DE102019207421B4 - Process for smoothing a surface of a component by processing with energetic radiation - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Glätten einer Oberfläche eines Bauteils, insbesondere eines additiv gefertigten Kunststoffbauteils (1), 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, wobei 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, undwobei 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,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, wobei 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.Method for smoothing a surface of a component, in particular an additively manufactured plastic component (1), by processing with energetic radiation, in which the surface is exposed several times along a processing path (2) in an edge layer by several passes with at least one energetic beam (5) or is remelted, with a melt bath temperature of a melt bath (3) currently being produced by the energetic beam (5) during the run being recorded during each pass and at least one processing parameter influencing the melt bath temperature being controlled during the pass as a function of the recorded melt bath temperature in order to predeterminable profile of the molten bath temperature along the processing path (2), andwhereby a roughness of the respectively melted or remelted surface is measured in a spatially resolved manner during each pass and compared with a target roughness, where the processing is terminated when the target roughness is reached within predeterminable tolerances,characterised that from the comparison with the target roughness, a course of the melt bath temperature along the processing path (2) is determined and specified for the subsequent pass, through which the roughness of the surface comes as close as possible to the target roughness after the subsequent pass, whereby to determine the course of the melt bath temperature , which is specified for the subsequent pass, a previously determined relationship between the melt bath temperature and the reduction in roughness achieved for the component material is used.
Description
Technisches AnwendungsgebietTechnical field of application
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Glätten einer Oberfläche eines Bauteils, insbesondere eines Kunststoffbauteils durch Bearbeitung mit energetischer Strahlung, insbesondere Laserstrahlung, bei dem 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 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 is melted or remelted several times along a processing path by several passes with at least one energetic beam in an edge layer.
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, components made of plastic were mainly produced by means of injection moulding. This process is increasingly being supplemented by additive manufacturing processes, also known as 3D printing. Processes that are frequently used for plastics are the SLS process (SLS: Selective Laser Sintering) and the FDM process (FDM: Fused Deposition Modeling). However, the surface of additively manufactured plastic components has a surface roughness that is too high for many applications. Therefore, post-processing of the surface of the additively manufactured plastic components is usually necessary 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 as well as the influence on the surface. Another known method for smoothing plastic surfaces, which avoids the disadvantages of mechanical or chemical treatment, is smoothing using energetic radiation, in particular laser radiation.
So ist aus der
Die
Die
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren 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 specify a method for smoothing a surface of a component, in particular a plastic component, by processing with energetic radiation, which also provides good smoothing results in the case of free-form surfaces and varying component thicknesses.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen.The object is achieved with the method according to
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. Bei jeder Überfahrt wird 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, 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. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass aus dem Vergleich der gemessenen Rauheit mit der Zielrauheit jeweils ein Verlauf der Schmelzbadtemperatur entlang der Bearbeitungsbahn ermittelt wird, 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. Zur Ermittlung des Verlaufs der Schmelzbadtemperatur, der für die nachfolgende Überfahrt vorgegeben wird, wird ein vorab für das Bauteilmaterial ermittelter Zusammenhang zwischen der Schmelzbadtemperatur und der damit erzielten Verringerung der Rauheit herangezogen.In the proposed method, the surface is repeatedly melted or remelted by several passes with at least one energetic beam, preferably a laser beam, in a surface layer along a processing path, which is guided over the surface along one or more paths with each pass. With each pass, the molten bath temperature of the molten bath currently generated by the energetic beam during the pass is recorded, as well as at least one processing parameter influencing the molten bath temperature regulated as a function of the recorded melt pool temperature during the passage in order to obtain a definable profile of the melt pool temperature along the processing path. The course of the melting bath temperature is not to be understood as a time course but rather as a local course T(x,y). In this case, 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 in a spatially resolved manner during each pass and compared with a target roughness that corresponds to the desired smoothing result. The method is terminated as soon as the measured surface roughness corresponds to the target roughness within predefinable tolerances. 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 require a larger number of passes. The method is characterized by the fact that, by comparing the measured roughness with the target roughness, a profile of the molten bath temperature along the processing path is determined, through which the roughness of the surface comes as close as possible to the target roughness after the next pass with the energetic beam. This determined course of the melt pool temperature is then specified for the next pass. To determine the course of the melt pool temperature, which is specified for the subsequent pass, a previously determined relationship between the melt pool temperature and the reduction in roughness achieved for the component material is used.
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, a process control is proposed in the present invention, which controls both the process and the result during each pass. The control takes place via two controlled variables (temperature and roughness) and thus represents a multi-variable system. The outer control loop consists of the roughness measurement of the surface obtained during the respective pass after solidification of the melt. With the help of a suitable measuring device, the roughness per pass is recorded and evaluated in a spatially resolved manner. The process ends when the target roughness is reached within the specified tolerances. In the inner control loop, the melt bath temperature is used as the control variable to maintain a specified temperature profile along the processing path. For this purpose, a constant temperature profile is preferably specified for the first pass. For all subsequent passes, the temperature profile is then preferably determined by evaluating the surface roughness measured during the previous pass and then specified for the respective pass. Thus, from the second pass, the jump in roughness to be generated by this pass (difference between roughness before and roughness after the pass) is adjusted in a targeted manner. Taking into account the available processing parameters, this jump in roughness is preferably selected in such a way that the target roughness is as close as possible with this jump in roughness without damage to the material or the surface due to excessively high temperatures. The melt bath temperature can be measured using an optical temperature measuring 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 also enables reliable smoothing of free-form surfaces and plastic components with varying component thicknesses. During the first pass, the melt bath temperature along the processing 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 reached , for example by specifying a correspondingly constant temperature value in this area. In this way, the processing parameters for each processing location or each processing area are automatically adjusted by the control, even with varying component thickness, so that there is sufficient melting and no excessive heating occurs. In this way, components with free-form surfaces and different or varying thicknesses can advantageously be processed. A preferably coaxial integration of the measurement components for the temperature measurement in the beam path of the energetic beam ensures that the temperature measurement always takes place at the processing point. In the preferred embodiment, with the second pass, the temperature can then already be predefined in a location-dependent manner via the outer control circuit in such a way that the target roughness is reached as quickly as possible. Of course, this temperature specification is again 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 bei dem vorgeschlagenen Verfahren 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.In order to determine the temperatures to be specified for the next pass or the corresponding temperature profile, in the proposed method a connection between the melt bath temperature and the resulting improvement in surface roughness (roughness jump), i.e. the roughness difference of the surface, is determined in advance for the respective component material determined before processing or crossing and after processing or crossing. This relationship can, for example, be stored in a table (LUT: Look-Up-Table), which the method then accesses during processing to determine the molten pool 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 over the component, a spatially resolved roughness measurement is carried out and a kind of roughness map is thus obtained over the surface to be smoothed. The temperature profile along the processing 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.In the present method, the measurement of the roughness of the respectively melted or remelted surface layer is already carried out during the passage, ie in each case directly behind the molten pool currently produced by the energetic beam after it has solidified. This is preferably made possible by the fact that the measuring device for measuring the roughness is rigidly coupled to the processing head, via which the energetic beam is directed onto the surface and guided over the surface. The measuring device for the roughness can be integrated into this processing head, attached to this processing head or rigidly coupled to this processing head, which is moved relative to the surface along the processing path during processing. For this purpose, an optical measuring device for measuring the roughness is preferably used as the measuring device. Triangulation or white-light interferometry techniques, for example, are suitable for this purpose. A measuring device for optical coherence tomography (OCT) is particularly preferably used for measuring the roughness. This measurement 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 with regard to 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 processing parameters are preferably selected in such a way that the current molten pool has an extent of at least 25 mm 2 in each case. This can be achieved by using an energetic beam with a correspondingly large beam diameter or by suitably fast scanning of a correspondingly large surface area with an energetic beam of a smaller beam diameter. In the latter case, the processing head is moved along the processing path over the smoothing surface, while the energetic beam is additionally guided over a small area at a time by a scanning device in the processing head. In the case of plastic components, the molten pool is understood to be a continuous area in which the plastic is heated to a value above the glass transition temperature T G , at which it has a sufficiently low viscosity for the surface roughness to flow out. A particularly good smoothing result is achieved by ensuring a sufficiently large coherent melt 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, other types of energetic radiation, for example microwave radiation, electron beams or infrared radiation, can also be used instead of laser radiation. When using a laser beam, a continuous, a pulsed or a time-modulated beam source can be used. The laser radiation must have a suitable wavelength in order to be absorbed near the surface of the material to be processed. This is preferably achieved using a CO 2 laser beam source.
Eine für die Durchführung des Verfahrens geeignete 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. Eine Messeinrichtung zur Messung der Rauheit der Oberfläche des Bauteils ist am Bearbeitungskopf angebracht, in den Bearbeitungskopf integriert oder mit dem Bearbeitungskopf starr gekoppelt, 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.A device suitable for carrying out the method 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 processing head can be guided with a movement device along a processing path over an area of the surface of the component that is to be smoothed. A measuring device for measuring the roughness of the surface of the component is attached to the processing head, integrated into the processing head or rigidly coupled to the processing head, with which the roughness of the surface in the processing direction behind the melt pool can be measured. In order to carry out the proposed method, the device is connected to a correspondingly designed open-loop and closed-loop control device.
Das Verfahren lässt 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 hier sehr große Vorteile bietet. Das Verfahren eignet sich beispielsweise zur Glättung von Kunststoffbauteilen aus einem thermoplastischen Kunststoff, beispielsweise eines Kunststoffbauteils aus PA12, PA6, PLA, PP, PC oder PEEK.The method can be used in particular to smooth one or more surface areas of plastic components that have a surface finish 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 according to a different manufacturing process for shaping the component are of course also possible. In many areas, such as medical technology, the surface roughness is of great importance. The additive manufacturing processes specified above do not achieve the required surface properties, so that the proposed process offers great advantages here. The method is suitable, for example, for smoothing plastic components made from a thermoplastic material, for example a plastic component made from PA12, PA6, PLA, PP, PC or PEEK.
Figurenlistecharacter list
Das vorgeschlagene Verfahren wird 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.
-
1 a schematic representation of the smoothing of a surface of a plastic component with the proposed method.
Wege zur Ausführung der ErfindungWays to carry 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
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
Bezugszeichenlistereference list
- 11
- Kunststoffbauteilplastic component
- 22
- Bearbeitungsbahnmachining path
- 33
- Schmelzbadmelt pool
- 44
- Bahn des BearbeitungslaserstrahlsTrajectory of the machining laser beam
- 55
- Bearbeitungslaserstrahlprocessing laser beam
- 66
- Bearbeitungskopfprocessing head
- 77
- optische Strahlung für OCToptical radiation for OCT
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Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4814578A (en) | 1985-06-24 | 1989-03-21 | The United States Of America As Represented By The Department Of Energy | Planarization of metal films for multilevel interconnects |
DE10228743A1 (en) | 2002-06-27 | 2004-01-29 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Process for smoothing and polishing surfaces by working with energetic radiation |
US20050040147A1 (en) | 2002-02-20 | 2005-02-24 | Matthias Hoebel | Method of controlled remelting of or laser metal forming on the surface of an article |
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DE102018105877B3 (en) | 2018-03-14 | 2019-02-28 | Precitec Gmbh & Co. Kg | Device for determining an alignment of an optical device of a coherence tomograph, coherence tomograph and laser processing system |
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Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4814578A (en) | 1985-06-24 | 1989-03-21 | The United States Of America As Represented By The Department Of Energy | Planarization of metal films for multilevel interconnects |
US20050040147A1 (en) | 2002-02-20 | 2005-02-24 | Matthias Hoebel | Method of controlled remelting of or laser metal forming on the surface of an article |
DE10228743A1 (en) | 2002-06-27 | 2004-01-29 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Process for smoothing and polishing surfaces by working with energetic radiation |
DE102017002986A1 (en) | 2016-12-13 | 2018-06-14 | AIXLens GmbH | Method for producing a transmission optical system |
DE102018105877B3 (en) | 2018-03-14 | 2019-02-28 | Precitec Gmbh & Co. Kg | Device for determining an alignment of an optical device of a coherence tomograph, coherence tomograph and laser processing system |
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