DE102004060197A1

DE102004060197A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Präzisionsausrichten und/oder Fügen von Bauteilen

Info

Publication number: DE102004060197A1
Application number: DE200410060197
Authority: DE
Inventors: Hans-Joachim Koriath; Rene Beck; Bertram Schulz
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2004-12-14
Filing date: 2004-12-14
Publication date: 2006-07-06

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Präzisionsausrichten und/oder Fügen von zumindest zwei Bauteilen, wobei zumindest jeweils eine Oberfläche jedes Bauteils zumindest eine determinierte Mikrostruktur aufweist und ein Ausrichten der Bauteile zueinander durch die determinierten Mikrostrukturen erfolgt und die determinierten Mikrostrukturen der Bauteile miteinander in Eingriff stehen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Präzisionsausrichten und/oder Fügen von Bauteilen.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Präzisionsausrichten und/oder Fügen von Bauteilen, wie sie vorzugsweise in der Präzisionstechnik und Mikro- und Nanotechnik zum Einsatz kommen. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung auch ähnliche Verfahren und Vorrichtungen, die das präzise Ausrichten und/oder Fügen von Bauteilen ermöglichen.
Bekannte Verfahren und Vorrichtungen zur Ausrichtung und/oder zum Fügen von Bauteilen nutzen gängige makroskopische Formelemente wie Nut und Feder oder zahnförmige Fügeoberflächen. Diese Verfahren kommen vorwiegend in der Holzindustrie zum Einsatz, um Bauteile lösbar oder unter Zuhilfenahme von Klebstoffen und weiteren Fügemitteln nicht lösbar miteinander zu verbinden. Im Maschinenbau, in der Bauindustrie oder in der Elektrotechnik werden beispielsweise Gewinde, Schrauben, Zapfen und Paßstifte verwendet, um Bauteile zueinander auszurichten und ggf. anschließend zu fügen.
In der Automobilindustrie kommt bei der Herstellung von Pleueln für Kolbenarbeitsmaschinen ein trennendes Fertigungsverfahren zum Einsatz, das bei einer anschließenden Montage der Pleuel ein präzises Ausrichten der Bauteile zueinander ermöglicht. Nachdem ein Pleuel gegossen wurde und anschließen geschmiedet und zerspanungstechnisch bearbeitet wurde, wird in einem letzten Bearbeitungsschritt das Pleuel im Bereich des Pleuellagers mit einer Bruchkerbe versehen und an dieser Stelle von einem Werkzeug mit großer Kraft in Pleuelstange und Pleuelstangendeckel getrennt. Dieser Vorgang wird auch als Cracken bezeichnet. Die im Bereich der Bruchkerben entstandenen Crackflächen weisen eine mikrostrukturierte und stochastische Gestaltung der Bruchflächen auf. Die Bruchflächen sind unverwechselbar, so dass bei der Montage des Pleuels nur die Pleuelstange und der Pleuelstangendeckel, die aus demselben Halbzeug gecrackt wurden, zusammenpassen. Auf diese Art und Weise wird eine formschlüssige und durch anschließendes Verschrauben eine kraftschlüssige Verbindung zwischen Pleuelstange und Pleuelstangendeckel hergestellt, wobei zwischen dem Cracken des Pleuels und der Montage von Pleuelstange und Pleuelstangendeckel immer darauf zu achten ist, dass die Pleuelstange und der entsprechende Pleuelstangendeckel beisammen bleiben, da die Bauteile aufgrund der mikrostrukturierten und stochastischen Bruchflächen nicht mehr austauschbar sind.

In der DE 102 36 552 A1 ist ein Verbindungselement für ein Montagesystem offenbart, das im Bereich von zwei Langlöchern zackenförmige Rastmittel im Millimeterbereich aufweist. Diese zackenförmigen Rastmittel sind mit zackenförmigen Gegenrastmitteln eines Befestigungselements in Eingriff bringbar. Dadurch können das Verbindungselement und das Befestigungselement schrittweise zueinander ausgerichtet werden. Das in das Rastmittel eingreifende Gegenrastmittel schafft eine formschlüssige, lösbare Verbindung, z.B. durch eine Verschraubung, die durch ein Langloch erfolgt.

Aus der WO 00/55517 ist eine mechanische, quasi kinematische Kupplung bekannt, die aus makroskopischen Formelementen besteht. Die dort beschriebene Kupplung und das an einem zweiten Bauteil zur Kupplung ausgebildete Gegenstück vollziehen während des Ausrichtens und Fügens elastische und plastische Oberflächenverformungen. Obwohl die Kupplung als determiniertes Makroformelement ausgebildet ist, erlaubt sie eine Positionier- und Wiederholgenauigkeit im Bereich weniger Mikrometer. Des weiteren ist die dabei entstehende Fügeverbindung durch die Gestaltung der Kupplung und des entsprechenden Gegenstücks mit einem sphärischen Vorsprung und einer entsprechenden Nut eine lösbare Fügeverbindung.

Diese bekannten Verfahren und Vorrichtungen zum Präzisionsausrichten und/oder Fügen von Bauteilen sind jedoch mit einigen Nachteilen behaftet, wodurch sie in der Mikro- und Nanotechnik und in der Präzisionstechnik nicht einsetzbar bzw. nur unter Inkaufnahme hoher Prozeßkosten bedingt einsetzbar sind. Bei den ersten Verfahren und Vorrichtungen zum lösbaren Fügen von mechanischen Bauteilen sind nur solche mit determinierten Makroformelementen bekannt. Diese Makroformelemente weisen eine hohe geometrietreue Oberflächenqualität auf, so dass sie eine Präzisionsausrichtung und eine entsprechende Fügung ermöglichen. Zum anderen sind diese Makroformelemente aufgrund ihrer Größe nicht geeignet, in der Mikro- und Nanotechnik eingesetzt zu werden. Ferner setzen diese Makroformelemente entsprechende Einrichtungen zur Überwachung der Präzisionsausrichtung sowie eine entsprechende Antriebstechnik zur Präzisionsausrichtung bei den verwendeten Werkzeug- und Meßmaschinen voraus, wodurch die Fügeprozeßkosten häufig die Bauteilkosten übersteigen.

Andererseits erlauben stochastische Mikrostrukturen zwar eine Präzisionsausrichtung und eine formschlüssige, wieder lösbare Fügeverbindung, sorgen aber im Fall des Crackens dafür, dass nur die Elemente gefügt werden können, die zuvor durch den Crackvorgang aus einem gemeinsamen Halbzeug hergestellt wurden.

Die Wiederholgenauigkeit bei der Präzisionsausrichtung von Bauteilen im Mikro- und Nanometerbereich ist z.Z. nur durch Einsatz spezieller Sensor- und Antriebstechnik in den entsprechenden Werkzeugmaschinen möglich. In der Präzisionstechnik und der Mikro- und Nanotechnik schränken Geometrie, Oberflächen und Fertigungsfehler die Wiederholgenauigkeit und die Qualität einer Fügeverbindung zwischen Bauteilen ein, wodurch häufig nur geringe Kräfte und Momente durch diese Fügeverbindungen übertragen werden können. Ferner sind Oberflächeneffekte in der Mikro- und Nanotechnik, die eine Präzisionsausrichtung und/oder eine Fügeverbindung erschweren bzw. behindern, häufig unzureichend erforscht und werden mit physikalischen Gesetzmäßigkeiten, z. B. der Elastizität, der Tribologie, der Moleküle und/oder der elektrischen/magnetischen Felder beschrieben.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Präzisionsausrichten und/oder Fügen von Bauteilen zu schaffen, die in der Mikro- und Nanotechnik einsetzbar sind und eine Ausrichtung der Bauteile mit einer Genauigkeit von < 1 μm ermöglicht. Vorzugsweise soll sie in der Präzisionstechnik die Prozesskosten für die Präzisionsausrichtung und/oder die Fügung gering halten. Hierbei soll spezielle Sensortechnik zur Lagevermessung und spezielle Antriebstechnik zur Präzisionsausrichtung verzichtbar sein.

Diese Aufgabe wird in verfahrenstechnischer Sicht erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Präzisionsausrichten und/oder Fügen von zumindest zwei Bauteilen, wobei zumindest jeweils eine Oberfläche jedes Bauteils zumindest eine determinierte Mikrostruktur aufweist, und eine Ausrichtung der Bauteile zueinander durch die determinierten Mikrostrukturen erfolgt, und die determinierten Mikrostrukturen der Bauteile miteinander im Eingriff stehen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht das Präzisionsausrichten und/oder Fügen von zumindest zwei Bauteilen mit einer Genauigkeit von unter einem Mikrometer. Durch den Einsatz von determinierten Mikrostrukturen auf den Oberflächen der zu fügenden Bauteile, die miteinander in Eingriff stehen, wird zum einen ein hohe Wiederholgenauigkeit erreicht und zum anderen kann auf aufwendige und somit teure Sensor- und Antriebstechnik zur Lagevermessung und zur Präzisionsausrichtung verzichtet werden.

Ferner vergrößert der Einsatz von determinierten Mikrostrukturen die Tragflächenanteile der im Eingriff stehenden Oberflächen, so dass bei gleichbleibender Materialbeanspruchung höhere Kräfte und Momente zwischen den im Eingriff stehenden Oberflächen übertragen werden können.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Verfahrens weisen die im Eingriff stehenden Oberflächen der Bauteile neben den determinierten Mikrostrukturen zumindest jeweils ein Makroformelement auf. Nachdem eine Grobausrichtung der Bau teile zueinander durch die Makroformelemente erfolgt ist, ermöglichen die determinierten Mikrostrukturen eine Feinausrichtung der Bauteile. Sowohl Makroformelemente als auch determinierte Mikrostrukturen eines Bauteils stehen während der Ausrichtung in Eingriff mit den Makroformelementen und determinierten Mikrostrukturen eines anderen Bauteils. Die Mikrostrukturen weisen im allgemeinen eine höhere Fertigungsgenauigkeit bei ihrer Herstellung auf als die Makroformelemente. Außerdem weisen die im Eingriff stehenden determinierten Mikrostrukturen bei der Feinausrichtung kleinere Spiele auf als die im Eingriff stehenden Makroformelemente bei der Grobausrichtung.

In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel des Verfahrens sind die determinierten Mikrostrukturen so gestaltet, dass die Ausrichtung der Bauteile zueinander während der Annäherung der im Eingriff stehenden Oberflächen schrittweise erfolgt. Die schrittweise Ausrichtung erfolgt mit mindestens einem Freiheitsgrad.

In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die determinierten Mikrostrukturen zackenförmig oder wellenförmig ausgebildet und wiederholen sich dabei periodisch über einen Teil der oder die gesamte sich im Eingriff befindenden Oberflächen der Bauteile.

Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die determinierten Mikrostrukturen als komplementäre determinierte Mikrostrukturen ausgebildet. Insbesondere ist dies der Fall, wenn eine erste determinierte Mikrostruktur zapfenförmig oder nadelförmig ausgebildet ist, und eine zweite determinierte Mikrostruktur eines anderen Bauteils, die mit der ersten determinierten Mikrostruktur im Eingriff steht, lochförmig ausgebildet ist.

Bevorzugterweise wird eine Ausrichtung an den determinierten Mikrostrukturen der sich im Eingriff befindlichen Bauteile durch eine elastische oder durch eine plastische Verformung der determinierten Mikrostrukturen ermöglicht.

Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel grenzt an zumindest eine Oberfläche eines der durch die determinierten Mikrostrukturen zueinander ausgerichteten Bauteile zumindest ein Element. Dieses Element erfährt durch die zueinander ausgerichteten Bauteile seinerseits eine Fremdausrichtung zu den zueinander ausgerichteten Bauteilen oder zu einem oder mehreren weiteren Elementen. Diese Fremdausrichtung kann auch beibehalten werden, wenn die Bauteile, die eine determinierte Mikrostruktur aufweist, entfernt werden.

Nach einer erfolgten Ausrichtung durch die determinierten Mikrostrukturen kann bevorzugterweise durch ein formschlüssiges oder kraftschlüssiges Fügeverfahren eine Fügeverbindung zwischen den so ausgerichteten Bauteilen hergestellt werden. Aber auch ein stoffschlüssiges Fügeverfahren, z.B. durch den Einsatz eines Klebstoffes, ist möglich.

Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel des Verfahrens werden die determinierten Mikrostrukturen und/oder die Makroformelemente so ausgeführt, dass sie neben der schrittweisen Ausrichtung der Bauteile zueinander auch eine formschlüssige oder kraftschlüssige Fügeverbindung ermöglichen.

Weitere bevorzugte Ausführungsbeispiele des Verfahrens zum Präzisionsausrichten und/oder Fügen von Bauteilen sind in weiteren abhängigen Ansprüchen dargelegt.

In vorrichtungstechnischer Sicht wird die vorgenannte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung zum Präzisionsausrichten und/oder Fügen von zumindest zwei Bauteilen, wobei zumindest jeweils eine Oberfläche jedes Bauteils zumindest eine determinierte Mikrostruktur aufweist, die eine Ausrichtung der Bauteile zueinander entlang zumindest eines Freiheitsgrades ermöglichen.

Als besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn zumindest jeweils eine Oberfläche jedes Bauteils zusätzlich zumindest ein Makroformelement aufweist und wenn die Makroformelemente und/oder die determinierten Mikrostrukturen der sich im Eingriff befindlichen Bauteile so gestaltet sind, dass sie eine formschlüssige oder kraftschlüssige Fügeverbindung ermöglichen. Dadurch kann auf den Einsatz weiterer Fügemittel und/oder weiterer Fügeverfahren verzichtet werden.

Des weiteren ist es vorteilhaft, wenn die zuvor beschriebene Fügeverbindung zwischen den Bauteilen lösbar ist.

Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Makroformelemente und/oder die determinierten Mikrostrukturen auf der Oberfläche des ersten Bauteils komplementär zu den Makroformelementen und/oder den determinierten Mikrostrukturen auf der Oberfläche des zweiten Bauteils gestaltet.

Weitere bevorzugte Ausführungsbeispiele der Vorrichtung zum Präzisionsausrichten und/oder Fügen von Bauteilen sind in weiteren abhängigen Ansprüchen dargelegt.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den beigefügten Figuren näher erläutert. In diesen zeigen:

1 eine Seitenansicht einer Vorrichtung zum lösbaren Präzisionsausrichten und/oder Fügen, bei der Makroformelemente im Eingriff stehen,

2 eine Seitenansicht einer Vorrichtung zum lösbaren Präzisionsausrichten und/oder Fügen, bei der Makroformelemente und determinierte Mikrostrukturen im Eingriff stehen,

3 eine perspektivische Darstellung einer determinierten Mikrostruktur, und

4 eine schematische Darstellung der Tragflächenanteile einer Verbindung von gefügten Bauteilen mit und ohne Mikrostrukturen.

In 1 ist eine Seitenansicht einer Vorrichtung zum lösbaren Präzisionsausrichten und Fügen gezeigt, bei der Makroformelemente 3a, 3b im Eingriff stehen. Die Vorrichtung besteht aus einem ersten Bauteil 1a, das zwei zapfenförmige Makroformelemente 3a aufweist. Zum einen können diese ersten Makroformelemente 3a einteilig mit dem ersten Bauteil 1a ausgeführt sein, wobei bei der Fertigung der Oberfläche des ersten Bauteils 1a auch die entsprechenden Makroformelemente 3a, beispielsweise durch ein fräsendes Fertigungsverfahren, hergestellt werden. Zum anderen kann es sich bei den ersten Makroformelementen 3a aber auch um separate Bauteile handeln, beispielsweise um Paßstifte oder Schrauben, die in dafür vorgesehene Aufnahmevorrichtungen des ersten Bauteils 1a eingebracht werden. Zwischen den zwei ersten Makroformelementen 3a ist eine erste determinierte Mikrostruktur 2a auf die Oberfläche des ersten Bauteils 1a aufgebracht.
Ferner weist die Vorrichtung ein zweites Bauteil 1b auf, das an den Stellen der ersten Makroformelemente 3a mit zwei zweiten Makroformelementen 3b versehen ist, die mit den zwei ersten Makroformelementen 3a zum Ausrichten bzw. zum Fügen im Eingriff stehen. Die zweiten Makroformelemente 3b sind im gezeigten Ausführungsbeispiel als lochförmige Aussparungen ausgeführt.
In anderen nicht gezeigten Ausführungsbeispielen können die Makroformelemente 3a, 3b aber auch als Zacken oder kegelförmige Strukturen oder als Kanten oder Flächen ausgeführt sein. Befinden sich die Bauteile 1a, 1b bereits in einer Grobausrichtung zueinander, so kann auf die Makroformelemente 3a, 3b auch gänzlich verzichtet werden. Ferner erscheinen auch Ausführungsbeispiele sinnvoll, bei denen sich die Makroformelemente 3a, 3b auf anderen Oberflächenabschnitten der jeweiligen Bauteile oder auf anderen Bauteilen befinden als die entsprechenden determnierten Mikrostrukturen 2a, 2b. In diesem Fall erfahren das erste Bauteil 1a und das zweite Bauteil 1b mit ihren entsprechenden determinierten Mikrostrukturen 2a, 2b eine Grobausrichtung durch die Makroformelemente 3a, 3b. Unter Beibehaltung der Ausrichtung der Bauteile 1a, 1b zueinander, beispielsweise durch eine lösbare Fügeverbindung, werden anschließend die Makroformelemente 3a, 3b und die anderen Bauteile, mit denen sie verbunden sind, aus dem System entfernt.
Das in 1 gezeigte Ausführungsbeispiel weist eine Vielzahl von sich periodisch wiederholenden determinierten Mikrostrukturen 2a, 2b auf. Jede der beiden determinierten Mikrostrukturen 2a, 2b besteht aus einem oder mehreren Mikrostrukturelementen, die mit einer Periode 4c zueinander angeordnet sind und die, wenn sie miteinander in Eingriff gebracht werden, eine Feinausrichtung der Bauteile 1a, 1b ermöglichen. Die determinierten Mikrostrukturen können beispielsweise zacken- oder wellenförmig oder auch als Stufen ausgeführt werden.
Abhängig vom Anwendungsfall werden die Bauteile 1a, 1b, die determinierten Mikrostrukturen 2a, 2b und die Makroformelemente 3a, 3b aus verschiedenen metallischen und nicht metallischen Werkstoffen hergestellt. Im Speziellen handelt es sich dabei um eisen- oder aluminiumhaltige Legierungen, um Kunststoffe oder um Elemente auf Siliziumbasis, wie sie z.B. in der Halbleiterindustrie zum Einsatz kommen.
Um die determinierten Mikrostrukturen 2a, 2b prozesssicher herzustellen, sind verschiedene urformende, umformende, trennende, fügende, beschichtende oder stoffeigenschaftsändernde Fertigungsverfahren alleine oder in Kombination anwendbar. Im konkreten Fall sind dies Spanen, Prägen, Erodieren oder Laserablation. Des weiteren ist es möglich, determinierte Mikrostrukturen als Ganzes oder einzeln als Mikrostrukturelemente in einer determinierten Anordnung durch ein klebendes oder schweißendes Fertigungsverfahren auf die Oberfläche eines Bauteils aufzubringen, beispielsweise durch Ultraschall oder Elektronenstrahlschweißen. Als beschichtendes Fertigungsverfahren kommt beispielsweise Galvanisieren zum Einsatz, wobei die nicht zu galvanisierenden Elemente und Strukturen des Bauteils durch eine nicht leitende Maske abgedeckt werden. Im Bereich der Nanotechnik erscheinen auch stoffeigenschaftsändernde Fertigungsverfahren, beispielsweise Dotieren, für geeignet, um eine determinierte Nano-Struktur im Bereich er Oberfläche eines Bauteils zu erzeugen.
In einer besonders bevorzugten Herstellungsweise der Mikrostruktur-Paarung, z.B. im Mikro-Werkzeug- und -Formenbau wird dabei zunächst nur eine determinierte Mikrostruktur 2a oder 2b durch eines der vorgenannten Fertigungsverfahren, wie Trennen (einschließlich Abtragen), Urformen, Umformen, Beschichten oder Eigenschaftensändern auf einem ersten Bauteil hergestellt. Die komplementäre determinierte Mikrostruktur 2b oder 2a wird anschließend auf einem zweiten Bauteil mittels der Verfahren Trennen (z.B. Electro Chemical Machining, Electro Discharge Machining, etc.) oder Umformen (z.B. Heißprägen, Kaltfließprägen, etc.) mit geringen Fertigungstoleranzen abgebildet. Somit lassen sich von einer determinierten Ausgangsstruktur („Mutter") eine Vielzahl formschlüssiger, zur Ausgangsstruktur komplementären Mikrostrukturen („Töchter") erzeugen, die untereinander eine Systemaustauschbarkeit mit hoher Präzision ermöglichen, z.B. für den Austausch von Werkzeugen/Werkzeugträgern oder für Spannvorrichtungen.
D.h., dass gemäß des zuvor beschriebenen Verfahrens zumindest eine Oberfläche eines Bauteils 1a oder 1b eine erste determinierte Mikrostruktur 2a aufweist, und eine zu der ersten determinierten Mikrostruktur 2a komplementäre zweite determinierte Mikrostruktur 2b vorzugsweise mittels Umformung oder Abformung von der ersten determinierten Mikrostruktur 2a hergestellt wird.
Die Herstellung solcher determinierten Mikrostruktur in der vorbeschriebenen Weise ist dabei unabhängig vom späteren Präzisionsansichten und/oder Fügen derselben.
In 2 ist eine Seitenansicht einer Vorrichtung zum lösbaren Präzisionsausrichten und Fügen gezeigt, bei der die Makroformelemente 3a, 3b und die determinierten Mikrostrukturen 2a, 2b im Eingriff stehen. Wie bereits in 1 gezeigt, geraten beim Annähern der Bauteile 1a, 1b zueinander zuerst die Makroformelemente 3a, 3b in Eingriff. Die Makroformelemente 3a, 3b sind so ausgelegt, dass sie zueinander ein deut lich größeres Spiel aufweisen als die determinierten Mikrostrukturen. In 2 ist dies als Makro-Fügespiel 4b bezeichnet. Durch das Makro-Fügespiel 4b findet eine Grobausrichtung zwischen dem ersten Bauteil 1a und dem zweiten Bauteil 1b statt.
Bei weiterer Annäherung der Bauteile 1a, 1b zueinander geraten auch die determinierten Mikrostrukturen 2a, 2b miteinander in Eingriff. Dabei weisen die determinierten Mikrostrukturen 1a, 1b ein kleineres Spiel auf als die Makroformelemente 3a, 3b. Dieses Spiel ist in 2 als Mikro-Fügespiel 4a bezeichnet.
Aufgrund der geforderten Fügespiele ist es notwendig, die determinierten Mikrostrukturen mit einer höheren Fertigungsgenauigkeit, und daraus resultierend mit geringeren Fertigungstoleranzen als die Makroformelemente herzustellen. Die Fertigungstoleranz bei einem angenommenen Stiftdurchmesser von D3h6 in einer Bohrung D3H7 liegt zwischen 10 μm und 0 μm Spiel. Bei Mikrostrukturen von z.B. 120 μm Nadeln und 120 μm Bohrungen im Abstand von 250 μm sind Fertigungstoleranzen unter 1 μm erreichbar (s. 4). Somit ergibt sich ein Verhältnis der Makro-Mikro-Fertigungstoleranzen von 10:1. Bezogen auf einen Stift D3 kommt es zu einer Vermittlung der Einzeltoleranzen von 96 Nadeln bei einer angenommenen Gausschen Verteilungsfunktion zu einem deutlich geringeren Spiel unter 1 μm.
Die determinierten Mikrostrukturen 2a, 2b bzw. die einzelnen Mikrostrukturelemente sind derart gestaltet, dass bei einer Annäherung der Oberflächen der Bauteile 1a, 1b die Feinausrichtung durch die Mikrostrukturelemente schrittweise oder kontinuierlich erfolgt. Dies geschieht beispielsweise durch eine stufenförmige, pyramidenförmige oder kegelförmige Ausführung der einzelnen Mikrostrukturelemente. Zu Beginn des Eingriffs der determinierten Mikrostrukturen 2a, 2b ist das Mikro-Fügespiel 4a noch relativ groß. Nähern sich die Oberflächen der Bauteile 1a, 1b weiter an, verringert sich dabei das Mikro-Fügespiel 4a schrittweise oder kontinuierlich, bis es einen Minimalwert annimmt, wenn die Oberflächen der Bauteile 1a, 1b eine maximal mögliche Annäherung zueinander aufweisen. Bei der Annäherung der Oberflächen der Bauteile 1a, 1b erfolgt die Feinausrichtung entlang eines oder mehrerer Freiheitsgrade.
Die Feinausrichtung an den determinierten Mikrostrukturen 2a, 2b kann zum einen durch eine elastische Verformung, zum andern aber auch durch eine plastische Ver formung der determinierten Mikrostrukturen unterstützt bzw. ermöglicht werden. Im letzten Fall ist darauf zu achten, dass die plastischen Verformungen unterhalb der Bruchgrenze des Materials liegen, aus dem die determinierten Mikrostrukturen bzw. die einzelnen Mikrostrukturelemente gefertigt wurden.
Nachdem die Oberflächen der ausgerichteten Bauteile 1a, 1b eine maximal mögliche Annäherung aufweisen, bzw. während des Annäherungsvorganges der auszurichtenden Bauteile 1a, 1b, kann zwischen den besagten Bauteilen eine Fügeverbindung durch ein formschlüssiges, kraftschlüssiges oder stoffschlüssiges Fügeverfahren hergestellt werden. Dies kann beispielsweise durch Durchsetzfügen, auch bekannt als Clinchen, durch Schrauben oder durch Kleben erfolgen. Im Falle einer Schraubverbindung kann die Fügeverbindung durch separate Schrauben erfolgen oder durch Schrauben, die gleichzeitig die Funktion der ersten Makroformelemente 3a übernehmen. Die zweiten Makroformelemente 3b sind in diesem Fall als passende Löcher mit einem Gewinde ausgestattet. Es ist möglich, die determinierten Mikrostrukturen 2a, 2b und/oder Makroformelemente 3a, 3b so auszuführen, dass sie neben der Funktion der Ausrichtung der Bauteile 1a, 1b zueinander auch eine formschlüssige oder kraftschlüssige Fügeverbindung ermöglichen. Dies geschieht beispielsweise durch den Einsatz von Hinterschneidungen und Vorsprüngen.
Allen Fügeverfahren gemeinsam ist, dass während der Annäherung der Oberflächen der auszurichtenden und zu fügenden Bauteile 1a, 1b ein Fügespiel vorhanden ist, und dass die Bauteile 1a, 1b nach Abschluß des Fügeverfahrens spielfrei oder nahezu spielfrei gefügt sind. Die dabei erzeugten Fügeverbindungen können lösbar oder nicht lösbar ausgeführt werden. Lösbare Fügeverbindungen kommen beispielsweise in der Präzisionstechnik, bei Spannvorrichtungen und Werkzeughaltern von Werkzeugmaschinen, zum Einsatz. Dadurch ist ein schneller Austausch von fertig bearbeiteten Teilen und Werkzeugen ohne aufwendige Sensor-, Antriebs- und Steuerungstechnik zur Präzisionsausrichtung und zur Einrichtung der Werkzeugmaschinen möglich.
In einem nicht gezeigten Ausführungsbeispiel dienen die durch die determinierten Mikrostrukturen 2a, 2b ausgerichteten Bauteile 1a, 1b dazu, ihrerseits Elemente, die an die besagten Bauteile 1a, 1b angrenzen, auszurichten. Diese Ausrichtung wird als Fremdausrichtung bezeichnet. Die Fremdausrichtung der Elemente bleibt auch bestehen, wenn die Bauteile 1a, 1b, die die determinierten Mikrostrukturen 2a, 2b aufweisen, aus dem System entfernt werden. Somit können die Bauteile 1a, 1b, die determinierte Mikrostrukturen 2a, 2b aufweisen, verwendet werden, um Elemente, die selbst keine determinierten Mikrostrukturen aufweisen, auszurichten.
In 3 ist eine Draufsicht einer determinierten Mikrostruktur gezeigt. Die determinierten Mikrostrukturen 2a, 2b sind komplementär zueinander ausgeführt. Die erste determinierte Mikrostruktur 2a weist zapfenförmige Mikrostrukturelemente auf, während die zweite Mikrostruktur 2b lochförmige Mikrostrukturelemente aufweist. Der Durchmesser der zapfenförmigen Mikrostrukturelemente beträgt 120 μm.
In 4 werden in einer schematischen Darstellung Trägflächenanteile 5 einer Verbindung von gefügten Bauteilen mit und ohne determinierte Mikrostrukturen verglichen. Tragflächenteile 5 definieren den Bereich, in dem die Oberfläche des ersten Bauteils 1a in Kontakt mit der Oberfläche des zweiten Bauteils 1b steht.
In einem ersten Ausführungsbeispiel ohne determinierte Mikrostrukturen berechnet sich ein erster Tragflächenanteil TA1 der in Kontakt stehenden Oberflächen aus einem Tragflächendurchmesser TD, multipliziert mit Pi. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel beträgt TD 3,0 mm, so dass sich der erste Tragflächenanteil TA1 mit 9,425 mm ergibt.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel, bei dem innerhalb der Tragflächenanteile 5 der in Kontakt stehenden Oberflächen der Bauteile 1a, 1b determinierte Mikrostrukturen 2a, 2b angeordnet sind, berechnet sich ein zweiter Tragflächenanteil TA2 aus dem Durchmesser der zapfenförmigen Mikrostrukturelemente, multipliziert mit Pi, multipliziert mit der Anzahl der zapfenförmigen Mikrostrukturelemente, die sich innerhalb der Tragflächenanteile 5 befinden. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist dies 120 μm × Pi × 96, so dass sich der zweite Tragflächenanteil TA2 mit 36,191 mm ergibt.
Ein Tragflächenverhältnis TV berechnet sich aus dem Quotienten des zweiten Tragflächenanteils TA2 und des ersten Tragflächenanteils TA1. Im beschriebenen Ausführungsbeispiel ist dieses Verhältnis TV = TA2 ./. TA1 = 36,191 mm ./. 9,425 mm = 3,84.
Im konkreten Ausführungsbeispiel bedeutet dies, dass sich die Tragflächenanteile 5 der Oberfläche durch den Einsatz der determinierten Mikrostrukturen 2a, 2b um das 3,84-fache vergrößert hat. Dies bedeutet weiterhin, dass sich aufgrund der determinierten Mikrostrukturen im Bereich der Tragflächenanteile 5 über die Verbindung der gefügten Bauteile 1a, 1b größere Kräfte und Drehmomente als im Ausführungsbeispiel ohne determinierte Mikrostrukturen übertragen lassen. Dabei wird davon ausgegangen, dass die Materialbeanspruchung in beiden Fällen gleich groß sein soll.
Diese zuvor genannten Eigenschaften können in der Präzisionstechnik besonders wichtig für Spannmittel und Werkzeugaufnahmen von Werkzeugmaschinen sein. Aber auch Anwendungen in der Mikro- und Nanotechnik erscheinen vorteilhaft, insbesondere wenn größere Kräfte und Drehmomente über eine Fügeverbindung zu übertragen sind.
Die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschreiben ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Präzisionsausrichten und/oder Fügen von zumindest zwei Bauteilen, wobei zumindest jeweils eine Oberfläche jedes Bauteils zumindest eine determinierte Mikrostruktur aufweist, und eine Ausrichtung der Bauteile zueinander durch die determinierten Mikrostrukturen erfolgt, und die determinierten Mikrostrukturen der Bauteile miteinander im Eingriff stehen.

Claims

Verfahren zum Präzisionsausrichten und/oder Fügen von zumindest zwei Bauteilen (1a, 1b), wobei zumindest jeweils eine Oberfläche jedes Bauteils (1a, 1b) zumindest eine determinierte Mikrostruktur (2a, 2b) aufweist, und eine Ausrichtung der Bauteile (1a, 1b) zueinander durch die determinierten Mikrostrukturen (2a, 2b) erfolgt, und die determinierten Mikrostrukturen (2a, 2b) der Bauteile (1a, 1b) miteinander im Eingriff stehen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zuerst eine Grobausrichtung der Bauteile (1a, 1b) erfolgt, und anschießend eine Feinausrichtung der Bauteile (1a, 1b) zueinander durch die determinierten Mikrostrukturen (2a, 2b) vollzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest jeweils eine Oberfläche jedes Bauteils (1a, 1b) neben der determinierten Mikrostruktur (2a, 2b) zumindest ein Makroformelement (3a, 3b) aufweist, wobei die Grobausrichtung der Bauteile (1a, 1b) zueinander durch die Makroformelemente (3a, 3b) erfolgt, und die Feinausrichtung der Bauteile (1a, 1b) zueinander durch die determinierten Mikrostrukturen (2a, 2b) erfolgt, und sowohl die determinierten Mikrostrukturen (2a, 2b) der Bauteile (1a, 1b) miteinander im Eingriff stehen als auch die Makroformelemente (3a, 3b) der Bauteile (1a, 1b) miteinander im Eingriff stehen.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die determinierten Mikrostrukturen (2a, 2b) mit einer höheren Fertigungsgenauigkeit als die Makro-Formelemente (3a, 3b) hergestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Feinausrichtung an determinierten Mikrostrukturen (2a, 2b) durch kleinere Spiele verglichen mit der Grobausrichtung an Makroformelementen (3a, 3b) ermöglicht wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausrichtung der Bauteile (1a, 1b) zueinander während der Annäherung der Oberflächen der Bauteile (1a, 1b) entlang der determinierten Mikrostrukturen (2a, 2b) mit zumindest einem Freiheitsgrad schrittweise erfolgt.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausrichtung der Bauteile (1a, 1b) zueinander durch eine Vielzahl von determinierten Mikrostrukturen (2a, 2b) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausrichtung der Bauteile (1a, 1b) zueinander durch eine Vielzahl von sich periodisch wiederholenden, determinierten Mikrostrukturen (2a, 2b) erfolgt.
Verfahren nach Anspruche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die determinierten Mikrostrukturen (2a, 2b) zackenförmig oder wellenförmig ausgebildet werden.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausrichtung der Bauteile (1a, 1b) zueinander durch eine Vielzahl von komplementären, determinierten Mikrostrukturen (2a, 2b) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste determinierte Mikrostruktur (2a) zapfenförmig ausgebildet wird, während eine zweite, zur ersten determinierten Mikrostruktur (2a) komplementäre determinierte Mikrostruktur (2b) lochförmig ausgebildet wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die determinierte Mikrostruktur (2a, 2b) auf der Oberfläche eines Bauteils (1a, 1b) durch ein urformendes, umformendes, trennendes, fügendes, beschichtendes oder stoffeigenschaftsänderndes Fertigungsverfahren hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Oberfläche eines Bauteils (1a oder 1b) eine erste determinierte Mikrostruktur (2a) aufweist, und eine zu der ersten determinierten Mikrostruktur (2a) komplementäre zweite determinierte Mikrostruktur (2b) vorzugsweise mittels Umformung oder Abformung von der ersten determinierten Mikrostruktur (2a) hergestellt wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausrichtung an determinierten Mikrostrukturen (2a, 2b) durch elastische Verformung der determinierten Mikrostruktur (2a, 2b) ermöglicht wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausrichtung an determinierten Mikrostrukturen (2a, 2b) plastische Verformung der determinierten Mikrostruktur (2a, 2b) ermöglicht wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass an zumindest einer Oberfläche eines der zueinander ausgerichteten Bauteile (1a, 1b) zumindest ein Element angrenzt, das durch die zueinander ausgerichteten Bauteile (1a, 1b) seinerseits eine Fremdausrichtung zu den besagten zueinander ausgerichteten Bauteilen (1a, 1b) und/oder einem oder mehreren weiteren Elementen erfährt.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Fremdausrichtung des Elementes zu dem weiteren Element oder den weiteren Elementen auch nach einer Entfernung der Bauteile (1a, 1b), die eine determinierte Mikrostruktur (2a, 2b) aufweisen, aufrechterhalten wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fügeverbindung zwischen den ausgerichteten Bauteilen (1a, 1b) durch ein formschlüssiges, kraftschlüssiges oder stoffschlüssiges Fügeverfahren hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass vor Beginn des Fügeverfahrens zwischen den Oberflächen der zu fügenden Bauteile (1a, 1b) ein Fügespiel vorhanden ist, und die Bauteile (1a, 1b) durch das Fügeverfahren spielfrei gefügt werden.
Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die zwischen den Bauteilen (1a, 1b) erzeugte Fügeverbindung nicht lösbar ist.
Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die zwischen den Bauteilen (1a, 1b) erzeugte Fügeverbindung lösbar ist.
Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass die determinierten Mikrostrukturen (2a, 2b) und/oder die Makroformelemente (3a, 3b) so ausgeführt werden, dass sie neben der Ausrichtung der Bauteile (1a, 1b) zueinander auch eine formschlüssige oder kraftschlüssige Fügeverbindung ermöglichen.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Einsatz von determinierten Mikrostrukturen (2a, 2b) die zwischen den Oberflächen der Bauteile (1a, 1b) übertragbaren Kräfte und Momente vergrößert werden.
Vorrichtung zum Präzisionsausrichten und/oder Fügen von zumindest zwei Bauteilen (1a, 1b), wobei zumindest jeweils eine Oberfläche jedes Bauteils (1a, 1b) zumindest eine determinierte Mikrostruktur (2a, 2b) aufweist, die eine Ausrichtung der Bauteile (1a, 1b) zueinander entlang zumindest eines Freiheitsgrades ermöglichen.
Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest jeweils eine Oberfläche jedes Bauteils (1a, 1b) zumindest ein Makroformelement (3a, 3b) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass bei jedem Bauteil (1a, 1b) die Makroformelemente (3a, 3b) und die entsprechenden determinierten Mikrostrukturen (2a, 2b) auf demselben Oberflächenabschnitt angeordnet sind.
Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 24 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Makro-Formelemente (3a, 3b) und/oder die determinierten Mikrostrukturen (2a, 2b) so gestaltet sind, dass sie eine formschlüssige oder eine kraftschlüssige Fügeverbindung ermöglichen.
Vorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügeverbindung lösbar ist.
Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 24 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass erste Makroformelemente (3a) und/oder erste determinierte Mikrostrukturen (2a) der Oberfläche eines ersten Bauteils (1a) komplementär zu zweiten Makroformelementen (3b) und/oder zweiten determinierten Mikrostrukturen (2b) der Oberfläche eines zweiten Bauteils (2b) sind.