DE102009017492A1

DE102009017492A1 - Verfahren und Werkzeug zum Kleben von Bauteilen

Info

Publication number: DE102009017492A1
Application number: DE102009017492A
Authority: DE
Inventors: Jochen Dr. Schneegans; Martin Kraft
Original assignee: EDAG GmbH and Co KGaA
Current assignee: FFT Produktionssysteme GmbH and Co KG
Priority date: 2009-04-16
Filing date: 2009-04-16
Publication date: 2010-12-16
Anticipated expiration: 2029-04-17
Also published as: DE102009017492B4

Abstract

Verfahren zum Kleben von Bauteilen, bei dem a) ein erstes Bauteil (1) und ein zweites Bauteil (2) jeweils in einem Klebebereich (3, 4) an ihrer Oberfläche (5) gereinigt b) und auf die gereinigte Oberfläche (5; 6) wenigstens eines der Bauteile (1, 2) ein Klebstoff (9) aufgetragen wird, c) wobei die Oberfläche (5) im Klebebereich (4) des ersten Bauteils (1) mittels wenigstens eines Laserstrahls (8) von anhaftender Verschmutzung (7) gereinigt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Werkzeug zum Kleben von Bauteilen. Bevorzugt findet die Erfindung in der Fahrzeugindustrie Verwendung, zum Kleben von Fahrzeugteilen, wobei im Besonderen das Kleben von Automobilteilen zu nennen ist.
Im Automobilbau halten Kunststoffe Einzug. Zum Fügen von Kunststoffteilen bietet sich das Kleben an. Die miteinander zu verklebenden Bauteile werden nach dem Formungsprozess üblicherweise im Ganzen grob gereinigt. Vor dem Kleben müssen allerdings die Klebebereiche der Bauteile nochmals einer gesonderten Reinigung, einer speziellen Klebevorbereitung, unterzogen werden. Nach dem Klebstoffauftrag werden die Bauteile relativ zueinander für das Kleben positioniert und gespannt. Anschließend wird der Kleber aktiviert und ausgehärtet. Die Aktivierung wird im gespanntem Zustand der Bauteile vorgenommen, während die mit dem aktivierten Klebstoff bereits relativ zueinander stabilisierten Bauteile zum Aushärten üblicherweise aus dem Spannwerkzeug genommen werden, um dieses innerhalb der Fertigung für die Herstellung des nächsten Bauteilverbunds verwenden zu können.
Problematisch beim Kleben ist unter anderem die Klebevorbereitung, das Reinigen der Klebebereiche. Üblich ist das Reinigen mit einer Reinigungsflüssigkeit. Aufgrund der geforderten Oberflächensauberkeit ist die Klebevorbereitung mit Reinigungsflüssigkeit langwierig und aufwändig, ferner ist sie im Hinblick auf die Umwelt nicht unproblematisch. Da eine von Restverschmutzungen völlig freie Oberfläche nicht garantiert werden kann, enthalten die Klebstoffe Zusatzsubstanzen, die allerdings die Klebekraft ungünstig beeinflussen.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, feste Klebeverbindungen in kurzer Zeit herzustellen.
Die Erfindung geht von einem Verfahren zum Kleben von Bauteilen aus, bei dem ein erstes Bauteil und ein zweites Bauteil jeweils in einem Klebebereich an ihrer Oberfläche, der Klebefläche, gereinigt werden und auf die gereinigte Oberfläche wenigstens eines der Bauteile, vorzugsweise nur eines der Bauteile, ein Klebstoff aufgetragen wird. Nach der Erfindung wird die Klebefläche wenigstens eines der Bauteile, beispielsweise des ersten Bauteils, mittels eines Laserstrahls von anhaftenden Verschmutzungen befreit und dadurch gereinigt, vorzugsweise durch Verdampfen der Verschmutzungen. Zweckmäßigerweise wird die Klebefläche beider durch Kleben zu fügenden Bauteile je mittels eines Laserstrahls von allen an der jeweiligen Klebefläche anhaftenden Verschmutzungen, die das Klebeergebnis negativ beeinträchtigen könnten, befreit, vorzugsweise jeweils durch Verdampfen. Für diese Klebevorbereitung können mehrere Laserstrahleinrichtungen, verwendet werden, um die Klebebereiche beispielsweise gleichzeitig parallel zu reinigen. Alternativ können die Klebebereiche auch mittels der gleichen Laserstrahleinrichtung nacheinander gereinigt werden. Denkbar ist ferner auch, einen oder mehrere der Klebebereiche nacheinander mehrfach mittels Laserstrahl, auch mittels unterschiedlich eingestellter Laserstrahlen, zu reinigen. Bevorzugt wird die Laserreinigung jedoch in einem einzigen Arbeitslauf der Laserstrahleinrichtung vorgenommen.
Mittels der erfindungsgemäßen Klebevorbereitung durch Laserreinigung kann oder können der oder die Klebebereich(e) der Bauteile besonders gründlich gereinigt werden, der Laserstrahl hinterlasst eine blanke, von Verschmutzungen freie Oberfläche des Grundmaterials des jeweiligen Bauteils. Anhaftende Fette, Öle oder Oxidschichten werden gründlich entfernt. Bereits dies erhöht die Haltekraft der Klebeverbindung. Desweiteren können Klebstoffe verwendet werden, die keine oder zumindest weniger Zusatzstoffe fair die Neutralisierung derartiger Verschmutzungen enthalten. Entsprechend können für das eigentliche Kleben Klebstoffe mit erhöhter Klebekraft verwendet werden, da derartige Zusatzstoffe die Klebekraft im Allgemeinen herabsetzen. Aufgrund der blankeren Klebefläche, optional der Verwendung eines Klebstoffs erhöhter Klebekraft, wird die Haltekraft der Klebeverbindung erhöht. Alternativ zu einer Erhöhung der Haltekraft kann auch die Klebstoffmenge pro Flächeneinheit oder die Klebefläche verringert werden, wobei mit einer Verringerung der Klebefläche auch vorteilhafterweise eine Verminderung der Klebstoffmenge einhergeht. Die Klebstoffmenge kann auch bereits allein aufgrund der nicht mehr benötigten Zusatzstoffe verringert werden.
In einer Weiterentwicklung werden die Klebeflächen nicht nur gründlich von Verschmutzungen befreit, sondern zusätzlich die Oberfläche im Klebebereich wenigstens eines der Bauteile mittels des Laserstrahls oder eines der Oberflächenreinigung nachgeführten weiteren Laserstrahls strukturiert, vorzugsweise durch Verdampfen, und dadurch die für das Kleben wirksame Oberfläche, die Klebefläche, gegenüber einer nur gereinigten Oberfläche vergrößert. Die Vergrößerung erfolgt bei der Strukturierung um vorzugsweise wenigstens einen Faktor zwei, d. h. die Klebefläche wird vorzugsweise wenigstens verdoppelt. Bevorzugter wird die Klebefläche wenigstens verfünffacht. Eine die Oberfläche vergrößernde Strukturierung mittels Laserstrahl ist bereits vorteilhaft, wenn sie nur bei einem der Bauteile durchgeführt wird, bevorzugter werden allerdings die Klebebereiche beider Bauteile wie geschildert strukturiert. Durch die Strukturierung und die damit einhergehende Vergrößerung der wirksamen Klebefläche kann die Haltekraft der Klebeverbindung nochmals erhöht oder die Klebstoffmenge weiter reduziert werden.
In nochmals einer weiteren Entwicklungsstufe werden die Klebeflächen der Bauteile durch die Laserstrukturierung so stark vergrößert, dass sie selbsthaftend werden, die Bauteile also bereits im gefügten Zustand ohne Klebstoff aneinander haften. Hierdurch kann die Haltekraft nochmals vergrößert oder die Klebstoffmenge weiter reduziert werden. Es kann auch die Fläche des Klebebereichs, also die Projektionsfläche der fein zerklüfteten Klebefläche verringert werden. Dies ist nicht nur vorteilhaft im Hinblick auf eine Reduzierung der Klebstoffmenge. Eine Verkleinerung des Klebebereichs schafft Freiheit auch im Hinblick auf die Form der Bauteile, bei denen entsprechend geringere Flächenanteile für den jeweiligen Klebebereich vorzusehen sind. Die Oberflächenstrukturierung kann beispielsweise so ausgeführt werden, dass Klebeflächen mit Hinterschnitt, beispielsweise in der Art der von Klettverschlüssen bekannten Klettfügeflächen entstehen. Bevorzugt wird durch die Strukturierung aber nur ein feines, vorzugsweise mikroskopisch feines Oberflächenrelief zumindest im Wesentlichen ohne Hinterschnitt erhalten.
Die Strukturierung kann auch dazu genutzt werden, auf Klebstoff gänzlich zu verzichten. So können die Bauteile in eine Fügealternative mit ihren strukturierten Klebeflächen durch Reibverschweißen fest miteinander verbunden werden.
Der Laserstrahl oder die nacheinander über den Klebebereich geführten mehreren Laserstrahlen werden zweckmäßigerweise mittels eines gepulsten Lasers erzeugt. Bevorzugt gelangt ein Nanosekunden- oder Pikosekunden-Laser zum Einsatz. Entsprechend liegen die Pulsdauern zwischen einer und einigen hundert Nanosekunden oder einer und einigen hundert Pikosekunden. Der oder die Laser wird oder werden vorzugsweise mit einer Frequenz zwischen 10 und 100 MHz betrieben.
Die Erfindung betrifft über das Verfahren hinaus auch ein Werkzeug zum Reinigen oder Oberflächenstrukturieren einerseits und Auftragen des Klebstoffs andererseits, das im folgenden als Klebe- und Klebevorbereitungswerkzeug bezeichnet wird. Das Werkzeug umfasst einen Träger, der an einem positionsgesteuert oder -geregelt im Raum beweglichen Aktor befestigbar oder bereits befestigt ist. Bei dem Aktor kann es sich insbesondere um einen Roboterarm eines Industrieroboters mit einer Roboterbasis und dem davon abragenden Roboterarm handeln, wobei das freie Ende des Roboterarms den Aktor bildet. Die Basis kann wie bei Industrierobotern üblich ortsfest im Bereich einer Fügestation einer Fertigungslinie für Fahrzeuge, insbesondere Automobile, angeordnet sein. Vorteilhafterweise ist am Träger eine Kupplung für ein automatisches An- und Abdocken des Werkzeugs am Aktor angeordnet. Solch eine Kupplung sorgt für die mechanische Befestigung am Aktor und kann auch die Schnittstelle oder die mehreren Schnittstellen für die Versorgung des Werkzeugs mit Energie, beispielsweise elektrischer Energie, oder Steuerungssignalen oder eines oder mehrerer Fluide, beispielsweise Druckluft, aufweisen. Auf dem Träger ist eine Laserstrahleinrichtung zum Abstrahlen eines der Klebevorbereitung, nämlich der Reinigung oder Strukturierung einer Oberfläche eines Bauteils dienenden Laserstrahls angeordnet. Die am Aktor befindliche Laserstrahleinrichtung kann eine Laserquelle umfassen. Die Laserquelle kann jedoch auch separat vom Träger angeordnet und mit einer am Träger befindlichen Laseroptik über Lichtwellenleiter verbunden sein, wie dies bevorzugten Ausführungen entspricht.
Nach der Erfindung ist auf dem Träger ferner eine Auftragseinrichtung zum Auftragen eines Klebstoffs auf die mittels des Laserstrahls vorbereitete Oberfläche angeordnet. Die Laserstrahleinrichtung und die Auftragseinrichtung sind auf dem Träger so angeordnet und ausgerichtet, dass der Auftreffort der Laserstrahls dem Auftragsort des Klebstoffs vorausläuft, wenn der Aktor in eine Arbeitsrichtung über die zu behandelnde und anschließend mit dem Klebstoff zu belegende Oberfläche bewegt wird.
Wenn die Oberfläche wie vorstehend geschildert nicht nur blank gereinigt, sondern im weiteren auch noch mit einer Strukturierung versehen wird, kann die Strukturierung mit der gleichen Laserstrahleinrichtung durchgeführt werden oder mit einer optional weiteren, ebenfalls auf dem Träger angeordneten zweiten Laserstrahleinrichtung, die einen dem die Oberfläche reinigenden Laserstrahl in Arbeitsrichtung nachlaufenden zweiten Laserstrahl erzeugt. In bevorzugten Ausführungen wird mittels der gleichen Laserstrahleinrichtung gereinigt und gleich im Anschluss strukturiert. Die Laserstrahleinrichtung kann hierfür so eingestellt sein, dass sie einen Laserstrahl erzeugt, der sowohl zum Entfernen der Verschmutzung als auch zum Entfernen des Basismaterials des Bauteils geeignet ist. Alternativ kann die Laserstrahleinrichtung verstellbar sein und während des Arbeitslaufs automatisch verstellt werden, um zunächst die Oberfläche zu reinigen, anschließend den Laserstrahl hinsichtlich bestimmter Parameter zu verstellen und mit dem neu eingestellten Laserstrahl die gereinigte Oberfläche des Basismaterials zu strukturieren. In der Alternative kann das Werkzeug in eine Arbeitsrichtung beispielsweise diskontinuierlich fortschreitend bewegt werden, um nacheinander am gleichen Ort verharrend die Oberfläche zu reinigen und dann die gereinigte Oberfläche zu strukturieren, bevor das Werkzeug in die Arbeitsrichtung weiterbewegt wird. Da bei entsprechender Energiedichte des Lasers die Reinigung sehr rasch ausgeführt werden kann, können das Reinigen und das Oberflächenstrukturieren stattdessen aber auch nacheinander im Verlauf einer kontinuierlichen Bewegung des Werkzeugs in Arbeitsrichtung vorgenommen werden. Dies entspricht der Vorzugsvariante, in der wiederum der Laserstrahl bevorzugt so eingestellt ist, dass ohne Verstellung gereinigt und strukturiert werden kann.
Falls die Oberfläche durch Strukturierung vergrößert wird, weist das kombinierte Klebe- und Klebevorbereitungswerkzeug auf dem Träger die Laserstrahleinrichtung für das Strukturieren und die Auftragseinrichtung zum Auftragen des Klebstoffs auf. Die Laserstrahleinrichtung für das Strukturieren bildet wie gesagt vorzugsweise auch gleichzeitig die Laserstrahleinrichtung für das Reinigen. Werden das Reinigen und das Strukturieren mittels unterschiedlicher Laserstrahleinrichtungen ausgeführt, kann die Laserstrahleinrichtung für das Reinigen der Laserstrahleinrichtung für das Strukturieren vorlaufend auf dem gleichen Träger oder alternativ auf einem eigenen, vom Kombinationswerkzeug separaten Träger angeordnet sein. In noch einer Alternative wird das Werkzeug in einem ersten Arbeitslauf über die zu reinigende Oberfläche bewegt, um die Klebefläche von Verschmutzungen zu befreien. Nach diesem Reinigungsschritt wird die Laserstrahleinrichtung verstellt, um einen für das Strukturieren optimierten Laserstrahl zu erzeugen, mit dem in einem zweiten Arbeitslauf auf die gereinigte Klebefläche strukturierend eingewirkt wird.
Das Auftragen des Klebstoffs im gleichen Arbeitslauf mit dem Vorbereiten der Oberfläche geht mit einer erheblichen Zeitersparnis einher. Die Ausführung beider Operationen, zum einen das Reinigen oder Strukturieren und zum anderen der Klebstoffauftrag, wird überhaupt erst durch die Berührungslosigkeit des Reinigungs- oder Strukturierungsverfahrens ermöglicht. Die Anordnung der Laserstrahleinrichtung und der Auftragseinrichtung an einem gemeinsamen Träger bringt gegenüber einem gemeinsamen Arbeitslauf mit zwei separaten Werkzeugen, einem Reinigungs- oder Strukturierwerkzeug einerseits und einem Klebstoffauftragswerkzeug andererseits, zusätzlich eine Vereinfachung, da nur ein einziger Aktor gesteuert oder geregelt werden muss, wohingegen beim gleichzeitigen Bearbeiten mit zwei Aktoren doppelter Aufwand in dieser Richtung betrieben werden muss. Alternativ zur Anordnung auf einem gemeinsamen Träger kann die Laserstrahleinrichtung auf einem ersten Träger und die Auftragseinrichtung auf einem separaten zweiten Träger angeordnet sein, wobei diese beiden separaten Träger allerdings an einem gemeinsamen Aktor befestigt oder befestigbar sind. Die Anordnung auf einem gemeinsamen Träger bringt jedoch eine Vereinfachung und dadurch eine Zeitersparnis beim An- und Abdocken des Werkzeugs mit sich, da zwei getrennte Träger im Allgemeinen ein Andocken der separaten Werkzeuge nacheinander erfordert, und ebenso ein nacheinander erfolgendes Abdocken im Falle eines Werkzeugwechsels. Die Erfindung betrifft grundsätzlich jedoch auch einen Aktor, an dem entweder ein kombiniertes Klebe- und Klebevorbereitungswerkzeug nach der Erfindung oder gleichzeitig ein Klebewerkzeug mit der Klebstoff-Auftragseinrichtung und ein separat befestigbares Klebevorbereitungswerkzeug mit der Laserstrahleinrichtung angeordnet sind, so dass in einem einzigen Arbeitslauf eines einzigen Aktors die Klebevorbereitung und der Klebstoffauftrag durchgeführt werden können.
Die Auftragseinrichtung umfasst in bevorzugten Ausführungen eine Düse zum Ablegen oder, noch bevorzugter, zum Aufspritzen des Klebstoffs. Der Vorteil einer Auftragseinrichtung zum Aufspritzen ist, dass die Düse von der Klebefläche erheblich weiter entfernt sein kann, als bei Verwendung einer Auftragseinrichtung zum Ablegen des Klebstoffs. Eine Spritzdüse kann beispielsweise 10 bis 30 mm vom Auftragsort entfernt über die Klebefläche geführt werden. Dies kann in Abhängigkeit von der Bauteilgeometrie von erheblichem Vorteil sein, umgekehrt muss beim Entwurf des Bauteils in geringerem Maße auf die Zugänglichkeit der späteren Klebefläche(n) geachtet werden.
Die Laserstrahleinrichtung kann dazu eingerichtet sein, einen Laserstrahl von im Wesentlichen quer zur Arbeitsrichtung des Aktors gemessenen Breite des Klebebereichs zu erzeugen, also einen streifen- oder linienförmigen Laserstrahl. Falls die Breite des Klebebereichs variiert, kann die Laserstrahleinrichtung in entsprechender Weise verstellbar sein, um die Breite des Laserstrahls verstellen zu können. Bevorzugter wird die Laserstrahleinrichtung in einem Scanbetrieb über die Klebefläche bewegt. Der Laserstrahl ist in derartigen Ausführungen punktförmig mit einer Querschnittsfläche am Auftreffort auf der Klebefläche von höchstens 1 mm² bevorzugt weist der Laserspot am Auftragsort einen Durchmesser von weniger als 1 mm, bevorzugt höchstens 600 μm auf. Der Laserstrahl wird im Scanbetrieb quer zur Arbeitsrichtung des Aktors hin und her bewegt, scannt somit den Klebebereich, so dass sich bei Bewegung des Aktors in Arbeitsrichtung eine Zickzackbewegung mit in Arbeitsrichtung eng aufeinander folgenden Linien ergibt. Ein kleiner Laserspot verbunden mit einer kurzen Laserpulsdauer im Nanosekundenbereich oder bevorzugt im Pikosekundenbereich und ferner verbunden mit einer auf die Wiederholfrequenz des Lasers angepassten Fortschrittsgeschwindigkeit des Aktors in Arbeitsrichtung ist vorteilhaft für die Feinstrukturierung der Klebefläche. Um in einer Serienfertigung eine möglichst kurze Taktzeit zu erreichen, sollten die Laserpulsfrequenz und daran angepasst die Fortschrittsgeschwindigkeit des Aktors in Arbeitsrichtung und die Quergeschwindigkeit des scannenden Laserstrahls möglichst hoch sein. So sind heutzutage beispielsweise Scanngeschwindigkeiten von 800 m/s möglich. Mit einer Laserpulsdauer im Pikosekundenbereich, einer Frequenz von wenigstens 10 MHz, bevorzguter wenigstens 20 MHz, und einer Quergeschwindigkeit von wenigstens 100 m/s, vorzugsweise wenigstens 400 m/s, kann ein Oberflächenrelief im Mikro- oder Nanometerbereich erzeugt werden, wie dies für die Strukturierung und damit einhergehend die Oberflächenvergrößerung bevorzugt wird.
Um die Querbewegung des Laserstrahls zu erzeugen, kann die Laserstrahleinrichtung im Ganzen am Träger beweglich angeordnet sein. Bevorzugter ist nur die Laseroptik oder ein Teil der Laseroptik, beispielsweise ein Reflektor und eine Ausgangslinse, hin und her schwenkbeweglich, um die Querbewegung des Laserstrahls zu erzeugen. Für die Erzeugung der Querbewegungen ist auf dem Träger, bevorzugt innerhalb der Laserstrahleinrichtung, ein entsprechender Antrieb angeordnet.
In noch einem anderen Aspekt hat die Erfindung ein Verfahren zum Kleben von Bauteilen zum Gegenstand, bei dem ein erstes Bauteil und ein zweites Bauteil mittels eines Klebstoffs miteinander gefügt werden und mittels eines Laserstrahls im Klebstoff ein Härtungsprozess bewirkt wird, beispielsweise eine Aktivierung des Klebstoffs. Muss eines der Bauteile in seinem Fügebereich vom Laserstrahl durchstrahlt werden, damit dieser im Klebstoff den Härtungsprozess bewirken kann, so ist das betreffende Bauteil zumindest in dem Fügebereich, d. h. in seinem Klebebereich, für den Laserstrahl durchlässig, vorzugsweise transparent. Das Bauteil kann im Übrigen ebenfalls im Wellenlängenbereich des Lasers durchlässig sein, erforderlich ist dies jedoch nicht, d. h. die Durchlässigkeit kann auf den Klebebereich beschränkt sein. Das Laserhärten kommt in bevorzugten Ausführungen in Kombination mit dem vorstehend geschilderten Klebevorbereitungs- und Klebstoffauftragsprozess zum Einsatz, wobei zwischen dem Klebstoffauftrag und dem Härten, beispielsweise nur Aktivieren des Klebstoffs, ein Fügeprozess durchgeführt wird, in dem die Bauteile mit ihren gereinigten, vorzugsweise strukturierten Klebebereichen aneinander gefügt und im gefügten Zustand relativ zueinander gespannt werden, wobei das Spannen auch nur in einem Halten der Bauteile relativ zueinander in der Fügeposition bestehen kann. Durch das Laserhärten wird die Klebeverbindung vorteilhafterweise soweit gefestigt, dass die gefügten Bauteile unmittelbar nach dem Laserhärten bereits aus dem Fixierwerkzeug genommen und weiter ausgehärtet werden können, entweder durch Selbstaushärtung oder eine nachträgliche Behandlung.
Unter dem weiteren Aspekt hat die Erfindung auch ein Laserwerkzeug zum Gegenstand, das einen Träger aufweist, der an einem positionsgesteuert oder -geregelt im Raum beweglichen Aktor befestigbar oder befestigt ist, wobei hinsichtlich des Trägers und des Aktors die vorstehend zum Klebe- und Klebevorbereitungswerkzeug gemachten Ausführungen gelten, sieht man einmal von der Laserstrahleinrichtung und der Klebstoff-Auftragseinrichtung ab. Auf dem Träger ist eine Laserstrahleinrichtung zum Abstrahlen eines für die Härtung des Klebstoffs geeigneten Laserstrahls angeordnet. Die Erfindung betrifft nun speziell die Verwendung solch eines Laserwerkzeugs beim Kleben von Bauteilen, nämlich zum Härten des Klebstoffs. Bevorzugt gelangen das Kombinationswerkzeug und das Laserhärtungswerkzeug nacheinander bei den gleichen Bauteilen bzw. dem gleichen Bauteilverbund zum Einsatz.
In einer Weiterentwicklung weist das Laserhärtungswerkzeug einen Temperatursensor zum berührungslosen Erfassen der Temperatur des mittels des Laserstrahls aktivierten oder sonst wie zum Härten gebrachten Klebstoffs auf. Mittels des Temperatursensors wird in Echtzeit unmittelbar am Wirkort des Laserstrahls, zeitgleich mit dem Einwirken des Laserstrahls die Temperatur des Klebstoffs erfasst. Der Temperatursensor kann beispielsweise in unmittelbarer Nähe einer Laserstrahl-Ausgangslinse der Laserstrahleinrichtung angeordnet und in Richtung auf den Wirkort des Laserstrahls gerichtet sein, um dort die Temperatur zu messen. Der Temperatursensor kann alternativ auch im Strahlengang der Laserstrahleinrichtung angeordnet sein und die vom Einwirkort abgestrahlte elektromagnetische Strahlung erfassen. Bevorzugt erfasst der Sensor den Infrarotbereich. Der Temperatursensor kann beispielsweise als Wärmebildkamera gebildet sein.
In bevorzugten Ausführungen umfasst das Laserhärtungswerkzeug auf dem Träger oder separat vom Träger eine Steuerung für den Laser, der die Laserstrahlung erzeugt, um dessen Leistung in Abhängigkeit von einem Ausgangssignal des Temperatursensors, d. h. in Abhängigkeit von der mittels des Temperatursensors erfassten Temperatur zu regeln. Durch die Kombination einer Laserstrahlregelung mit einem die Temperatur am Wirkort erfassenden Temperatursensor ist eine sehr präzise Einstellung des Härtungsprozesses möglich, da die Laserleistung flexibel und insbesondere sehr rasch den jeweiligen Verhältnissen am Wirkort angepasst werden kann. Eine vergleichbare Anpassung ist mit einer beispielsweise auf elektromagnetischer Induktion oder der Beaufschlagung mit Heißgas beruhenden Härtungseinrichtung nicht möglich.
Die Erfindung eignet sich insbesondere zum Fügen von Kunststoffteilen, also Bauteilen die gänzlich aus Kunststoff oder einem Kunststoffverbundwerkstoff, beispielsweise Faserverbundwerkstoff, bestehen. Sie eignet sich vorteilhafterweise aber auch für das Fügen von metallischen Bauteilen, ferner auch für das Fügen unterschiedlicher Materialien, beispielsweise Kunststoff mit Metall. So können auch Bauteile miteinander gefügt werden, die selbst bereits Verbundteile aus beispielsweise einer metallischen Basisstruktur und einem Klebebereich aus Kunststoff sind. Die Erfindung ist hinsichtlich des Materials der Bauteile grundsätzlich aber auf kein Material beschränkt, also auch nicht auf Kunststoff oder Metall. Erfindungsgemäß gereinigt und miteinander verklebt werden können beispielsweise auch Kunststoff- und Glasteile oder Metall- und Glasteile.
Weitere Vorteile der Erfindung werden auch in den Unteransprüchen und deren Kombinationen beschrieben.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Figuren erläutert. An dem Ausführungsbeispiel offenbar werdende Merkmale bilden je einzeln und in jeder Merkmalskombination die Gegenstände der Ansprüche und auch die vorstehend beschriebenen Ausgestaltungen vorteilhaft weiter. Es zeigen:
1 zwei zu fügende Bauteile mit zu reinigenden Klebebereichen,
2 ein Klebe- und Klebevorbereitungswerkzeug beim zeitgleichen Reinigen einer Klebefläche und Auftragen eines Klebstoffs und
3 ein Laserwerkzeug beim Härten des Klebstoffs der relativ zueinander in einer Fügeposition fixierten Bauteile.
1 zeigt ein erstes Bauteil 1 mit einem Klebebereich 3 und ein zweites Bauteil 2 mit einem Klebebereich 4 für die Herstellung eines Bauteilklebeverbunds. Die Bauteile 1 und 2 sind lediglich beispielhaft als Platten und die Klebebereiche 3 und 4 als streifenförmige Klebeflächen 5 am jeweiligen Plattenrand dargestellt. Im herzustellenden Bauteilverbund liegen die Bauteile 1 und 2 mit ihren Klebeflächen 5 aufeinander, wobei zwischen den Klebeflächen 5 eine Klebstoffschicht sich befindet.
2 zeigt einen Klebstoffauftrag, der zeitgleich mit einer Oberflächenvorbereitung unter Verwendung eines kombinierten Klebe- und Klebevorbereitungswerkzeugs 10 durchgeführt wird. Das Werkzeug 10 wird in einer Arbeitsrichtung X über die Klebefläche 5 des Bauteils 1 geführt und ist hierzu an einem positionsgesteuerten Aktor 11, im Ausführungsbeispiel das Ende eines Roboterarms, befestigt. Der Aktor 11 fährt die Klebefläche 5 in Arbeitsrichtung X ab. Eine Aktorsteuerung oder -regelung sorgt dafür, dass der Aktor 11 das Werkzeug 10 längs der Klebefläche 5 bewegt und dabei einen vorgegebenen Abstand zur Klebefläche 5 einhält.
Das Werkzeug 10 umfasst einen Träger 12 mit einer Kupplung 12a für ein automatisches Andocken und Andocken an den und von dem Aktor 11, der hierfür mit einer Gegenkupplung 11a ausgestattet ist. Auf dem Träger 12 sind eine Laserstrahleinrichtung 13 und eine Klebstoff-Auftragseinrichtung 14 in Arbeitsrichtung X in einem geringen Abstand hintereinander angeordnet, so dass die Auftragseinrichtung 14 in Arbeitsrichtung X, d. h. in Fortschrittsrichtung längs des Klebebereichs 3 gesehen, der Laserstrahleinrichtung 13 folgt. Die Auftragseinrichtung 14 ist eine Spritzeinrichtung mit einer Spritzdüse 19. Ein Klebstoff 9 wird durch die Spritzdüse 19 aus einiger Entfernung, vorzugsweise aus einer Entfernung von 10 bis 30 mm, auf die vorbereitete Klebefläche gespritzt, so dass sich auf dieser eine Klebstoffraupe 9' bildet.
Die Laserstrahleinrichtung 13 läuft der Auftragseinrichtung 14 wie gesagt in einem geringen Abstand voraus. Mittels der Laserstrahleinrichtung 13 wird die Klebefläche 5 unmittelbar vor dem Klebstoffauftrag gründlich gereinigt, indem ein Laserstrahl 8 über die Klebefläche 5 bewegt wird und dabei an der Klebefläche 5 haftende Verschmutzungen entfernt, vorzugsweise durch Verdampfen. Die Laserstrahleinrichtung 13 umfasst eine Steuerungseinrichtung 15, einen nicht dargestellten Lichtwellenleiteranschluss und eine bewegliche Laserstrahloptik, von der symbolhaft nur ein Reflektor 16 und eine Ausgangslinse 17 dargestellt sind. Ferner umfasst die Laserstrahleinrichtung 13 einen Antriebsmotor 18 zur Erzeugung einer hin- und hergehenden Scannbewegung des Laserstrahls 8. Die Scannbewegung erfolgt quer zur Arbeitsrichtung X in die Querrichtung Y. Die Laserstrahloptik 16, 17 ist schwenkbeweglich und wird mittels des Antriebsmotors 18 entsprechend hin- und hergeschwenkt, so dass sich die Querbewegung in Y-Richtung ergibt, während der Aktor 11 das Werkzeug 10 in die Arbeitsrichtung X bewegt. Es ergibt sich somit eine zickzackförmige Bewegung des Laserstrahls 8 bzw. des Auftrefforts des Laserstrahls 8 auf der Klebefläche 5. Die Geschwindigkeit der Querbewegung ist im Vergleich zur Arbeitsgeschwindigkeit sehr hoch, so dass auf der Klebefläche 5 haftende Verschmutzungen flächendeckend äußerst gründlich durch das Einwirken des Laserstrahls 8 entfernt werden.
Die Laserstrahleinrichtung 13 oder die nicht dargestellte und vorzugsweise auch nicht auf dem Träger 12 angeordnete Laserquelle sind in bevorzugter Ausführung so eingestellt, dass mittels des Laserstrahls 8 nicht nur die Verschmutzungen entfernt, sondern die durch diesen Reinigungsprozess freigelegte Klebefläche 5 auch gleich fein strukturiert wird, so dass ihre wirksame Fläche, die wirksame Oberfläche des Klebebereichs 3, stark vergrößert wird. Die strukturierte Oberfläche ist mit dem Bezugszeichen 6 bezeichnet. Durch die Einwirkung des Laserstrahls 8 wird eine fein zerklüftete Oberfläche bzw. Klebefläche 6 erhalten. Auf diese strukturierte Klebefläche 6 wird der Klebstoff 9 unmittelbar nach dem Reinigen und Strukturieren aufgespritzt. Hieraus ergibt sich nicht nur eine erhebliche Zeitersparnis im Vergleich mit einer Klebevorbereitung mittels eines Waschprozesses, sondern wegen der Unmittelbarkeit des Aufeinanderfolgens kann auch höchste Reinheit gewährleistet werden. Aufgrund der durch das Strukturieren erzielten Oberflächenvergrößerung, die vorteilhafterweise soweit geht, dass die strukturierten Klebeflächen 6 der Bauteile 1 und 2 im aneinander gefügten Zustand bereits ohne Klebstoff aneinander haften würden, kann die Klebekraft der herzustellenden Klebeverbindung erhöht oder die quer zur Arbeitsrichtung X gemessenen Breite der Klebebereiche 3 und 4 oder die Menge des aufzutragenden Klebstoffs 9 verringert werden. Es kann auch ein Kompromiss durch Verwirklichung von zwei oder aller drei dieser Maßnahmen mit Vorteil verwirklicht werden.
3 zeigt ein Laserwerkzeug 2, das zum Härten einer im Klebebereich der Bauteile 1 und 2 befindlichen Klebstoffschicht 9'' verwendet wird. Die Bauteile 1 und 2 wurden in ihren einander überlappenden Klebebereichen 3 und 4 auf erfindungsgemäße Art gereinigt und vorzugsweise je mit einer strukturierten Klebefläche 6 versehen. Vorteilhafterweise wurden die Klebevorbereitung und der Klebstoffauftrag mittels des kombinierten Klebe- und Klebevorreitungswerkzeugs 10 durchgeführt. Zwischen dem Klebstoffauftrag und dem Härten wurden die Bauteile 1 und 2 in der in 3 dargestellten Position relativ zueinander positioniert und fixiert.
Das Laserwerkzeug 20 führt nun in Arbeitsrichtung X fortschreitend den gefügten Klebebereich 3, 4 ab und bringt dabei im Klebstoff 9 die Energie eines Laserstrahls 28 zur Wirkung. Der Laserstrahl 28 kann am Wirkort punktförmig sein, wobei in bevorzugter Ausführung eine Laserstrahleinrichtung 23 zum Einsatz gelangen kann, die wie die Laserstrahleinrichtung 13 im Scannbetrieb quer zur Arbeitsrichtung X bewegt wird. Für das Harten kann es allerdings auch vorteilhaft sein, wenn die Laserstrahleinrichtung 23 eine Formungseinrichtung zur Formung eines streifen- oder linienförmigen Laserstrahls 28' aufweist, der entsprechend eine geringere Energiedichte aufweist, dafür aber relativ zum Träger 22 unbeweglich angeordnet ist. Eine derartige Laserstrahleinrichtung 23 ist in 4 dargestellt. Der linienhafte Lasertrahl 28' weist eine in Y-Richtung gemessene Breite auf, die der Breite der Klebstoffschicht 9'' vorzugsweise zumindest im Wesentlichen entspricht.
Die Laserstrahleinrichtungen 23 der 3 und 4 weisen den gleichen Aufbau wie die Laserstrahleinrichtung 13 auf. Sie umfassen jeweils eine Steuerungseinrichtung 25, einen nicht dargestellten Lichtwellenleiteranschluss und eine Laserabstrahloptik mit einem symbolhaft dargestellten Reflektor 26 und einer Ausgangslinse 27.
Im Strahlengang des Laserlichts ist von der Ausgangslinse 27 aus gesehen hinter dem Reflektor 26 ein Temperatursensor 29 angeordnet. Der Temperatursensor 29 erfasst die von der Klebstoffschicht 9'' am Ort der Lasereinwirkung ausgehende Strahlung. Er kann insbesondere als Infrarotsensor gebildet sein. Alternativ zu dem im Strahlengang angeordneten Temperatursensor 29 oder diesen ergänzend kann in der Nähe der Ausgangslinse 27 ein Temperatursensor 29' angeordnet sein, wie in 4 angedeutet, und ergänzend zu dem oder anstelle des Temperatursensor(s) 29 die Temperatur des Klebstoffs 9 am Wirkort erfassen.
Der Temperatursensor 29 oder 29' ist mit einer nicht dargestellten Regelungseinrichtung für die Regelung der Leistung der Laserquelle verbunden, die wie die Laserquelle der Klebevorbereitung vorzugsweise separat vom Träger 22 an anderer Stelle angeordnet ist, beispielsweise nahe der Steuerung für den Aktor. Die Kupplung 22a des Trägers 22 kann wie auch die Kupplung 11a im Falle des Klebe- und Klebevorbereitungswerkzeugs 10 nicht nur der mechanischen Befestigung an der Kupplung des Aktors, sondern gleichzeitig auch als Anschluss für die Zuführung des Laserlichts oder der Energie für den Betrieb der Laserstrahleinrichtung 23 oder der signaltechnischen Versorgung der Laserstrahleinrichtung 23 dienen. Das Ausgangssignal des Temperatursensors 29 oder 29', die erfasste Klebstofftemperatur oder eine aussagekräfte Ersatztemperatur für diese, wird der Laserregelung zugeführt, die in Abhängigkeit von der erfassten Temperatur die Leistung der Laserquelle regelt. Im Ergebnis wird ein im Vergleich zu herkömmlichen Härtungsverfahren, wie beispielsweise Induktionshärtung oder Heißgashärtung, präzise und sensibel, d. h. auf Temperaturänderung rasch reagierendes Härtungswerkzeug 20 erhalten. Die Steuerungseinrichtung 25 kann bei dem Laserhärtungswerkzeug 20 entfallen, wenn dieses nicht für den Scannbetrieb ausgelegt ist. Andererseits kann eine auf dem Träger 22 befindliche Steuerungseinrichtung 25 von Vorteil sein, um beispielsweise den Fokus des Laserstrahls 28 oder 28' oder die Größe des Laserspots oder die Breite der Laserlinie am Wirkort zu variieren.

1: Bauteil
2: Bauteil
3: Klebebereich
4: Klebebereich
5: Klebefläche
6: Klebefläche, gereinigt und strukturiert
7
8: Laserstrahl
9: Klebstoff
9': Klebstoffraupe
9'': Klebstoffschicht
10: Klebe- und Klebevorbereitungswerkzeug
11: Aktor
11a: Aktorkupplung
12: Träger
12a: Trägerkupplung
13: Laserstrahleinrichtung
14: Klebstoff-Auftragseinrichtung
15: Steuerungseinrichtung
16: Reflektor
17: Ausgangslinse
18: Antriebsmotor
19: Klebstoffauftragsdüse
20: Laserhärtungswerkzeug
21
22: Träger
22a: Kupplung
23: Laserstrahleinrichtung
24
25: Steuerungseinrichtung
26: Reflektor
27: Ausgangslinse
28: Laserstrahl
28': Laserstrahl
29: Temperatursensor
29': Termperatursensor
X: Arbeitsrichtung
Y: Querrichtung

Claims

Verfahren zum Kleben von Bauteilen, bei dem a) ein erstes Bauteil (1) und ein zweites Bauteil (2) jeweils in einem Klebebereich (3, 4) an ihrer Oberfläche (5) gereinigt b) und auf die gereinigte Oberfläche (5; 6) wenigstens eines der Bauteile (1, 2) ein Klebstoff (9) aufgetragen wird, c) wobei die Oberfläche (5) im Klebebereich (4) des ersten Bauteils (1) mittels wenigstens eines Laserstrahls (8) von anhaftender Verschmutzung (7) gereinigt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Oberfläche (5) im Klebebereich (4) des ersten Bauteils (1) mittels des Laserstrahls (8) oder eines weiteren Laserstrahls strukturiert und dadurch vergrößert wird, vorzugsweise um wenigstens den Faktor 2.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Oberfläche (5) im Klebebereich (4) auch des zweiten Bauteils (2) mittels eines Laserstrahls (8) oder eines weiteren Laserstrahls von anhaftender Verschmutzung (7) gereinigt, vorzugsweise auch strukturiert und dadurch vergrößert wird, vorzugsweise um wenigstens den Faktor 2.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Oberfläche (5) im Klebebereich (3, 4) des ersten und des zweiten Bauteils (1, 2) durch das Strukturieren in eine selbsthaftende Oberfläche (6) verwandelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Laserstrahl (8) mittels eines gepulsten Lasers erzeugt wird, vorzugsweise eines Nanosekunden- oder Pikosekunden-Lasers.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Laserstrahl (8) oder der weitere Laserstrahl am Ort des Auftreffens auf der Oberfläche (5) des Bauteils (1, 2) für die Strukturierung eine Querschnittsfläche mit einer Länge oder Breite von höchstens 1 mm, vorzugsweise höchstens 600 μm, aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem unmittelbar auf den Laserstrahl (8) folgend der Klebstoff (9) auf die gereinigte Oberfläche (5; 6) aufgetragen, vorzugsweise aufgespritzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Klebstoff (9) auf die gereinigte Oberfläche (5; 6) aufgetragen, vorzugsweise aufgespritzt, die Bauteile (1, 2) mit ihren Klebebereichen (3, 4) überlappend gefügt und im Klebstoff (9) mittels eines Laserstrahls (28; 28') ein Härtungsprozess bewirkt wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem wenigstens eines der Bauteile (1, 2) zumindest im Klebebereich (3, 4) für den zum Härten verwendeten Laserstrahl (28; 28') durchlässig, vorzugsweise transparent ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem wenigstens eines der Bauteile (1, 2) zumindest an der Oberfläche (5; 6) im Klebebereich (3, 4) aus Kunststoff oder einem Kunststoffverbundwerkstoff besteht.
Klebe- und Klebevorbereitungswerkzeug, umfassend a) einen Träger (12), der an einem positionsgesteuert oder -geregelt im Raum beweglichen Aktor (11) befestigbar oder befestgt ist, b) eine auf dem Träger (12) angeordnete Laserstrahleinrichtung (13) zum Abstrahlen eines der Klebevorbereitung, nämlich Reinigung oder Strukturierung, einer Oberfläche (5) eines Bauteils (1, 2) dienenden Laserstrahls (8), c) und eine auf dem Träger (12) angeordnete Auftragseinrichtung (14) zum Auftragen eines Klebstoffs (9) auf die mittels des Laserstrahls (8) vorbereitete Oberfläche (5; 6), strahls (8) dem Auftragsort des Klebstoffs (9) vorausläuft, wenn das Werkzeug (10) in eine Arbeitsrichtung (X) über die Oberfläche (5) bewegt wird.
Klebe- und Klebevorbereitungswerkzeug nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Auftragseinrichtung (14) eine Düse (19) zum Aufspritzen oder Ablegen des Klebstoffs (9) umfasst.
Klebe- und Klebevorbereitungswerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahleinrichtung (13) im Ganzen oder zumindest ein Teil einer Laserstrahloptik (16, 17) der Laserstrahleinrichtung (13) relativ zum Träger (12) mittels eines auf dem Träger (12) angeordneten Antriebs (18) beweglich ist, so dass der Laserstrahl (8) relativ zum Träger (12) in eine Richtung (Y) quer zur Arbeitsrichtung (X) hin und her bewegbar ist.
Laserwerkzeug, umfassend a) einen Träger (22), der an einem positionsgesteuert oder -geregelt im Raum beweglichen Aktor befestigbar oder befestgt ist, b) eine auf dem Träger (22) angeordnete Laserstrahleinrichtung (23) zum Abstrahlen eines Laserstrahls (28; 28'), c) wobei das Laserwerkzeug (20) beim Kleben von Bauteilen (1, 2) zum Härten eines Klebstoffs (9'') verwendet wird.
Laserwerkzeug nach dem vorhergehenden Anspruch, umfassend einen Temperatursensor (29; 29'), vorzugsweise Infrarot-Sensor, zum berührungslosen Erfassen der Temperatur des Klebstoffs (9'') am Wirkort des Laserstrahls (28; 28').
Laserwerkzeug nach dem vorhergehenden Anspruch, umfassend eine Regeleinrichtung, mittels der die Leistung einer mit der Laserstrahleinrichtung (23) verbundenen Laserquelle in Abhängigkeit von der mittels des Temperatursensors (29; 29') erfassten Temperatur regelbar ist.
Verfahren zum Kleben von Bauteilen, vorzugsweise nach einem der Ansprüche 1–10, bei dem a) ein erstes Bauteil (1) und ein zweites Bauteil (2) mittels eines Klebstoffs (9'') miteinander gefügt werden b) und mittels eines Laserstrahls (28; 28') im Klebstoff (9'') ein Härtungsprozess bewirkt wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem (i) die Bauteile (1, 2) mittels eines Klebe- und Klebevorbereitungswerkzeugs (10) nach einem der Ansprüche 11 bis 13 für das Kleben vorbereitet und der Klebstoff (9) in einem Klebebereich (3, 4) eines der Bauteile (1, 2) aufgetragen wird, (ii) die Bauteile (1, 2) relativ zueinander in einer Fügeposition positioniert und fixiert werden, so dass die Klebebereiche (3, 4) der Bauteile (1, 2) überlappen, (iii) und der Härtungsprozess mittels eines Laserwerkzeugs (20) nach einem der Ansprüche 14 bis 16 bewirkt wird