DE102005054607A1

DE102005054607A1 - Verfahren zur Bestimmung der Restschichtdicke, bei der Ausbildung von Sacklöchern oder Schnittfugen in Bauteilen

Info

Publication number: DE102005054607A1
Application number: DE102005054607A
Authority: DE
Inventors: Frank Dipl.-Ing. Kretzschmar; Michael Dipl.-Ing. Leminski; Lothar Dr.-Ing. Morgenthal; Dieter Dr.-Ing. Pollack; Thomas Dr.rer.nat Schwarz
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2005-11-11
Filing date: 2005-11-11
Publication date: 2007-05-31

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Restschichtdicke bei der Ausbildung von Sacklöchern oder Schnittfugen in Bauteilen. Sie kann bei der Bearbeitung mit Lasern eingesetzt werden. Die Bauteile können vollständig aus Kunststoff oder auch im Verbund mit anderen Werkstoffen gebildet sein. Es ist Aufgabe der Erfindung, die Restschichtdicke berührungslos, zuverlässig und ohne Zerstörung einer geschlossenen Oberfläche zumindest nahezu zeitsynchron bei der Bearbeitung bestimmen zukönnen. Bei der Erfindung werden Sacklöcher oder Schnittfugen mit Laserstrahlung ausgebildet und dabei die Temperatur berührungslos mittels von der dem Bearbeitungsbereich gegenüberliegenden Oberfläche emittierter elektromagnetischer Strahlung bestimmt und damit die jeweilige Restschichtdicke bestimmt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Restschichtdicke bei der Ausbildung von Sacklöchern oder Schnittfugen in Bauteilen. Dies soll durch Werkstoffabtrag oder Sublimation infolge der Energie eines Laserstrahles erfolgen. Die so zu bearbeitenden Bauteile können vollständig aus Kunststoff bestehen oder auch als Verbund unterschiedlicher Werkstoffe in einem Bauteil vorliegen, wobei Bereiche des Bauteils auch aus Metall gebildet sein können, die mit Kunststoff verbunden oder in Kunststoff eingebettet sein können. Bauteile können auch aus unterschiedlichen Kunststoffen hergestellt sein. So können die Oberflächen mit Kunststofffolien versehen sein. Zumindest eine Oberfläche, die nicht mit einem Laserstrahl bearbeitet werden soll, ist vollständig mit einem organischen Stoff gebildet.
Bei der in Rede stehenden Bearbeitung entsprechender Bauteile ist es aus verschiedenen Gründen nicht gewünscht, den Werkstoffabtrag am Bauteil soweit vorzunehmen, dass eine mehr oder weniger große Durchbrechung ausgebildet wird und dadurch zumindest eine Restschichtdicke, zwar lokal begrenzt von „Null" erreicht wird.
Für viele Anwendungen, beispielsweise wenn mittels Sacklöchern oder Schnittfugen Sollbruchstellen ausgebildet werden sollen, ist zur Einhaltung einer bestimmten Festigkeit die Einhaltung einer Restschichtdicke von Sacklöchern oder auch Schnittfugen erforderlich, um eine vorgegebene erforderliche Bruchkraft berücksichtigen zu können.
Dies trifft besonders auf Airbag-Abdeckungen an Bauteilen von Kraftfahrzeugen zu.
Häufig ist es gewünscht die Bestimmung solcher Restschichtdicken gleichzeitig mit der Bearbeitung des Bauteils vorzunehmen, also „online" zu messen.
Dies soll und muss auch häufig berührungslos erfolgen.
Eine in der Regel optische Messung kann dabei von der Seite erfolgen, von der auch der Laserstrahl auf das Bauteil gerichtet wird. Hierbei wird das Triangulationsprinzip angewendet. Dies ist aber bei größeren Tiefen, kleineren Durchmessern oder Fugenbreiten nicht mit ausreichender Genauigkeit möglich, so dass es erwünscht ist, die jeweilige Restdicke von der gegenüberliegenden Oberfläche des Bauteils zu bestimmen.

Da Kunststoffe aber für den Einsatz magnetischer Messsysteme ausscheiden und eingesetzte Kunststoffe auch nicht transparent sind, wurde in DE 196 36 429 C1 vorgeschlagen den Werkstoffabtrag in Sacklöchern soweit vorzunehmen, bis eine Transparenz für Laserstrahlung erreicht ist. Die Laserstrahlung für die Ausbildung von Sacklöchern schwächt dabei die Wandstärke des Teils insoweit, dass wenigstens eine Wellenlänge der Laserstrahlung durch die Oberflächenschicht auf einen Detektor auftreffen kann. Es werden sogar kleine Löcher zugelassen, die mit bloßem Auge eigentlich nicht ohne weiteres gesehen werden können. Dies ist aber häufig nicht der Fall, so dass solche Löcher auch sichtbar sind.

Es erfolgt mit dieser bekannten Lösung also eine Reduzierung von Restschichtdicken an Sacklöchern, die bis zu einem Wert von „Null" geht. Dadurch können Probleme bei der Einhaltung von vorgegebenen einzuhaltenden Bruchfestigkeiten von Sollbruchstellen auftreten. Dabei wirkt sich auch eine größere Dicke von entsprechend zu bearbeitenden Bauteilen aus, da so auch eine Beeinflussung der jeweiligen Bruchfestigkeit durch entsprechend Anpassung der Abstände benachbarter Sacklöcher sehr begrenzt ist.

Nachteilig ist es außerdem, dass Laserstrahlung, und bevorzugt soll dies bei der aus DE 196 36 429 C1 bekannten Lehre, die für die Bearbeitung genutzte Laserstrahlung (in der Regel die Strahlung eines CO₂-Lasers) sein, unmittelbar für die Detektion genutzt werden. Diese hat aber eine entsprechend hohe Leistung bzw. Energiedichte. So kann es zur Beeinträchtigung, die bis zur Zerstörung geeigneter Detektoren führen kann, kommen.

Außerdem kann mit einer solchen Lösung die Über schreitung von maximalen Temperaturen, die beispielsweise zu einer unerwünschten thermischen Beeinträchtigung des Kunststoffs auch im von außen am Bauteil sichtbaren Bereich nicht erkennbar sind, nicht vermieden werden.

Bei der Ausbildung von Schnittfugen kann diese Lösung nicht eingesetzt werden.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine Lösung vorzuschlagen, mit der Restschichtdicken von Sacklöchern oder Schnittfugen berührungslos und an Bauteilen, die zu großen Teilen aus Kunststoff von einer Seite, die mit einem Kunststoff gebildet ist, zuverlässig und ohne Zerstörung einer geschlossenen Oberfläche zumindest nahezu zeitsynchron bei der Bearbeitung bestimmt werden können.

Erfindungsgemäß kann diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen können mit in den untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.

Bei der Erfindungsgemäßen Lösung erfolgt die Bearbeitung von Bauteilen in herkömmlicher Weise. Dabei wird ein Laserstrahl, der bevorzugt mit entsprechender Leistung von einer CO₂-Laserlichtquelle ausgeht und in gepulster Form auf eine Seite des Bauteils gerichtet ist, eingesetzt.

Mit dem erreichbaren Werkstoffabtrag werden je nach Wunsch Sacklöcher oder Schnittfugen am Bauteil ausgebildet. Dabei müssen lokal unterschiedliche Bauteildicken und häufig auch ein unterschiedlicher Aufbau am Bauteil berücksichtigt werden. So können im Bau teil unterschiedliche Kunststoffe verarbeitet oder auch Versteifungselemente, die auch aus Metall sein können, vorhanden sein. Trotz dieser quasi Inhomogenitäten soll an der der Öffnung von Sacklöchern oder Schnittfugen gegenüberliegenden Oberfläche des Bauteils eine vorgegebene Restschichtdicke eingehalten werden, auch wenn dieser Bereich aus einem Kunststoff gebildet ist.

Kunststoffe, wie auch viele andere organische Stoffe haben eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit und innerhalb eines Kunststoffwerkstoffs erfolgt die Übertragung von Wärme ausschließlich durch Wärmeleitung. Dadurch war bei einer berührungslosen Messung von Oberflächentemperaturen mit einer Zeitkonstante zu rechnen, die einen sinnvollen Einsatz bei einem Bearbeitungsprozess ausschließen sollte. Ausgehend von theoretischen Berechnungen wurde erwartet, dass infolge Wärmeleitung ein sinnvoll erfassbarer Temperaturanstieg an einer nicht zu beschädigenden Oberfläche mit einer Zeitkonstante von mindestens 20 ms verbunden ist. Dies sind aber inakzeptable Werte, da die Bearbeitungszeit eines Bauteils erheblich verlängert werden müsste. Zeitkonstanten ab 1 ms sind hier schon eindeutig zu groß.

Obwohl Kunststoffe oder auch andere organische Stoffe, wie z.B. Leder eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen, hat sich aber überraschend herausgestellt, dass eine berührungslose Temperaturbestimmung an dieser Oberfläche mit ausreichend kleiner Zeitkonstante im Bereich einiger weniger Mikrosekunden für die Bestimmung von Restschichtdicken geeignet ist. Es konnten ausreichend relevante Temperaturmesssignale mit einer Zeitkonstante < 1 ms im Nachgang zu einem Laserstrahlimpuls bei einer Restschichtdicke von ca. 1 mm erfasst und für die Bestimmung der noch vorhandenen Restschichtdicke genutzt werden.

So kann von einer solchen aus organischen Stoffen, insbesondere Kunststoff gebildeten Oberfläche emittierte elektromagnetische Strahlung mit mindestens einem optischen Detektor detektiert werden. Die Emission dieser elektromagnetischen Strahlung weist dabei eine Abhängigkeit zur Restschichtdicke am jeweiligen Bearbeitungsbereich auf. Sie tritt infolge der vom Laserstrahl eingebrachten Energie auf. So kann die Temperatur mit geeigneten Detektoren bestimmt und daraus auf die Restschichtdicke geschlossen werden.

Das jeweilige Wellenlängenspektrum wird vom Kunststoff an der betroffenen Oberfläche des Bauteils bestimmt.

Die Temperaturbestimmung kann mit unterschiedlichen Detektoren vorgenommen und auch unterschiedlich ausgewertet werden. Dabei kann mit Detektoren die jeweilige Intensität der emittierte elektromagnetischen Strahlung erfasst und die jeweilige(n) Temperatur(en) bestimmt werden.

So kann es ausreichend sein, die jeweilige maximale Temperatur zu erfassen und den Werkstoffabtrag an einem Bearbeitungsbereich zu beenden, wenn ein vorgegebener maximaler Temperaturwert erreicht worden ist, der einer bestimmten Restschichtdicke entspricht.

Es kann aber auch ein elektromagnetische Strahlung emittierender Oberflächenbereich auf einem hierfür geeigneten Detektor abgebildet und so eine ortsaufgelöste Temperaturbestimmung über eine größere Fläche durchgeführt werden.

Die Auswertung kann auch hier in unterschiedlicher Form erfolgen. Im einfachsten Fall ist eine Mittelwertbildung bzw. Integration der so gemessenen Einzelwerte über die auszuwertende Fläche ein möglicher Weg.

Es kann aber auch eine Flächengröße vorgegeben sein, auf der ein vorgegebener Mindesttemperaturwert erreicht worden ist, berücksichtigt werden.

Es besteht aber auch die Möglichkeit einer kombinierten Auswertung bei der mehrere Parameter gleichzeitig berücksichtigt werden.

In jedem Fall sollte, wenn mittels vorgegebener Schwellwerte ein maximaler Wert erreicht und ggf. mit geringer Toleranz überschritten worden ist, die zu weiterem Werkstoffabtrag im jeweiligen Bearbeitungsbereich führende Bearbeitung beendet werden, so dass eine vorgegebene Mindestrestschichtdicke eingehalten werden kann.

Da die Emission elektromagnetischer Strahlung auch in Abhängigkeit von der für die Bearbeitung eingesetzten Laserstrahlung auftritt, ist es vorteilhaft die Bestimmung der Restschichtdicke an den gepulsten Betrieb des Laserstrahls anzupassen und eine Synchronisierung vorzunehmen. Dies ist insbesondere von Bedeutung, da jeder Einzelpuls zu einem Werkstoffabtrag und dementsprechend zu einer weiteren Reduzierung der Restschichtdicke führt.

Dabei kann die Temperaturbestimmung erst nach einer vorgegebenen Anzahl von Einzelpulsen bei der Ausbildung eines Sackloches beginnen, bei der sicher eine noch ausreichende Restschichtdicke vorhanden ist.

Mit der Erfindung kann auch ein Einfluss auf die Regelung des für die Bearbeitung eingesetzten Laserstrahles genommen werden. So kann in Abhängigkeit einer vorab ermittelten Restschichtdicke in einem Sackloch oder einer Schnittfuge die Leistung des Laserstrahls, die Pulsdauer und die Pulsfrequenz geregelt werden. Dabei kann auch eine Regelung von mindestens zwei dieser Parameter vorgenommen werden. So kann eine Regelung beispielsweise erst beginnen, wenn eine vorgegebene Restschichtdicke bereits erreicht worden ist. Dies kann z.B. ab Vorhandensein einer Restschichtdicke von ca. 500 μm, der Fall sein.

Nach Erreichen einer vorgegebenen Restschichtdicke, können die ermittelten Werte bezogen auf das Bauteil elektronisch gespeichert und ggf. für Qualitätsanalysen oder -nachweise genutzt werden.

Mit der Erfindung ist es möglich und besonders vorteilhaft, die Detektion elektromagnetischer Strahlung durchzuführen, ohne die Wellenlänge des für die Bearbeitung eingesetzten Laserstrahls oder einen entsprechenden kritischen Wellenlängenbereich zu berücksichtigen.

Dies kann durch Anordnung eines für diese Strahlung undurchlässigen oder diese Strahlung reflektierenden Elementes zwischen der unbearbeiteten Oberfläche des Bauteils und dem einen oder auch mehreren Detektor(en) für die von der Oberfläche emittierte elektromagnetische Strahlung erreicht werden. Bei einem CO₂-Laser kann dies mittels eine einfachen Glasscheibe erreicht werden.

Für die Detektion können auch Detektoren eingesetzt werden, die in einem anderen Wellenlängenbereich sensitiv sind.

Geeignete Detektoren sind beispielsweise Thermokameras, Thermografiesysteme oder Pyrometer. Es können aber auch einzelne punktuell erfassende Detektoren, Reihen- oder Arrayanordnungen von Einzelsensoren eingesetzt werden.

Detektoren sollten lediglich in der Lage sein in ausreichend kurzer Zeit in Abhängigkeit der Bearbeitungsgeschwindigkeit, insbesondere der Pulsfrequenz, die gewünschte Auswertung durch Bestimmung der Temperatur(en) vornehmen zu können, so dass die Bearbeitungsgeschwindigkeit, wenn überhaupt nur geringfügig reduziert wird.

Da die Bearbeitung der Bauteile an verschiedenen Positionen durchgeführt und dabei eine Relativbewegung von Laserstrahl und Bauteil vorgenommen werden muss, ändert sich auch die Position des Bearbeitungsbereiches und dementsprechend auch die Position des Oberflächenbereichs von dem für die Detektion nutzbare elektromagnetische Strahlung emittiert wird, was berücksichtigt werden kann.

So kann ein entsprechender Detektor entsprechend bewegt und/oder ausgerichtet werden. Insbesondere bei schwierigen baulichen Voraussetzungen an der vorhandenen Anlagentechnik kann es aber auch zweckmäßig sein, die von den unterschiedlichen Positionen an der Oberfläche des Bauteils emittierte elektromagnetische Strahlung mit zusätzlichen Elementen auf eine sensitive Fläche von Detektoren zu richten.

So kann mindestens ein reflektierendes Element entsprechend positioniert werden, mit dem diese Strahlung auf einen Detektor gerichtet werden kann. Dieses eine reflektierende Element kann bevorzugt um mindestens eine Achse geschwenkt werden, um einen weiteren Freiheitsgrad zu erschließen. Es können aber auch so genannte Scannerspiegel eingesetzt werden, die entsprechend gesteuert und positioniert werden können. Dies ist insbesondere bei dreidimensional gestalteten Oberflächen von Bauteilen vorteilhaft.

Solche reflektierenden Elemente lassen sich bei der Positionierung häufig einfacher handhaben, als Detektoren und sind im rauhen Betrieb auch nicht so empfindlich.

Dies trifft aber auch auf Lichtwellenleiter, bevorzugt flexible Fasern zu, die ebenfalls für die Übertragung der emittierten elektromagnetischen Strahlung von der Oberfläche zu einem Detektor eingesetzt werden können. Dabei kann die emittierte elektromagnetische Strahlung in einen oder auch mehrere Lichtwellenleiter eingekoppelt durch diese hindurch und dann auf einen Detektor gerichtet werden. Mit mehreren Lichtwellenleitern ist auch eine ortsaufgelöste Bestimmung möglich. Dabei ist lediglich eine Positionierung der Eintrittsöffnung(en) von Lichtwellenleitern in Bezug zur jeweiligen Position des Bearbeitungsbereiches erforderlich. Es kann aber auch mit mehreren Lichtwellenleitern ein größerer Oberflächenbereich abgedeckt sein. Dabei kann emittierte elektromagnetische Strahlung durch einen oder mehrere ausgewählte und entsprechend positionierte Lichtwellenleiter übertragen werden und dadurch der jeweilige lokale Bezug hergestellt werden.

Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
Dabei zeigen:
1 in schematischer Form den Aufbau eines Beispiels einer Vorrichtung für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und
2 ein Diagramm mit einem Temperaturbezug von ermittelten Restschichtdicken an einem Bauteil, dessen relevante Oberfläche mit einer Kunststofffolie überzogen war und die Bearbeitung im gepulsten Betrieb erfolgte.
In 1 ist ein möglicher Aufbau für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Dabei wird ein Laserstrahl 8 von einer CO2-Laserlichtquelle 1 über eine Strahlführungs- und -formungseinheit 7 auf eine rückseitige Oberfläche eines Bauteils 3 im gepulsten Betrieb gerichtet und es erfolgt eine Positionierung von Bauteil und Auftreffort des Laserstrahls 8. Dabei sollen Sacklöcher 4 mit vorgegebener Restschichtdicke im Bauteil 3 und in vorgegebenen Abständen zueinander ausgebildet werden.
Die Bestimmung der jeweiligen Restschichtdicke eines gerade bearbeiteten Sackloches 4 kann nach einer vorgegebenen Anzahl von Einzelimpulsen eingeleitet werden, bei der eine ausreichende Restschichtdicke mit Sicherheit noch vorhanden ist, die durch weiteren Stoffabtrag noch reduziert werden kann.
Hierfür ist an der gegenüberliegenden Seite des Bauteils 3 ein zur berührungslosen Erfassung von Temperaturen geeigneter Detektor 5 auf einer Positionier einrichtung angeordnet, die eine Positionierung in zumindest zwei Achsen des Detektors 5 in Bezug zu einem Bearbeitungsbereich an einem Sackloch 4 ermöglicht.
Mit dem Detektor 5 kann ein Messfleck 6, der größer als der Durchmesser eines ausgebildeten Sackloches 4 sein kann, detektiert werden, was für eine ortsaufgelöste Temperaturbestimmung häufig sinnvoll ist.
Laserstrahlquelle 1 und Detektor 5 sind an eine elektronische Auswerte- und Steuereinheit 2 angeschlossen. Diese kann für die Steuerung oder Regelung der Laserlichtquelle 1, der Strahlführungs- und -formungseinheit 7, der Positioniereinrichtung für den Detektor 5, die Temperaturerfassung, Bestimmung und ggf. auch Speicherung ermittelter Restschichtdicken von Sacklöchern 4 eingesetzt werden.
Mit dem in 2 gezeigten Diagramm wird der Zusammenhang von berührungslos erfassten Temperaturen zu einer Restschichtdicke eines Bauteils dessen Oberfläche, von der elektromagnetischen Strahlung, deren Temperatur erfasst werden soll, emittiert wird, mit einer Kunststofffolie gebildet ist. Die Dicke der Kunststofffolie ist dabei so groß, dass ein ausgebildetes Sackloch 4 auch in die Kunststofffolie hineinreichen kann und demzufolge auch die Dicke der Kunststofffolie bis auf eine gewünschte Restschichtdicke reduziert sein kann.

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Restschichtdicke, bei der Ausbildung von Sacklöchern oder Schnittfugen in Bauteilen, die zumindest teilweise aus Kunststoff gebildet sind, bei dem Sacklöcher (4) oder Schnittfugen mittels Laserstrahlung ausgehend von einer Seite eines Bauteils (3) ausgebildet werden und an der gegenüberliegenden Oberfläche des Bauteils (3), die aus organischem Stoff gebildet ist, die Temperatur berührungslos mittels von dieser Oberfläche emittierter elektromagnetischer Strahlung bestimmt und damit die Restschichtdicke im jeweiligen Bearbeitungsbereich eines Laserstrahles (8) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetische Strahlung auf mindestens einen optischen Detektor (5) gerichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetische Strahlung mittels eines reflektierenden Elementes auf den/die optischen Detektor(en) (5) gerichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass elektromagnetische Strahlung mittels mindestens eines Lichtwellenleiters auf den/die optischen Detektor(en) (5) gerichtet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass optische(r) Detektor(en) (5), reflektierendes Element oder Lichtwellenleiter synchron zum jeweiligen Bearbeitungsbereich des Laserstrahles (8) positioniert wird/werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass elektromagnetische Strahlung außerhalb der Wellenlänge des Laserstrahles (8) detektiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass emittierte elektromagnetische Strahlung auf einem ortsaufgelöst messenden optischen Detektor (5) abgebildet und die Temperatur ortsaufgelöst bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Flächenbereich der Abbildung, bei dem ein vorgegebener Schwellwert überschritten worden ist, bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoffabtrag an einem Bearbeitungsbereich beendet wird, wenn mindestens ein vorgegebener Temperaturschwellwert überschritten worden ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (8) gepulst betrieben und die Bestimmung der jeweiligen Restschichtdicke zeitlich synchron mit der Pulsfrequenz durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung, Pulsdauer und/oder Pulsfrequenz des Laserstrah les (8) in Abhängigkeit einer vorab ermittelten Restschichtdicke geregelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Detektion eine Thermokamera, ein Thermografiesystem oder ein Pyrometer verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Restschichtdicke von Sacklöchern an Bauteilen von Kraftfahrzeugen mit Airbag-Abdeckungen bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Restschichtdicken von Sacklöchern (4), dem jeweiligen Bauteil zugeordnet, elektronisch gespeichert werden.