwendung einer CO2-Laserstrahlquelle erreicht.The proposed method is preferably carried out with laser radiation. However, instead of laser radiation, other types of energetic radiation, for example microwave radiation, electron radiation or infrared radiation, can also be used. When using a laser beam, a continuous, pulsed or time-modulated beam source can be used. The laser radiation must have a suitable wavelength in order to be absorbed close to the surface in the material to be processed. This is preferably achieved by using a CO 2 laser beam source.

Die vorgeschlagene Vorrichtung weist einen Bearbeitungskopf mit einer optischen Einrichtung, mit der wenigstens ein Laserstrahl auf die Oberfläche des Bauteils gerichtet werden kann, und einer Temperaturmesseinrichtung auf. Die Temperaturmesseinrichtung ist so in den Bearbeitungskopf integriert, dass sie die Temperatur eines mit dem Laserstrahl auf der Oberfläche des Bauteils erzeugten Schmelzbades messen kann. Der Bearbeitungskopf kann mit einer Bewegungseinrichtung entlang einer Bearbeitungsbahn über einen zu glättenden Bereich der Oberfläche des Bauteils geführt werden. Die Vorrichtung zeichnet sich vor allem dadurch aus, dass eine Messeinrichtung zur Messung der Rauheit der Oberfläche des Bauteils am Bearbeitungskopf angebracht, in den Bearbeitungskopf integriert oder mit dem Bearbeitungskopf starr gekoppelt ist, mit der die Rauheit der Oberfläche in Bearbeitungsrichtung hinter dem Schmelzbad messbar ist. Zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens ist die Vorrichtung mit einer entsprechend ausgebildeten Steuer- und Regeleinrichtung verbunden.The proposed device has a processing head with an optical device with which at least one laser beam can be directed onto the surface of the component, and a temperature measuring device. The temperature measuring device is integrated into the processing head in such a way that it can measure the temperature of a melt pool generated on the surface of the component with the laser beam. The machining head can be guided with a movement device along a machining path over an area of the surface of the component to be smoothed. The main feature of the device is that a measuring device for measuring the roughness of the surface of the component is attached to the machining head, integrated into the machining head or rigidly coupled to the machining head, with which the roughness of the surface can be measured in the machining direction behind the weld pool. To carry out the proposed method, the device is connected to a correspondingly designed control and regulating device.

Das Verfahren und die Vorrichtung lassen sich besonders zur Glättung eines oder mehrerer Oberflächenbereiche von Kunststoffbauteilen einsetzen, die eine Oberflächenbeschaffenheit aufweisen, wie sie unmittelbar nach einer additiven Fertigung des Kunststoffbauteils, insbesondere mittels SLS oder FDM, ohne weitere Oberflächenbearbeitung erhalten wird. Auch Kunststoffbauteile mit einem Oberflächenzustand nach einem anderen Herstellungsverfahren zur Formgebung des Bauteils sind selbstverständlich möglich. In vielen Bereichen, wie beispielsweise der Medizintechnik, ist die Oberflächenrauheit von großer Bedeutung. Die oben angegebenen additiven Fertigungsverfahren erreichen die erforderlichen Oberflächeneigenschaften nicht, so dass das vorgeschlagene Verfahren und die zugehörige Vorrichtung hier sehr große Vorteile bieten. Das Verfahren und die Vorrichtung eignen sich beispielsweise zur Glättung von Kunststoffbauteilen aus einem thermoplastischen Kunststoff, beispielsweise eines Kunststoffbauteils aus PA12, PA6, PLA, PP, PC oder PEEK.The method and the device can be used in particular for smoothing one or more surface areas of plastic components that have a surface quality that is obtained immediately after additive manufacturing of the plastic component, in particular by means of SLS or FDM, without further surface processing. Plastic components with a surface condition using a different manufacturing process for shaping the component are of course also possible. In many areas, such as medical technology, surface roughness is of great importance. The additive manufacturing methods specified above do not achieve the required surface properties, so that the proposed method and the associated device offer very great advantages here. The method and the device are suitable, for example, for smoothing plastic components made of a thermoplastic, for example a plastic component made of PA12, PA6, PLA, PP, PC or PEEK.

FigurenlisteFigure list

Das vorgeschlagene Verfahren und die zugehörige Vorrichtung werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigt:

  • 1 eine schematische Darstellung der Glättung einer Oberfläche eines Kunststoffbauteils mit dem vorgeschlagenen Verfahren.
The proposed method and the associated device are explained in more detail below using an exemplary embodiment in conjunction with the drawings. Here shows:
  • 1 a schematic representation of the smoothing of a surface of a plastic component with the proposed method.

Wege zur Ausführung der ErfindungWays of Carrying Out the Invention

Das vorgeschlagene Verfahren wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels nochmals erläutert, bei dem zur Glättung eines Oberflächenbereiches eines Kunststoffbauteils ein Laserstrahl eingesetzt wird, mit dem die Oberfläche des in der 1 schematisch dargestellten Bauteils 1 entlang einer Bearbeitungsbahn 2 auf- oder umgeschmolzen wird. Durch die Wechselwirkung des Bearbeitungslaserstrahls 5 mit der Oberfläche wird im Bereich des Auftreffpunktes des Laserstrahls 5 durch Aufschmelzen des Kunststoffmaterials ein Schmelzbad 3 erzeugt, das anschließend wieder erstarrt, nachdem der Laserstrahl 5 auf der Oberfläche des Bauteils 1 weitergeführt wird. Die Bearbeitungsparameter werden dabei vorzugsweise so gewählt, dass ein zusammenhängendes Schmelzbad von jeweils mindestens 25 mm2 Fläche erzeugt wird. Hierzu kann entweder der Bearbeitungslaserstrahl 5 einen entsprechend großen Strahldurchmesser aufweisen, oder wie in der Figur schematisch dargestellt, einen entsprechend großen Oberflächenbereich auf einer oder mehreren Bahnen schnell abscannen, während er durch Bewegung des Bearbeitungskopfes 6 entlang der Bearbeitungsbahn 2 weitergeführt wird. Innerhalb des Bearbeitungskopfes 6 ist hierzu eine zusätzliche Scaneinrichtung, beispielsweise ein Galvanometerscanner, angeordnet, um den entsprechenden Flächenbereich für das Schmelzbad schnell abzuscannen. 1 zeigt hierzu einen vergrößert dargestellten Bereich, in dem das Schmelzbad 3 und die entsprechende Bahn 4 des Bearbeitungslaserstrahls 5 zur Erzeugung des Schmelzbades 3 schematisch angedeutet sind. In der Figur ist auch der Bearbeitungskopf 6 dargestellt, der entlang der Bearbeitungsbahn 2 über die Oberfläche des Bauteils 1 geführt wird, um die Oberfläche des Bauteils entlang dieser Bearbeitungsbahn umzuschmelzen. Der Bearbeitungskopf 6 enthält hierbei die Laserstrahlquelle und die erforderliche Optik, um den Bearbeitungslaserstrahl 5 in geeigneter Weise auf die Oberfläche des Bauteils zu fokussieren.The proposed method is explained again below using an exemplary embodiment in which a laser beam is used to smooth a surface area of a plastic component with which the surface of the in the 1 schematically shown component 1 along a machining path 2 is melted or remelted. Through the interaction of the machining laser beam 5 with the surface is in the area of the point of impact of the laser beam 5 a melt pool by melting the plastic material 3 which then solidifies again after the laser beam 5 on the surface of the component 1 is continued. The processing parameters are preferably selected in such a way that a coherent weld pool with an area of at least 25 mm 2 is generated. Either the processing laser beam 5 have a correspondingly large beam diameter, or as shown schematically in the figure, quickly scan a correspondingly large surface area on one or more paths while moving the processing head 6th along the machining path 2 is continued. Inside the processing head 6th For this purpose, an additional scanning device, for example a galvanometer scanner, is arranged in order to quickly scan the corresponding surface area for the weld pool. 1 shows an enlarged area in which the weld pool 3 and the corresponding track 4th of the machining laser beam 5 to create the weld pool 3 are indicated schematically. The figure also shows the machining head 6th shown along the machining path 2 over the surface of the component 1 is performed in order to remelt the surface of the component along this machining path. The processing head 6th contains the laser beam source and the required optics for the processing laser beam 5 to focus appropriately on the surface of the component.

Im vorliegenden Beispiel erfolgt während der jeweiligen Überfahrt, d.h. während der Bewegung des Bearbeitungskopfes 6 entlang der Bearbeitungsbahn 2 eine Temperaturmessung mit in den Bearbeitungskopf 6 integrierten Infrarotsensoren koaxial zum Bearbeitungslaserstrahl 5. Es wird somit ständig die momentane Temperatur des Schmelzbades 3 am Bearbeitungsort gemessen. Gleichzeitig erfolgt mittels OCT eine Messung der Rauheit der Oberfläche unmittelbar nach Erstarren des Schmelzbades, also im Nachlauf zum jeweiligen Bearbeitungsort, wie dies in der 1 mit der optischen Strahlung 7 für die OCT-Messung schematisch angedeutet ist. Die OCT-Messeinrichtung ist in diesem Beispiel in den Bearbeitungskopf 6 integriert. Die hierbei ortsaufgelöst gemessene Oberflächenrauheit wird mit einer vorgegebenen Zielrauheit verglichen und aus dem Vergleich ortsabhängige Schmelzbadtemperaturen als Temperaturverlauf für die nächste Überfahrt ermittelt. Die Temperatur des Schmelzbades wird dann bei der nächsten Überfahrt über die Bearbeitungsparameter, insbesondere die Laserleistung, so geregelt, dass die entsprechende Temperatur am jeweiligen Bearbeitungsort erhalten wird. Durch diese Mehrgrößenregelung einerseits und die Rauheitsmessung bereits während der Überfahrt andererseits wird ein mehrstufiger Prozess vermieden und das Glättungsergebnis der Oberfläche durch ein besseres Temperaturmanagement verbessert. Damit können auch Freiformflächen in zuverlässiger Weise bearbeitet werden.In the present example takes place during the respective passage, ie during the movement of the machining head 6th along the machining path 2 a temperature measurement in the processing head 6th integrated infrared sensors coaxial to the processing laser beam 5 . The current temperature of the weld pool is therefore always constant 3 measured at the processing site. At the same time, OCT is used to measure the roughness of the surface immediately after the melt pool has solidified, i.e. in the wake of the respective machining location, as shown in FIG 1 with the optical radiation 7th is indicated schematically for the OCT measurement. In this example, the OCT measuring device is in the processing head 6th integrated. The surface roughness measured in a spatially resolved manner is compared with a specified target roughness and the comparison is used to determine location-dependent melt bath temperatures as the temperature profile for the next pass. The temperature of the molten bath is then regulated during the next pass via the processing parameters, in particular the laser power, so that the corresponding temperature is maintained at the respective processing location. This multivariable control, on the one hand, and the roughness measurement already during the pass, on the other hand, avoids a multi-stage process and improves the smoothing result of the surface through better temperature management. This means that free-form surfaces can also be machined in a reliable manner.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
KunststoffbauteilPlastic component
22
BearbeitungsbahnMachining path
33
SchmelzbadWeld pool
44th
Bahn des BearbeitungslaserstrahlsPath of the machining laser beam
55
BearbeitungslaserstrahlMachining laser beam
66
BearbeitungskopfMachining head
77th
optische Strahlung für OCToptical radiation for OCT

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • DE 10228743 A1 [0004]DE 10228743 A1 [0004]

Claims (10)

Verfahren zum Glätten einer Oberfläche eines Bauteils, insbesondere eines additiv gefertigten Kunststoffbauteils, durch Bearbeitung mit energetischer Strahlung, bei der die Oberfläche durch mehrere Überfahrten mit wenigstens einem energetischen Strahl (5) in einer Randschicht mehrmals entlang einer Bearbeitungsbahn (2) auf- oder umgeschmolzen wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei jeder Überfahrt eine Schmelzbadtemperatur eines durch den energetischen Strahl (5) während der Überfahrt jeweils momentan erzeugten Schmelzbades (3) erfasst und wenigstens ein die Schmelzbadtemperatur beeinflussender Bearbeitungsparameter in Abhängigkeit von der erfassten Schmelzbadtemperatur während der Überfahrt geregelt wird, um einen vorgebbaren Verlauf der Schmelzbadtemperatur entlang der Bearbeitungsbahn (2) zu erhalten, und dass eine Rauheit der jeweils auf- oder umgeschmolzenen Oberfläche während jeder Überfahrt ortsaufgelöst gemessen und mit einer Zielrauheit verglichen wird, wobei die Bearbeitung bei Erreichen der Zielrauheit innerhalb vorgebbarer Toleranzen beendet wird.Method for smoothing a surface of a component, in particular an additively manufactured plastic component, by processing with energetic radiation, in which the surface is melted or remelted several times along a processing path (2) by several passes with at least one energetic beam (5) in an edge layer , characterized in that with each pass a melt bath temperature of a melt bath (3) generated by the energetic beam (5) during the pass is detected and at least one processing parameter influencing the melt bath temperature is regulated as a function of the melt bath temperature detected during the pass to a to obtain a specifiable course of the melt bath temperature along the machining path (2), and that a roughness of the respectively melted or remelted surface is measured spatially resolved during each pass and compared with a target roughness, the machining b When the target roughness is reached within specifiable tolerances. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der energetische Strahl (5) über einen entlang der Bearbeitungsbahn (2) über die Oberfläche geführten Bearbeitungskopf (6) auf die Oberfläche gerichtet und die Rauheit mit einer am Bearbeitungskopf (6) angebrachten, in den Bearbeitungskopf (6) integrierten oder mit dem Bearbeitungskopf (6) starr gekoppelten Messeinrichtung in Bearbeitungsrichtung hinter dem Schmelzbad (3) gemessen wird.Procedure according to Claim 1 , characterized in that the energetic beam (5) is directed onto the surface via a machining head (6) guided along the machining path (2) and the roughness is integrated into the machining head (6) with a machining head (6) attached or with the measuring device rigidly coupled to the machining head (6) in the machining direction behind the weld pool (3). Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Messeinrichtung für die Messung der Rauheit eine optische Messeinrichtung eingesetzt wird.Procedure according to Claim 2 , characterized in that an optical measuring device is used as the measuring device for measuring the roughness. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rauheit mittels OCT gemessen wird.Method according to one of the Claims 1 to 3 , characterized in that the roughness is measured by means of OCT. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Vergleich mit der Zielrauheit ein Verlauf der Schmelzbadtemperatur entlang der Bearbeitungsbahn (2) ermittelt und für die nachfolgende Überfahrt vorgegeben wird, durch den die Rauheit der Oberfläche der Zielrauheit nach der nachfolgenden Überfahrt möglichst nahe kommt.Method according to one of the Claims 1 to 4th , characterized in that a course of the melt bath temperature along the machining path (2) is determined from the comparison with the target roughness and is specified for the subsequent passage, by means of which the roughness of the surface comes as close as possible to the target roughness after the subsequent passage. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des Verlaufs der Schmelzbadtemperatur, der für die nachfolgende Überfahrt vorgegeben wird, ein vorab für das Bauteilmaterial ermittelter Zusammenhang zwischen der Schmelzbadtemperatur und der damit erzielten Verringerung der Rauheit herangezogen wird.Procedure according to Claim 5 , characterized in that to determine the course of the melt bath temperature, which is specified for the subsequent passage, a relationship between the melt bath temperature and the resulting reduction in roughness is used, which was determined in advance for the component material. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitungsparameter so gewählt werden, dass das mit dem energetischen Strahl (5) jeweils momentan erzeugte Schmelzbad (3) eine Ausdehnung von ≥ 25 mm2 aufweist.Method according to one of the Claims 1 to 6th , characterized in that the processing parameters are selected in such a way that the weld pool (3) currently generated with the energetic beam (5) has an area of ≥ 25 mm 2 . Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein kontinuierlicher, gepulster oder zeitlich modulierter Laserstrahl als energetischer Strahl (5) eingesetzt wird.Method according to one of the Claims 1 to 7th , characterized in that a continuous, pulsed or time-modulated laser beam is used as the energetic beam (5). Vorrichtung zum Glätten einer Oberfläche eines Bauteils, die einen Bearbeitungskopf mit einer optischen Einrichtung, mit der wenigstens ein Laserstrahl (5) auf die Oberfläche des Bauteils (1) gerichtet werden kann, und einer Temperaturmesseinrichtung aufweist, mit der eine Temperatur eines mit dem Laserstrahl (5) auf der Oberfläche des Bauteils (1) erzeugten Schmelzbades (6) messbar ist, wobei der Bearbeitungskopf (6) mit einer Bewegungseinrichtung entlang einer Bearbeitungsbahn (2) über einen zu glättenden Bereich der Oberfläche des Bauteils führbar ist und eine Messeinrichtung zur Messung einer Rauheit der Oberfläche des Bauteils am Bearbeitungskopf (6) angebracht, in den Bearbeitungskopf (6) integriert oder mit dem Bearbeitungskopf (6) starr gekoppelt ist, mit der die Rauheit der Oberfläche in Bearbeitungsrichtung hinter dem Schmelzbad (3) messbar ist.A device for smoothing a surface of a component, which has a machining head with an optical device with which at least one laser beam (5) can be directed onto the surface of the component (1), and a temperature measuring device with which a temperature of one of the laser beams ( 5) on the surface of the component (1) generated melt pool (6) can be measured, wherein the processing head (6) can be guided with a movement device along a processing path (2) over an area of the surface of the component to be smoothed, and a measuring device for measuring a Roughness of the surface of the component is attached to the machining head (6), integrated into the machining head (6) or rigidly coupled to the machining head (6), with which the roughness of the surface can be measured in the machining direction behind the weld pool (3). Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung zur Messung der Rauheit eine OCT-Messeinrichtung ist.Device according to Claim 9 , characterized in that the measuring device for measuring the roughness is an OCT measuring device.
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