DE102022119004A1

DE102022119004A1 - LMD-Verfahren mit optischer Positionskorrektur und Vorrichtung dazu

Info

Publication number: DE102022119004A1
Application number: DE102022119004.8A
Authority: DE
Inventors: Rainer Beccard; Oliver Steffens; Gregor Bultel
Original assignee: Lunovu GmbH
Current assignee: Lunovu GmbH
Priority date: 2022-07-28
Filing date: 2022-07-28
Publication date: 2024-02-08

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken bei dem das Werkstück (1) an einer Bearbeitungsstelle (8) mit einer die Oberfläche (2) des Werkstücks (1) lokal aufheizenden Leistung beaufschlagt wird, wobei die Bearbeitungsstelle (8) als Folge einer Relativbewegung eines die Leistung abgebenden Bearbeitungskopfes (10) gegenüber dem Werkstück (1) auf der Oberfläche (2) in einer Vorschubrichtung (V) entlang einer von einer Steuereinrichtung (5) gesteuerten Bewegungsbahn (4) wandert, wobei mittels einer Sensoranordnung (5) in einem Beobachtungsbereich Istwerte der Geometrie des Werkstücks (1) gemessen werden, die von der Steuereinrichtung (5) zur Positionierung der Bearbeitungsstelle (8) verwendet werden. Um bei der Steuerung der Bewegungsbahn (4) der Bearbeitungsstelle (8) auf Änderungen der Geometrie des Werkstücks reagieren zu können, wird vorgeschlagen, dass der Beobachtungsbereich in der Vorschubrichtung (V) oder in einer Bearbeitungsrichtung (B), in der sich die Bearbeitungsstelle (8) nach mehrmaligem Hin- und Herbewegen auf der Oberfläche (2) bewegt, vor der Bearbeitungsstelle (8) liegt und in der Steuereinrichtung (7) Sollwerte der Geometrie des Werkstücks (1) gespeichert sind, wobei die Steuereinrichtung (7) durch In-Beziehung-Setzen der im Beobachtungsbereich gewonnenen Istwerte mit den dazu örtlich korrespondierenden Sollwerten Korrekturwerte ermittelt und diese Korrekturwerte zur Berechnung der Position der Bearbeitungsstelle (8) beim Erreichen des Beobachtungsbereichs verwendet.

Description

Gebiet der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken bei dem das Werkstück an einer Bearbeitungsstelle mit einer die Oberfläche des Werkstücks lokal aufheizenden Leistung beaufschlagt wird, wobei die Bearbeitungsstelle als Folge einer Relativbewegung einer Quelle der Leistung gegenüber dem Werkstück auf der Oberfläche in einer Vorschubrichtung entlang einer von einer Steuereinrichtung gesteuerten Bewegungsbahn wandert, wobei mittels einer Sensoranordnung in einem Beobachtungsbereich Istwerte der Geometrie des Werkstücks gemessen werden, wobei die von der Steuereinrichtung zur Positionierung der Bearbeitungsstelle verwendet werden.
Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einem Werkstückträger zum Tragen des Werkstücks, einem Bearbeitungskopf zum Erzeugen einer das Werkstück an einer Bearbeitungsstelle der Oberfläche aufheizenden Leistung, einer Steuereinrichtung zur Steuerung der Bewegungsbahn der Bearbeitungsstelle und einer Sensoranordnung zur Messung von Istwerten der Geometrie des Werkstücks.
Stand der Technik
Die DE 198 52 302 A1 beschreibt ein Laser-Schweiß-Verfahren, mit dem an einer sich entlang einer Bewegungsbahn über die Oberfläche des Werkstücks bewegenden Bearbeitungsstelle eine Schweißnaht erzeugt wird. Mittels einer optischen Sensoranordnung wird das Werkstück an der Schweißnaht beobachtet. Hierzu erzeugt ein Messlaser eine die Bearbeitungsstelle umgebende Lichtlinie, die von einem optischen Sensor der Sensoranordnung beobachtet werden kann. Damit wird die Nahtgeometrie vermessen. Die Vermessung kann zur Regelung variabler Prozessgrößen eingesetzt werden. Dazu gehört auch die Positionierung von Werkstücken.
Die DE 10 2020 215 360 A1 beschreibt ein LMD-Verfahren, bei dem mit einem optischen Sensor das Schmelzbad einer auf der Oberfläche eines Werkstücks erzeugten Metallschmelze beobachtet wird.
Aus der CN 112853348 A ist ein LMD-Verfahren bekannt, bei dem ein Abstandssensor verwendet wird.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sollen Werkstücke dadurch bearbeitet werden, dass das Werkstück an einer Bearbeitungsstelle durch eine lokale Beaufschlagung mit Leistung aufgeheizt wird. Ein derartiges Verfahren ist insbesondere die Laser-Metal-Deposition (LMD, welches auch unter den Bezeichnungen Direct Metal Deposition, Direct Energy Deposition oder Laser Cladding bezeichnet wird). Die Erfindung betrifft aber auch andere Verfahren, beispielsweise Schweißverfahren, bei denen punktuell eine Aufheizung der Oberfläche des Werkstücks stattfindet. Die Erfindung betrifft insbesondere solche Verfahren, bei denen ein 3-D-Aufbau der Metalloberfläche stattfindet (LMD, Laser-Metal-Fusion, Laser-Cusing, Elektronenstrahlschmelzen oder Lasermetall-Sintern). Mit diesen Verfahren wird auf Substrate oder bereits bestehende dreidimensionale Strukturen von Werkstücken Material aufgetragen, sodass neue Strukturen entstehen oder die bereits bestehenden Strukturen vergrößert werden. Dies kann mit vergleichsweise hohen Aufbauraten erfolgen. Beim LMD-Verfahren wird ein Metallpulver mit einem Gasstrom zu einer Bearbeitungsstelle auf der Oberfläche des Werkstücks transportiert. Hierzu besitzt ein Bearbeitungskopf eine geeignete Düse, die einen Metall/ Gasstrom zu einer im Wesentlichen punktförmigen Bearbeitungsstelle transportiert. An diesem fokussierten Bearbeitungspunkt wird das Pulver mit lokal wirkender Wärmezufuhr, beispielsweise mittels eines Lasers, aufgeschmolzen. Wird die Düse relativ zum Werkstück bewegt, so wandert das Schmelzbad mit dem aufgeschmolzenen Metallpulver über die Oberfläche. Die Metallschmelze erstarrt außerhalb des Laserfokus. Auf diese Weise werden Spuren oder Schweißbahnen aus Metall auf der Oberfläche des Werkstücks aufgebracht. Durch geeignete Bewegungen des Werkstücks relativ zur Düse können nahezu beliebige dreidimensionale Strukturen aus einzelnen Spuren, die nebeneinanderliegen können, erzeugt werden. Die Bewegung der Bearbeitungsstelle, an der Pulver zugeführt und geschmolzen wird, wird üblicherweise numerisch durch ein CNC- oder Roboterprogramm gesteuert. Die Steuereinrichtung verwendet dabei Daten, die der Sollform des Werkstücks entsprechen oder mit dieser in einer Beziehung stehen. Bei der Bearbeitung wird die Bearbeitungsstelle in einer Vorschubrichtung verlagert und erzeugt dabei einen Materialstreifen. Beim großflächigen Materialauftrag werden mehrere derartige Streifen nebeneinander oder übereinander aufgebracht. Die Streifen können sich dabei berühren. Dies erfolgt durch eine Hin- und Herbewegung der Bearbeitungsstelle und eine schrittweise Verlagerung der Bearbeitungsstelle in einer Bearbeitungsrichtung, sodass die nacheinander jeweils in einer Vorschubrichtung aufgebrachten Zeilen zu einer in einer Bearbeitungsrichtung anwachsenden Fläche führen. Die Bearbeitungsrichtung kann beispielsweise senkrecht zur Vorschubrichtung verlaufen.
Die Steuereinrichtung enthält geometrische Daten, die einen Sollzustand des Werkstücks wiedergeben, das zumindest eine Fläche aufweist, die flächig beschichtet werden kann. Hierzu können mehrere linienförmige Materialstreifen nebeneinander aufgebracht werden. Die Beschichtung kann in einer periodischen Bewegung, beispielsweise hin und her pendelnd oder in Mäandern erzeugt werden, wobei einzelne Schweißbahnen unmittelbar nebeneinander abgelegt werden. In vielen Fällen ist allerdings die genaue geometrische Form des Werkstücks zum Zeitpunkt der Bearbeitung nicht bekannt, weil sich die geometrische Form aufgrund einer beispielsweise thermischen Vorbehandlung durch Verzüge geändert hat oder weil sich die geometrische Form durch die Bearbeitung mittels LMD geändert hat. Probleme entstehen insbesondere dann, wenn die Werkstücke bei ihrer Herstellung nicht maßhaltig gefertigt werden. Wenn derartige Abweichungen von der Soll-Geometrie vor der LMD-Behandlung nicht korrigiert werden, kann die nachfolgende Behandlung zu fehlerhaften Ergebnissen führen. Die Ist-Form des Werkstücks kann in allen drei Raumrichtungen von der Sollform abweichen. Die Steuerung der Bewegungsbahn der Bearbeitungsstelle erfolgt jedoch beim Stand der Technik auf der Basis der Sollform. Soll eine Schweißbahn genau entlang einer Kante eines Bauteils oder in einem festgelegten Abstand zu einer Kante des Bauteils oder eines anderen Strukturelementes des Bauteils aufgebracht werden, so führt dies zu Fehlern, wenn die genaue Lage der Kante bzw. des Strukturelementes nicht bekannt ist.
Zusammenfassung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Maßnahmen anzugeben, mit denen den zuvor beschriebenen Nachteilen des Standes der Technik entgegengewirkt werden kann. Mit der Erfindung soll insbesondere erreicht werden, dass der Materialauftrag genau in den gewünschten Bereichen stattfindet.
Gelöst wird die Aufgabe durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung, wobei die Unteransprüche nicht nur vorteilhafte Weiterbildungen der in den nebengeordneten Ansprüchen angegebenen Erfindung darstellen, sondern grundsätzlich auch eigenständige Lösungen der Aufgabe sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren erfordert einen Sensor, der geeignet ist, in zwei oder drei Dimensionen die tatsächliche Geometrie des Bauteils zu erfassen. Dieser Sensor kann beispielsweise ein optischer, mechanischer oder bildgebender Sensor sein, und er kann beispielsweise so angeordnet sein, dass er sich zusammen mit einem Bearbeitungskopf bewegt, mit dem das Material auf dem Werkstück aufgebracht wird. Es ist aber auch vorgesehen, dass sich der Sensor an einem gesonderten beweglichen Element befindet, das sich mit dem Bearbeitungskopf mitbewegt oder das in der Lage ist, einen Beobachtungsbereich über die Oberfläche des Werkstücks wandern zu lassen. Erfindungsgemäß wandert die Bearbeitungsstelle in einer Bewegungsrichtung entlang einer von der Steuereinrichtung gesteuerten Bewegungsbahn über die Werkstückoberfläche. Betrifft die Bearbeitung nur das Auftragen einer einzelnen Schweißbahn, so ist die Bewegungsbahn die Vorschubrichtung. Wird hingegen eine flächige Struktur aufgetragen, bei der sich die Bearbeitungsstelle zeilenweise in eine Bearbeitungsrichtung fortbewegt, so ist die Bewegungsrichtung die Richtung, in der die Anzahl der Zeilen anwächst. Sie kann aber hier auch die Vorschubrichtung sein. Der Beobachtungsbereich kann eine punktförmige oder eine linienförmige Fläche sein. Der Beobachtungsbereich kann aber auch eine größere Fläche sein. Es ist insbesondere vorgesehen, dass der Beobachtungsbereich ein oder mehrere Beobachtungsstellen aufweist. Die Steuereinrichtung kann in einer ähnlichen Weise auch die Sensoranordnung derart bewegen, dass sich der Beobachtungsbereich über die Werkstückoberfläche bewegt. Damit soll der Bearbeitungsbereich vorlaufend erfasst werden. Der Bearbeitungsbereich soll erfindungsgemäß in der Bewegungsrichtung vor der Bearbeitungsstelle liegen, sodass dort die Geometrie des Werkstücks erfasst werden kann. Es werden geometrische Istwerte gewonnen, die mit den in der Steuereinrichtung gespeicherten Sollwerten der Geometrie in eine Beziehung gesetzt werden, sodass für eine Bearbeitungsstelle, die erst zu einem späteren Zeitpunkt erreicht wird, Korrekturwerte ermittelt werden. Diese Korrekturwerte werden zur Berechnung der Position der Bearbeitungsstelle verwendet, wenn diese den aktuellen Beobachtungsbereich erreicht. Die Steuereinrichtung ist derart programmiert, dass sie permanent die geometrische Istform in einem Bereich, der räumlich vor der Bearbeitungsstelle liegt, ermittelt. Es ist insbesondere vorgesehen, dass dem hierzu verwendeten optischen Sensor auch ein Strukturelement, beispielsweise eine Kante des Werkstücks, erfasst wird, die außerhalb der aktuellen Bewegungsbahn der Bearbeitungsstelle liegt. Wird beispielsweise eine Schweißbahn mit einem Abstand parallel zu einer Kante gelegt, so kann diese Kante vom Sensor erfasst werden, um daraus die Istform des Werkstücks zu berechnen. Dasselbe gilt, wenn sich die Bearbeitungsstelle auf eine Kante zu bewegt. Dann wird dieses entfernt von der Bearbeitungsstelle liegende Strukturelement vom Sensor miterfasst, um die Istform des Werkstücks zu bestimmen. Eine Kante oder dergleichen des Strukturelementes kann eine Beobachtungsstelle sein.
Anders als bei einer Vorrichtung, wie sie in der DE 19852302 A1 beschrieben wird, bei der mit einer optischen Sensoranordnung nur der Bereich der Schweißnaht beobachtet wird, soll die Beobachtungsstelle in der Bewegungsrichtung der Bearbeitungsbereich vor der Bearbeitungsstelle liegen. Dort werden Istwerte der Geometrie des Werkstücks ermittelt. Die dort ermittelten Istwerte werden mit Sollwerten in Beziehung gebracht, die in der Steuereinrichtung beispielsweise als CNC- oder Roboter-Steuerdaten abgespeichert sind. Dabei werden Abweichungen der Sollform von der Istform berechnet. Aus diesen Abweichungen können Korrekturwerte gewonnen werden, mit denen die Bewegungsbahn der Bearbeitungsstelle derart korrigiert wird, dass die Bearbeitungsstelle an oder in Nähe der vormaligen Beobachtungsstelle die richtige Position einnimmt. Es kann vorgesehen sein, dass sich der Bearbeitungsbereich über ein außerhalb der aktuellen Bewegungsbahn angeordnetes Strukturelement, beispielsweise einer Kante des Werkstücks erstreckt. Eine ermittelte Istposition kann mit einer Sollposition des Strukturelementes in Beziehung gesetzt werden, um den Korrekturwert zu ermitteln. Der Sensor kann ein taktiler Sensor sein, der bestimmte Geometriemerkmale des Werkstücks erfasst. Die Sensoranordnung kann einen Bildsensor aufweisen, der eine Sensorfläche aufweist, auf den ein Abbild des Werkstücks projiziert wird. Die Sensoranordnung kann aber auch einen Messlaser aufweisen, der einen aufgefächerten Laserstrahl erzeugen kann. Dieser aufgefächerte Laserstrahl kann auf der Oberfläche des Werkstücks eine Lichtlinie erzeugen. Die derart auf die Oberfläche des Werkstücks projizierte Lichtlinie kann von einem optischen Sensor aufgenommen werden. Hierzu kann ein bilderkennendes Verfahren verwendet werden. Der optische Sensor kann dann mit einer Linse eines abbildenden Systems zusammenwirken. Die Lichtlinie bildet dann einen linienförmigen Beobachtungsbereich. Schneidet die Linie Kanten oder dergleichen, so können diese Schnittpunkte Beobachtungsstellen sein. Es können mehrere Sensoren vorgesehen sein oder es kann ein einziger Sensor vorgesehen sein, mit dem der dreidimensionale, also räumliche, Verlauf der Lichtlinie ermittelt werden kann. Die Lichtlinie kann dabei die Bewegungsbahn kreuzen. Sie kann aber auch parallel zur Bewegungsbahn verlaufen. In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Sensoranordnung, die einen Laser und zumindest einen optischen Sensor beinhalten kann, fest mit einer Quelle der Hochenergiestrahlung verbunden ist. Beispielsweise kann die Hochenergiestrahlung aus einem Bearbeitungskopf heraustreten, der mit einem Abstand über die Werkstückoberfläche wandert. Die Sensoranordnung kann fest mit diesem Bearbeitungskopf verbunden sein. In einer Variante der Erfindung kann aber auch vorgesehen sein, dass die Sensoranordnung an einem gesonderten Sensorträger angeordnet ist, der unabhängig vom Bearbeitungskopf verlagert werden kann. Der Sensorträger kann in mehreren Raumrichtungen verlagerbar sein. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass der Sensorträger lediglich um eine Raumachse verschwenkt werden kann, um dadurch eine Lichtlinie über die Oberfläche des Werkstücks wandern zu lassen. Das Verfahren wird besonders bevorzugt bei der Materialabscheidung auf metallischen Werkstücken verwendet, bei dem ein Metallpulver der Oberfläche zugeführt wird, welches an einer Bearbeitungsstelle mittels Laserbestrahlung geschmolzen wird, sodass sich eine Metallrippe ausbildet. Der Bearbeitungsbereich kann einerseits bei gleichbleibender Beabstandung zur Bearbeitungsstelle mit der Bearbeitungsstelle über die Werkstückoberfläche wandern.
Andererseits kann sich aber auch die Bearbeitungsstelle relativ zum Beobachtungsbereich verlagern. Der Abstand zwischen Bearbeitungsstelle und dem Beobachtungsbereich kann somit bei fortschreitender Bearbeitung des Werkstücks größer werden oder kleiner werden. In beiden Fällen findet eine Beobachtung eines von der Bearbeitungsstelle entfernten Strukturelementes statt.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens besitzt insbesondere einen Werkstückträger, der das Werkstück trägt. Das Werkstück kann in geeigneter Weise am Werkstückträger fixiert werden. Die Vorrichtung besitzt darüber hinaus einen Bearbeitungskopf, der eine Austrittsöffnung insbesondere eine Düse, zum Erzeugen eines Metallpulver-Gas-Strahls zur Oberfläche des Werkstücks aufweisen kann. Der Bearbeitungskopf kann ferner eine Austrittsoptik aufweisen, durch die ein hoch energetischer Laserstrahl austreten kann, der an einer Bearbeitungsstelle auf der Werkstückoberfläche das mit der Düse dorthin transportierte Metallpulver aufschmelzen kann. Die Vorrichtung besitzt darüber hinaus eine Steuereinrichtung, mit der der Bearbeitungskopf relativ gegenüber dem Werkstückträger verlagerbar ist, sodass sich die Bearbeitungsstelle über die Werkstückoberfläche entlang vorbestimmter Bewegungsbahnen steuern lässt. Es ist ferner eine Sensoranordnung vorgesehen, mit der sich Istwerte der Geometrie des Werkstücks an zumindest einer Beobachtungsstelle ermitteln lassen. Die Sensoranordnung ist dabei so angeordnet und wird von der Steuereinrichtung so betrieben, dass der Beobachtungsbereich beziehungsweise eine Beobachtungsstelle in einer Bewegungsrichtung der Bearbeitungsstelle vor der Bearbeitungsstelle liegt, sodass die tatsächliche Geometrie des Werkstücks zu einem Zeitpunkt ermittelt werden kann, der kurz vor der Bearbeitung ist. Dieser kleine Zeitversatz wird von der Steuereinrichtung verwendet, um die Position der Bearbeitungsstelle durch Beeinflussung der Relativbewegung von Werkzeugträger und Bearbeitungskopf zu beeinflussen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand beigefügter Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

1 in einer perspektivischen Darstellung ein erstes Ausführungsbeispiel, bei dem eine Sensoranordnung 5 an einem Bearbeitungskopf befestigt ist,
2 in einer perspektivischen Darstellung ein zweites Ausführungsbeispiel, bei dem die Sensoranordnung 5 an einem Sensorträger 18 befestigt ist, der unabhängig vom Bearbeitungskopf 10 verlagert werden kann und
3 schematisch in einer Ansicht die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Beschreibung der Ausführungsformen
Die 1 zeigt ein auf einem dort nicht, aber in der 3, dargestellten Werkstückträger 11 befestigtes Werkstück 1, das eine Werkstückoberfläche 2 aufweist, auf der dicht nebeneinander liegende Schweißrippen 16 aufgebracht werden, mit denen die Oberfläche 2 aufgebaut wird. Das Werkstück 1 besitzt ein Strukturelement 6, das eine Kante 6' ausbildet. Das Werkstück 1 kann weitere Strukturelemente, beispielsweise eine Kante 1', aufweisen. Beim Ausführungsbeispiel erstrecken sich die Schweißrippen 16 parallel zur Kante 6' beziehungsweise quer zur Kante 1'.
Ein Bearbeitungskopf 10 ist in einem räumlichen Abstand zum Werkstück 1 beziehungsweise des dort nicht dargestellten Werkzeugträgers 11 angeordnet. Der Bearbeitungskopf 10 kann sich in einer Vorschubrichtung V, die der Erstreckungsrichtung der Schweißrippen 16 entspricht, verlagern. Hierzu wird ein nicht dargestelltes Antriebsaggregat für den Bearbeitungskopf 10 von einer Steuereinrichtung 7 mit Steuersignalen versorgt.
Der Bearbeitungskopf 10 weist eine in der 3 dargestellte Düse 14 auf, aus der ein Partikelstrahl 13 austritt. Ein Metallpulver wird mit einem Transportgas durch die Düse 14 fokussiert zur Oberfläche 2 des Werkstücks transportiert, wo der Partikelstrahl 13 die Oberfläche 2 an einer Bearbeitungsstelle 8 trifft.
Der Bearbeitungskopf 10 weist darüber hinaus eine Austrittsoptik für einen Laser 3 auf, mit der ein hoch energetischer Laserstrahl auf die Bearbeitungsstelle 8 fokussiert werden kann, sodass mit der Leistung des Laserstrahls das Metallpulver an der Bearbeitungsstelle 8 aufgeschmolzen wird und sich beim Wandern der Bearbeitungsstelle 8 in der Vorschubrichtung V eine Schweißrippe 16 ausbildet. Die Bearbeitungsstelle 8 wandert zeilenweise hin und her, um dabei eine flächige Metallstruktur auf die Oberfläche 2 des Werkstücks 1 aufzubringen. Die Fläche wächst dabei in eine Bearbeitungsrichtung B, die quer zu der hin und her wechselnden Vorschubrichtung V verläuft.
Es ist eine Sensoranordnung 5 vorgesehen, die bei dem in der 3 dargestellten Ausführungsbeispiel fest mit dem Bearbeitungskopf 10 verbunden ist. Der Bearbeitungskopf 10 trägt die Sensoranordnung 5. Mit der Sensoranordnung 5 kann die Istform des Werkstücks 1 beziehungsweise eines Verlaufs der Oberfläche 2 des Werkstücks 1 in einem Abstand A vor der Bearbeitungsstelle 8 ermittelt werden. Hierzu wird ein Messlaser 19 verwendet, der die Oberfläche 2 beleuchtet. Beim Ausführungsbeispiel wird der Laserstrahl des Messlasers 19 aufgefächert, sodass sich eine Lichtlinie 17 ergibt, auf der sich der Beobachtungsbereich befindet. Der Beobachtungsbereich ist in diesem Falle eine Linie, die auch eine Beobachtungsstelle 9 enthält. Die Lichtlinie 17 kreuzt dabei die Kante 6'. Bei dem in der 1 dargestellten Ausführungsbeispiel kreuzt die Lichtlinie 17 die Bewegungsbahn 4 der Bearbeitungsstelle 8. Eine Beobachtungsstelle 9 des linienförmigen Beobachtungsbereichs liegt auf der Kante 6'. Dieser und alle weiteren Beobachtungsstellen 9 des Beobachtungsbereichs liegen um einen Abstand A vor der Bearbeitungsstelle 8. Der Beobachtungsbereich könnte aber auch an der parallel zur Kante 6' verlaufenden Kante 2' der Oberfläche 2 liegen.
Mit einem optischen Sensor 20 der Sensoranordnung 5 kann die Istposition der Beobachtungsstelle 9, also dem Schnittpunkt der Lichtlinie 17 mit der Kante 6' oder der Beobachtungsstelle 9', also dem Schnittpunkt der Lichtlinie 17 mit der Kante 2' ermittelt werden. Diese Positionen entsprechen Istwerten der Geometrie des Werkstücks 1. Mit der Steuereinrichtung 7 können diese Istwerte in eine Beziehung gesetzt werden mit Sollwerten, die beispielsweise als CNC-Daten in der Steuereinrichtung 7 gespeichert sind. Weichen die Istwerte von den Sollwerten ab, so können Korrekturwerte berechnet werden, mit denen die Bewegungsbahn 4 der Bearbeitungsstelle 8 korrigiert werden können. Bei diesem Ausführungsbeispiel wandern die Lichtlinie 17 und ein oder mehrere auf der Lichtlinie 17 liegende Beobachtungsstellen mit einem gleichbleibenden Abstand A zur Bearbeitungsstelle 8 über die Werkstückoberfläche.
Bei dem in der 2 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel wird eine Sensoranordnung 5 verwendet, die nicht fest mit dem Bearbeitungskopf 10 verbunden ist, sondern die an einem gesonderten Sensorträger 18 angeordnet ist. Der Sensorträger 18 kann unabhängig vom Bearbeitungskopf 10 in den drei Raumrichtungen verlagert werden. Er kann auch in einer oder mehreren Raumrichtungen unbeweglich bleiben oder gemeinsam mit dem Bearbeitungskopf 10 bewegt werden. Auch der Bearbeitungskopf 10 kann in den drei Raumrichtungen verlagert werden. Es ist aber auch vorgesehen, dass der Sensorträger 18 geschwenkt werden kann, wobei auch hier eine x-beliebige Schwenkachse vorgesehen sein kann.
Das in der 2 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich vom ersten Ausführungsbeispiel darüber hinaus dadurch, dass dort die Lichtlinie 17 die auch hier von einem aufgefächerten Laserstrahl 15 erzeugt wird, nicht quer zur Vorschubrichtung V, sondern parallel zur Vorschubrichtung V verläuft. Die Lichtlinie kreuzt dabei eine ein Strukturelement bildende Kante 1' der Oberfläche 2. Der Schnittpunkt der Lichtlinie 17 mit der Kante 1' bildet eine Beobachtungsstelle 9. Die Lichtlinie 17 besitzt einen Abstand A an der Bearbeitungsstelle 8. Die Lichtlinie 17 ist in der Bearbeitungsrichtung B von der Bearbeitungsstelle 8 beabstandet. Der Schnittpunkt der Lichtlinie 17 mit der Kante 1' liefert eine Istposition des Strukturelementes des Werkstücks 1. Diese Istposition kann mit einer Sollposition verglichen werden, um daraus einen Korrekturwert für die Bewegungsbahn 4 zu berechnen, wenn die Bearbeitungsstelle 8 die Beobachtungsstelle 9 erreicht. Ein gedachter Abstandsvektor von der Bearbeitungsstelle 8 zur Beobachtungsstelle 9 beziehungsweise 9' besitzt eine Richtungskomponente in der Bearbeitungsrichtung B. Bei beiden Ausführungsbeispielen werden mit Hilfe von Messungen, die an Beobachtungsstellen 9, 9', 1' vorgenommen werden, Istpositionen am zu bearbeitenden Werkstück 1 erreicht, die erst später bearbeitet werden. Die Istposition an einer späteren Bearbeitungsstelle 8 wird somit zeitlich vor der dortigen Bearbeitung ermittelt.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung lässt sich insbesondere eine Hartstoffbeschichtung, beispielsweise eine WC-Beschichtung auf einem Werkstück aufbringen. Die Beschichtung kann vollflächig oder nur an ausgewählten Teilflächen aufgebracht werden. Mit dem Verfahren beziehungsweise der Vorrichtung können vorgefertigte Werkstücke, beispielsweise Förderschnecken, mit einer Hartstoffbeschichtung beschichtet werden. Die Beschichtung wird dabei auf die Flanken der Schneckengänge aufgetragen. Es ist aber auch möglich, mit dem Verfahren beziehungsweise der Vorrichtung beim Gebrauch verschlissene Schichten zu reparieren beziehungsweise neu aufzutragen.
Es kann somit vorgesehen sein, dass der Beobachtungsbereich, beispielsweise die Lichtlinie 17, die von einem Sensor beobachtet wird, mit der Bearbeitungsstelle 8 mitwandert, sodass der Beobachtungsbereich permanent der Bearbeitungsstelle 8 vorauseilt.
Die vorstehenden Ausführungen dienen der Erläuterung der von der Anmeldung insgesamt erfassten Erfindungen, die den Stand der Technik zumindest durch die folgenden Merkmalskombinationen jeweils auch eigenständig weiterbilden, wobei zwei, mehrere oder alle dieser Merkmalskombinationen auch kombiniert sein können, nämlich:
Ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass der Beobachtungsbereich in der Vorschubrichtung V oder in einer Bearbeitungsrichtung B, in der sich die Bearbeitungsstelle 8 nach mehrmaligem Hin- und Herbewegen auf der Oberfläche 2 bewegt, vor der Bearbeitungsstelle 8 liegt und in der Steuereinrichtung 7 Sollwerte der Geometrie des Werkstücks 1 gespeichert sind, wobei die Steuereinrichtung 7 durch In-Beziehung-Setzen der im Beobachtungsbereich gewonnenen Istwerte mit den dazu örtlich korrespondierenden Sollwerten Korrekturwerte ermittelt und diese Korrekturwerte zur Berechnung der Position der Bearbeitungsstelle 8 beim Erreichen des Beobachtungsbereichs verwendet.
Ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass der Beobachtungsbereich Beobachtungsstellen 9, 9' aufweist, die räumlich einem Strukturelement 6, 1' des Werkstücks 1 zugeordnet sind und ein Sollwert der Position des Strukturelementes 6, 1' mit einem mittels der Sensoranordnung 5 gemessenen Istwert der Position des Strukturelementes 6, 1' in eine Beziehung gesetzt wird, um einen Korrekturwert zu ermitteln.
Ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Sensoranordnung 5 mittels eines aufgefächerten Laserstrahls 15 in der Vorschubrichtung V oder in der Bearbeitungsrichtung B vor der Bearbeitungsstelle 8 eine Lichtlinie 17 auf die Oberfläche 2 des Werkstücks 1 projiziert und einen optischen Sensor aufweist, mit dem die Lage der Lichtlinie 17 und deren räumlicher Verlauf ermittelt wird.
Ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Sensoranordnung 5 oder ein Laser 19 oder optischer Sensor 20 der Sensoranordnung 5 fest mit dem Bearbeitungskopf 10 verbunden ist, oder dass die Sensoranordnung 5 oder ein Laser 19 oder optischer Sensor 20 der Sensoranordnung 5 an einem Sensorträger 18 angeordnet ist, der unabhängig des Bearbeitungskopfes 10 verlagert wird.
Ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Leistung eine Hochenergiestrahlung und insbesondere eine Laserstrahlung ist, wobei gleichzeitig mit der Leistungszufuhr auf der Oberfläche 2 aufzuschmelzendes Material 13 zugeführt wird.
Eine Vorrichtung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Sensoranordnung 5 so angeordnet ist, dass der Beobachtungsbereich in einer Vorschubrichtung V vor der Bearbeitungsstelle 8 oder in eine Bearbeitungsrichtung B, in der sich die Bearbeitungsstelle 9 nach mehrmaligem Hin- und Herbewegen auf der Oberfläche 2 liegt, und die Steuereinrichtung 7 zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche programmiert ist.
Eine Vorrichtung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Sensoranordnung 5 einen Laser aufweist, der einen aufgefächerten Laserstrahl liefert, der auf der Oberfläche 2 des Werkstücks 1 eine Lichtlinie 17 projiziert, die insbesondere die Bewegungsbahn V kreuzt, und einen optischen Sensor aufweist, mit dem die Lage der Lichtlinie 17 und deren räumlicher Verlauf auf der Oberfläche 2 ermittelbar ist.
Eine Vorrichtung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Sensoranordnung 5 oder ein Laser 19 oder optischer Sensor 20 der Sensoranordnung 5 fest mit dem Bearbeitungskopf 10 verbunden ist, oder dass die Sensoranordnung 5 oder ein Laser 19 oder optischer Sensor 20 der Sensoranordnung 5 an einem Sensorträger 18 angeordnet ist, der unabhängig vom Bearbeitungskopf verlagerbar ist.
Eine Vorrichtung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass der Bearbeitungskopf 10 eine Hochenergiestrahlung und insbesondere eine Laserstrahlung erzeugt und eine Düse 14 aufweist, mit der auf der Oberfläche 2 aufzuschmelzendes Material 13 zur Bearbeitungsstelle 8 transportierbar ist.
Alle offenbarten Merkmale sind (für sich, aber auch in Kombination untereinander) erfindungswesentlich. In die Offenbarung der Anmeldung wird hiermit auch der Offenbarungsinhalt der zugehörigen/beigefügten Prioritätsunterlagen (Abschrift der Voranmeldung) vollinhaltlich mit einbezogen, auch zu dem Zweck, Merkmale dieser Unterlagen in Ansprüche vorliegender Anmeldung mit aufzunehmen. Die Unteransprüche charakterisieren, auch ohne die Merkmale eines in Bezug genommenen Anspruchs, mit ihren Merkmalen eigenständige erfinderische Weiterbildungen des Standes der Technik, insbesondere um auf Basis dieser Ansprüche Teilanmeldungen vorzunehmen. Die in jedem Anspruch angegebene Erfindung kann zusätzlich ein oder mehrere der in der vorstehenden Beschreibung, insbesondere mit Bezugsziffern versehene und/oder in der Bezugsziffernliste angegebene Merkmale aufweisen. Die Erfindung betrifft auch Gestaltungsformen, bei denen einzelne der in der vorstehenden Beschreibung genannten Merkmale nicht verwirklicht sind, insbesondere soweit sie erkennbar für den jeweiligen Verwendungszweck entbehrlich sind oder durch andere technisch gleichwirkende Mittel ersetzt werden können.
Liste der Bezugszeichen

1: Werkstück
1': Kante, Beobachtungsstelle, Strukturelement
2: Oberfläche
2': Kante
3: Laser
4: Bewegungsbahn
5: Sensoranordnung
6: Strukturelement
6': Kante
7: Steuereinrichtung
8: Bearbeitungsstelle
9: Beobachtungsstelle
9': Beobachtungsstelle
10: Bearbeitungskopf
11: Werkstückträger
12: Laserstrahl
13: Partikelstrahl
14: Düse
15: aufgefächerter Laserstrahl
16: Schweißrippe
17: Lichtlinie
18: Sensorträger
19: Messlaser
20: optischer Sensor
21: Messfeld
A: Abstand
B: Bearbeitungsrichtung
V: Bewegungsrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19852302 A1 [0003, 0011]
DE 102020215360 A1 [0004]
CN 112853348 A [0005]

Claims

Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken (1), bei dem das Werkstück (1) an einer Bearbeitungsstelle (8) mit einer die Oberfläche (2) des Werkstücks (1) lokal aufheizenden Leistung beaufschlagt wird, wobei die Bearbeitungsstelle (8) als Folge einer Relativbewegung eines die Leistung abgebenden Bearbeitungskopfes (10) gegenüber dem Werkstück (1) auf der Oberfläche (2) in einer Vorschubrichtung (V) entlang einer von einer Steuereinrichtung (5) gesteuerten Bewegungsbahn (4) wandert, wobei mittels einer Sensoranordnung (5) in einem Beobachtungsbereich Istwerte der Geometrie des Werkstücks (1) gemessen werden, die von der Steuereinrichtung (5) zur Positionierung der Bearbeitungsstelle (8) verwendet werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Beobachtungsbereich in der Vorschubrichtung (V) oder in einer Bearbeitungsrichtung (B), in der sich die Bearbeitungsstelle (8) nach mehrmaligem Hin- und Herbewegen auf der Oberfläche (2) bewegt, vor der Bearbeitungsstelle (8) liegt und in der Steuereinrichtung (7) Sollwerte der Geometrie des Werkstücks (1) gespeichert sind, wobei die Steuereinrichtung (7) durch In-Beziehung-Setzen der im Beobachtungsbereich gewonnenen Istwerte mit den dazu örtlich korrespondierenden Sollwerten Korrekturwerte ermittelt und diese Korrekturwerte zur Berechnung der Position der Bearbeitungsstelle (8) beim Erreichen des Beobachtungsbereichs verwendet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Beobachtungsbereich Beobachtungsstellen (9, 9') aufweist, die räumlich einem Strukturelement (6, 1') des Werkstücks (1) zugeordnet sind und ein Sollwert der Position des Strukturelementes (6, 1') mit einem mittels der Sensoranordnung (5) gemessenen Istwert der Position des Strukturelementes (6, 1') in eine Beziehung gesetzt wird, um einen Korrekturwert zu ermitteln.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (5) mittels eines aufgefächerten Laserstrahls (15) in der Vorschubrichtung (V) oder in der Bearbeitungsrichtung (B) vor der Bearbeitungsstelle (8) eine Lichtlinie (17) auf die Oberfläche (2) des Werkstücks (1) projiziert und einen optischen Sensor aufweist, mit dem die Lage der Lichtlinie (17) und deren räumlicher Verlauf ermittelt wird oder dass die Sensoranordnung (5) einen mechanischen, insbesondere taktilen Sensor aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (5) oder ein Laser (19), ein optischer Sensor (20) der Sensoranordnung (5) oder ein mechanischer Sensor der Sensoranordnung (5) fest mit dem Bearbeitungskopf (10) verbunden ist, oder dass die Sensoranordnung (5) oder ein Laser (19), ein optischer Sensor (20) der Sensoranordnung (5) oder ein mechanischer Sensor der Sensoranordnung (5) an einem Sensorträger (18) angeordnet ist, der unabhängig des Bearbeitungskopfes (10) verlagert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung eine Hochenergiestrahlung und insbesondere eine Laserstrahlung ist, wobei gleichzeitig mit der Leistungszufuhr auf der Oberfläche (2) aufzuschmelzendes Material (13) zugeführt wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum Bearbeiten von Werkstücken (1), bei dem das Werkstück (1) an einer Bearbeitungsstellung (8) mit einer die Oberfläche (2) des Werkstücks (1) lokal aufheizenden Leistung beaufschlagt wird, mit einem Werkstückträger (11) zum Tragen des Werkstücks (1), mit einem Bearbeitungskopf (10) zur Abgabe der das Werkstück (1) an der Bearbeitungsstelle (8) lokal aufheizenden Leistung, mit einer Steuereinrichtung (7) zur Steuerung der Bewegung der Bearbeitungsstelle (8) in einer Vorschubrichtung (V) entlang einer Bewegungsbahn (4) auf der Oberfläche (2) des Werkstücks (1) durch eine Relatiwerlagerung des Bearbeitungskopfes (10) gegenüber dem Werkstückträger (11), und mit einer Sensoranordnung (5) zur Messung von Istwerten der Geometrie des Werkstücks (1) in einem Beobachtungsbereich, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (5) so angeordnet ist, dass der Beobachtungsbereich in einer Vorschubrichtung (V) vor der Bearbeitungsstelle (8) oder in eine Bearbeitungsrichtung (B), in der sich die Bearbeitungsstelle (9) nach mehrmaligem Hin- und Herbewegen auf der Oberfläche (2) liegt, und die Steuereinrichtung (7) zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche programmiert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (5) einen Laser aufweist, der einen aufgefächerten Laserstrahl liefert, der auf der Oberfläche (2) des Werkstücks (1) eine Lichtlinie (17) projiziert, die insbesondere die Bewegungsbahn (V) kreuzt, und einen optischen Sensor aufweist, mit dem die Lage der Lichtlinie (17) und deren räumlicher Verlauf auf der Oberfläche (2) ermittelbar ist, oder dass die Sensoranordnung (5) einen mechanischen Sensor, insbesondere einen taktilen Sensor aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (5) oder ein Laser (19) oder optischer Sensor (20) der Sensoranordnung (5) fest mit dem Bearbeitungskopf (10) verbunden ist, oder dass die Sensoranordnung (5) oder ein Laser (19) oder optischer Sensor (20) der Sensoranordnung (5) an einem Sensorträger (18) angeordnet ist, der unabhängig vom Bearbeitungskopf verlagerbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Bearbeitungskopf (10) eine Hochenergiestrahlung und insbesondere eine Laserstrahlung erzeugt und eine Düse (14) aufweist, mit der auf der Oberfläche (2) aufzuschmelzendes Material (13) zur Bearbeitungsstelle (8) transportierbar ist.
Vorrichtung oder Verfahren, gekennzeichnet durch eines oder mehrere der kennzeichnenden Merkmale eines der vorhergehenden Ansprüche.