DE102010040931A1 - Vorrichtung zur Nachbearbeitung von zwei Bauteilen sowie Verfahren - Google Patents

Vorrichtung zur Nachbearbeitung von zwei Bauteilen sowie Verfahren Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (10) zur Nachbearbeitung von zwei Bauteilen (14, 18), insbesondere um deren passgenaues Zusammenfügen zu ermöglichen, wobei die Bauteile (14, 18) mit einem faserverstärkten Kunststoffmaterial gebildet sind. Erfindungsgemäß sind Abweichungen (40) zwischen einer Sollkontur 36 und einer Istkontur (34, 38) mittels eines Laserkopfes 26 erfassbar und im Fall von Abweichungen (40) ist mit Hilfe des Laserkopfes (26) zugleich Material von mindestens einem der Bauteile (14, 18) abtragbar. Da mittels des Laserkopfes (26) etwaige Abweichungen messbar sind und diese zugleich durch einen definierten Materialabtrag zu beseitigen sind, ergibt sich im Vergleich zu konventionellen Anpassmethoden ein erheblicher Zeitgewinn. Daneben betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Nachbearbeitung von zwei Bauteilen (14, 18), insbesondere um deren passgenaues Fügen zu ermöglichen.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Nachbearbeitung von zwei Bauteilen, insbesondere um deren passgenaues Zusammenfügen zu ermöglichen, wobei die Bauteile mit einem faserverstärkten Kunststoffmaterial gebildet sind.
  • Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Nachbearbeitung von zwei Bauteilen, insbesondere um deren passgenaues Fügen zu ermöglichen, wobei die Bauteile mit einem faserverstärkten Kunststoffmaterial gebildet sind.
  • Im modernen Flugzeugbau finden neben klassischen metallischen Materialien, wie zum Beispiel Aluminiumlegierungen und Titanlegierungen, im Strukturbereich zunehmend Komponenten Verwendung, die mit faserverstärkten Kunststoffmaterialien gebildet sind. Hierdurch ergibt sich ein hohes Gewichtseinsparungspotential, das unter anderem zu reduzierten Kraftstoffverbräuchen im Flugbetrieb führt. Darüber hinaus weisen Kunststoffmaterialien im Vergleich zu metallischen Werkstoffen eine erhöhte Korrosions- und Ermüdungsfestigkeit auf, wodurch der Wartungsaufwand signifikant reduziert werden kann. Als Kunststoffmaterialien kommen im Strukturbereich vor allem kohlefaser- oder glasfaserverstärkte thermoplastische oder duroplastische Hochleistungskunststoffe zum Einsatz. Ein Nachteil von faserverstärkten Kunststoffbauteilen ist, dass nach dem Zusammenfügen von zwei Bauteilen nur geringe Eigenspannungen durch den Zusammenbau entstehen dürfen. Dies bedeutet, dass die zu fügenden Bauteile mit einer sehr hohen Passgenauigkeit hergestellt werden müssen.
  • Die Großserienfertigung faserverstärkter Kunststoffbauteile ist jedoch nach wie vor mit erheblichen Schwierigkeiten behaftet. So verfügen die Kunststoffbauteile in vielen Fällen nicht über eine hinreichend reproduzierbare Maßhaltigkeit, um sie unmittelbar spannungsfrei fügen zu können. Demzufolge müssen die zu verbindenden Teile in vielen Fällen einer aufwändigen Nachbearbeitung unterzogen werden. Hierbei wird in den Bereichen der Bauteile, in denen die Passgenauigkeit für den Fügeprozess nicht ausreichend ist, Material definiert abgetragen und anschließend die Passgenauigkeit zwischen den Bauteilen erneut geprüft. In vielen Fällen müssen diese Schritte mehrfach wiederholt werden, um eine hinreichende Genauigkeit im Trennstellenbereich zwischen den zu fügenden Bauteilen zu erzielen. Hierdurch ergibt sich ein erheblicher Zeit- und Kostenaufwand. Um überschüssiges Material im Trennstellenbereich definiert abtragen zu können, kommen in der Regel manuell geführte Diamant- oder Wasserstrahlwerkzeuge zum Einsatz, die nur über eine begrenzte Standzeit verfügen und die zu einer Überhitzung der Kunststoffmatrix der Bauteile führen können. Darüber hinaus bedingt der im Allgemeinen händisch durchgeführte Anpassungsprozess die latente Gefahr einer Beschädigung tragender Faserverstärkungsschichten, die wiederum aufwändige Reparaturarbeiten erfordert.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaffen, mittels derer zwei faserverstärkte Kunststoffbauteile in einem Arbeitsschritt, bei zugleich geringem Werkzeugverschleiß und hoher Genauigkeit, aneinander angepasst werden können, um insbesondere eine spätere spalt- und spannungsfreie Fügung zu ermöglichen. Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung ein Verfahren, insbesondere unter Zuhilfenahme einer solchen Vorrichtung, anzugeben.
  • Die erfindungsgemäße Aufgabe wird zunächst durch eine Vorrichtung nach Maßgabe des Patentanspruchs 1 gelöst.
  • Dadurch, dass Abweichungen zwischen einer Sollkontur und einer Istkontur mittels eines Laserkopfes erfassbar und im Fall von Abweichungen mithilfe des Laserkopfes zugleich Material von mindestens einem der Bauteile abtragbar ist, können die Bauteile sehr schnell und mit hoher Genauigkeit in einer weitgehend automatisch ablaufenden Mess- und Abtragsprozedur aneinander angepasst werden, so dass eine spannungs- und spaltfreie Fügung der beiden Bauteile möglich ist. Beide Bauteile sind mit faserverstärkten thermoplastischen oder duroplastischen Kunststoffmaterialien gebildet. Als Faserverstärkung finden in der Regel Kohlefasern, Aramidfasern oder Glasfasern Verwendung.
  • Vorzugsweise verfügt der Laserkopf über mindestens zwei Messlaser und eine UV-Lasereinheit zum Materialabtrag. Die Messlaser arbeiten beispielsweise im Bereich des sichtbaren Rotlichts mit einer Wellenlänge von etwa 632 nm, während die UV-Lasereinheit einen intensiven, d. h. starken UV-Laserstrahl im Bereich von etwa 335 nm emittiert. Der Laserkopf wird mittels einer Positioniereinrichtung, kontrolliert von einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung (CNC-Steuerung), mit hoher Genauigkeit parallel zu einer x-Achse oder parallel zu einer xy-Ebene bewegt und positioniert. Mittels der beiden Messlaser wird in jedem Messpunkt auf der x-Achse bzw. innerhalb der xy-Ebene zwischen den Bauteilen jeweils ein Abstand zwischen dem Messkopf und dem ersten (oberen) Bauteil und ein Abstand zwischen dem Messkopf und dem zweiten (unteren) Bauteil ermittelt. Ergibt sich hierbei eine Differenz, wird mittels der UV-Lasereinheit z. B. solange Material vom zweiten Bauteil an diesem Punkt abgetragen (erodiert), bis die Kontur des zweiten Bauteils an diesem Punkt der Kontur des oberen Bauteils an diesem Punkt entspricht. In dieser Konstellation repräsentiert die dreidimensionale Oberflächengeometrie des ersten Bauteils die Sollgeometrie, an die die Istgeometrie, das heißt die aktuelle dreidimensionale Oberflächengeometrie des zweiten Bauteils durch die Erosion von Material mittels der UV-Lasereinheit sukzessive angeglichen wird.
  • Alternativ kann die Sollgeometrie ein in der Steuer- und/oder Regeleinrichtung hinterlegtes dreidimensionales, rechnerisches Modell (s. g CAD-Modell) sein. In diesem Fall wird die dreidimensionale Oberflächengeometrie jedes der beiden Bauteile, das heißt die Istkonturen der beiden Bauteile, dieser numerisch vordefinierten, virtuellen Sollkontur angepasst. Um einen Materialabtrag an beiden Bauteilen zu ermöglichen, muss entweder die UV-Lasereinheit am Laserkopf um 180° schwenkbar sein oder es müssen zwei, jeweils unabhängig voneinander steuerbare UV-Lasereinheiten vorgesehen sein. Kann der Laserkopf lediglich entlang der x-Achse verfahren und positioniert werden, ist der Laserkopf mit Spiegeleinheiten ausgestattet, die es erlauben die Laserstrahlen der beiden Messlaser und den Laserstrahl der UV-Lasereinheit auch auf Oberflächenbereiche der Bauteile zu lenken, die neben der x-Achse liegen. Lässt sich hingegen der Laserkopf vollständig in der xy-Ebene zwischen den Bauteilen verfahren und positionieren, also in zwei Raumrichtungen bzw. Raumdimensionen, ist es in der Regel ausreichend, dass eine Spiegeleinheit zur räumlichen Ablenkung des Laserstrahls der UV-Lasereinheit vorgesehen ist. Hierdurch kann in einem ausreichend großen Flächenbereich des betroffenen Bauteils mittels der UV-Lasereinheit Material abgetragen werden. Nach dem einmaligen Abfahren der x-Achse bzw. der xy-Ebene zwischen den Bauteilen in einem vorgegebenen Rastermaß ist der Anpassungsprozess zwischen beiden Bauteilen beendet, so dass sich kurze Prozesszeiten ergeben.
  • Bei einer Weiterbildung der Vorrichtung ist vorgesehen, dass jedes Bauteil in einer Aufnahme in seiner Lage fixierbar ist.
  • Hierdurch ergeben sich fest definierte Raumkoordinaten der Bauteile in Relation zum Koordinatensystem des Laserkopfes.
  • Eine weitere Ausgestaltung der Vorrichtung sieht vor, dass der Laserkopf zum Materialabtrag mit einer UV-Lasereinheit mit einer Dauerleistung im Bereich zwischen 10 W und 250 W ausgestaltet ist.
  • Hierdurch ist zunächst ein verschleißfreier Materialabtrag an den Bauteilen möglich. Zugleich wird durch diese Prozessparameter eine thermische Zersetzung der Kunststoffmatrix oder der Faserverstärkung der Bauteile und eine hiermit einhergehende strukturelle Schwächung infolge zu hoher Werkzeugtemperaturen im Abtragsbereich vermieden. Um einen hinreichend großflächigen Abtragsbereich zu erreichen, wird der Laserstrahl der UV-Lasereinheit bevorzugt kontrolliert von der Steuer- und/oder Regeleinheit mittels einer Spiegeleinheit mit einer Geschwindigkeit von bis zu 10 m/s abgelenkt, so dass an verschiedenen Punkten auf der Oberfläche des Bauteils Material in exakt definierten Schichtdicken abtragbar ist.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Vorrichtung sieht vor, dass der Laserkopf mittels einer Positioniereinrichtung in mindestens einer Raumdimension zwischen den Bauteilen verfahrbar und positionierbar ist.
  • Dies ermöglicht die weitgehend automatische Vermessung der Bauteile und erforderlichenfalls das Abtragen von überschüssigem Material, wenn sich bei der Vermessung der Bauteile unzulässig hohe Abweichungen zwischen der Istkontur und der Sollkontur ergeben. Der Begriff des ”Verfahrens” definiert im Kontext der vorliegenden Beschreibung das schnelle Bewegen des Laserkopfes auf eine bestimmte Raumposition, während der Terminus des ”Positionierens” dessen genaue Ausrichtung nach dem Erreichen einer Grobposition nach dem Verfahren meint. Als Positioniereinrichtung können bekannte Handhabungseinrichtungen, wie zum Beispiel Knickarmroboter oder Portalroboter mit mehreren Freiheitsgraden zum Einsatz kommen, die bevorzugt gleichermaßen von der Steuer- und/oder Regeleinrichtung gesteuert und überwacht werden. Die notwendige Stufung des Rasters, in dem der Laserkopf mittels der Positioniereinrichtung zwischen den Bauteilen verfahren und positioniert wird, richtet sich hierbei nach den Toleranzanforderungen der zwischen den Bauteilen später herzustellenden Fügung und liegt vorzugsweise in einem Bereich zwischen 10 μm und 1 mm.
  • Nach Maßgabe einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Laserkopf mindestens zwei Messlaser aufweist, um Abweichungen erfassen zu können.
  • Mit Hilfe von zwei Messlasern kann beispielsweise zeitgleich die Abweichung einer Istkontur des zweiten Bauteils von der Istkontur eines ersten Bauteils erfasst werden. In dieser Konstellation gibt die Istkontur des ersten (oberen) Bauteils die Sollkontur für den Materialabtrag am zweiten Bauteil vor. Hierdurch werden kurze Prozesszeiten bis zur vollständigen Anpassung der Bauteile aneinander ermöglicht.
  • Eine Ausführung der Vorrichtung sieht vor, dass die UV-Lasereinheit im Laserkopf zum Materialabtrag Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von etwa 355 nm mit einer Pulslänge zwischen 10 ns und 1000 ns bei einer Frequenz zwischen 90 kHz und 330 kHz abgibt.
  • Hierdurch kann ein definierter Materialabtrag von den Bauteilen in einem Bereich zwischen 1 μm und 25 μm pro Laserimpuls realisiert werden. Der effektive Materialabtrag kann durch die geeignete Variation der vorstehend erwähnten Laser-Parameter der UV-Lasereinheit den jeweiligen verfahrenstechnischen Anforderungen hinsichtlich der Geschwindigkeit und/oder Dicke des Materialabtrags angepasst werden.
  • Nach Maßgabe einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die mindestens zwei Messlaser Laserstrahlung im sichtbaren Bereich, insbesondere im Bereich einer Wellenlänge von etwa 632 nm abgeben.
  • Hierdurch können zumindest für die beiden Messlaser leichte, kompakte und kostengünstige Halbleiterlaser zur Anwendung kommen.
  • Darüber hinaus wird die erfindungsgemäße Aufgabe durch ein Verfahren nach Maßgabe des Patentanspruchs 8 gelöst, das die folgenden Schritte umfasst:
    • a) Einbringen eines Laserkopfes zwischen die beiden Bauteile,
    • b) Messen von Abweichungen zwischen einer Sollkontur und einer Istkontur mittels des Laserkopfes, und
    • c) Abtragen von Material von mindestens einem Bauteil mithilfe einer UV-Lasereinheit des Laserkopfes im Fall einer Abweichung, bis diese minimiert ist.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht erstmals die Erfassung von Abweichungen zwischen einer Sollkontur und einer Istkontur mittels des Laserkopfes und deren zeitgleiche Beseitigung mittels des Laserkopfes, falls die Größe der mittels der Messlaser erfassten Abweichungen einen zulässigen Wert überschreiten sollte. Hierdurch ist eine zeitsparende Anpassung der Bauteile aneinander bzw. an eine in der Steuer- und/oder Regeleinrichtung hinterlegte Sollgeometrie möglich, um ein spannungsfreies und spaltfreies Fügen der solchermaßen nachbearbeiteten Bauteile zu ermöglichen.
  • Eine Weiterentwicklung des Verfahrens sieht vor, dass eine Istkontur der Bauteile mittels des Laserkopfes in drei Raumdimensionen erfasst wird.
  • Hierdurch können auch Bauteile, die über eine hochkomplexe, mehrfach gekrümmte Oberflächengeometrie verfügen, in kürzester Zeit aneinander angepasst werden.
  • Nach Maßgabe einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der Laserkopf so lange zwischen den Bauteilen verfahren wird, bis die Istkontur der Bauteile vollständig erfasst ist und Abweichungen zwischen dieser und einer Sollkontur minimiert sind.
  • Dies ermöglicht einen weitgehend selbsttätigen Ablauf des Verfahrens und zugleich eine optimale Anpassung der zu fügenden Bauteile aneinander.
  • In der Zeichnung zeigt:
  • 1 Eine schematische Darstellung der Vorrichtung während der Vermessung der Bauteilkontur, und
  • 2 eine schematische Darstellung der Vorrichtung aus der
  • 1 während des Materialabtrags zur Konturkorrektur.
  • In den Zeichnungen weisen dieselben konstruktiven Elemente jeweils dieselbe Bezugsziffer auf.
  • Die 1 illustriert eine schematische Darstellung der Vorrichtung.
  • Eine Vorrichtung 10 umfasst unter anderem eine obere Aufnahme 12 zur Lagefixierung eines ersten (oberen) Bauteils 14 und eine untere Aufnahme 16 zur Lagefixierung eines zweiten (unteren) Bauteils 18 im Bereich einer Trennstelle 20 bzw. einer Interfacestelle. Im Bereich der Trennstelle 20 sollen die beiden Bauteile 14, 18 im Idealfall spalt- und spannungsfrei gefügt werden. Die Bauteile 14, 18 können mit einem beliebigen, mechanisch hinreichend belastbaren, thermoplastischen oder duroplastischen Material gebildet sein, das eine Faserarmierung aus Kohlefasern, Glasfasern oder Aramid®-Fasern aufweist. Ein Koordinatensystem 22 dient zur Veranschaulichung der Lage sämtlicher Komponenten im Raum. Mittels einer Positioniereinrichtung 24 kann ein Laserkopf 26 beispielsweise in der xy-Ebene bzw. parallel zu dieser oder parallel zur x-Achse des Koordinatensystems 22 – wie durch die beiden Pfeile angedeutet – verfahren und mit hoher Genauigkeit positioniert werden. Die Bewegung der Positioniereinrichtung 24 erfolgt hierbei in einem Raster, dessen Maschenweite bzw. dessen Abstände in Abhängigkeit von der herzustellenden Passung in einem Bereich zwischen 10 μm und 1 mm liegen können. In den Laserkopf 26 sind bevorzugt zwei Messlaser 28, 30 sowie eine hochenergetische UV-Lasereinheit 32 integriert. Mittels der UV-Lasereinheit 32 lässt sich definiert Material von den Bauteilen 14, 18 abtragen. Die Steuerung beziehungsweise Kontrolle der Positioniereinrichtung 24 erfolgt mittels einer nicht dargestellten Steuer- und/oder Regeleinrichtung, die zum Beispiel mit einer digitalen Rechnereinheit in Form eines üblichen PC's realisiert sein kann.
  • Mithilfe der Vorrichtung 10 soll im Ergebnis eine fehlerhafte (nicht ideale) Istkontur 34 des unteren Bauteils 18 soweit an eine konstruktiv vorgegebene Sollkontur 36 des unteren Bauteils 16 unter Berücksichtigung eines Toleranzwertes angeglichen werden, bis diese Istkontur 34 der mit einer gestrichelten Linie angedeuteten idealen Sollkontur 36 entspricht, die im gezeigten Ausführungsbeispiel der Istkontur 38 des oberen Bauteils 14 entspricht. Bei den Konturen 34, 36 und 38 handelt es sich in der Regel um mehrfach, unregelmäßig gekrümmte, komplexe Oberflächengeometrien. In der exemplarisch in 1 illustrierten Position des Laserkopfes 26 befindet sich unter diesem eine beulenförmige Abweichung 40. Eine Höhe 42 der unerwünschten Abweichung 40 wird quantitativ erfasst, indem zunächst zwei Abstände 44, 46 zwischen den Messlasern 28, 30 und den Konturen 38, 34 der beiden Bauteile 14, 18 in diesem aktuellen Messpunkt mithilfe der beiden Messlaser 28, 30 ermittelt werden und anschließend in der Steuer- und/oder Regeleinrichtung eine Differenz zwischen den Abständen 42, 44 berechnet wird. Die Längenmessung mithilfe der Messlaser 28, 30 kann beispielsweise durch eine Laufzeitmessung des Laserlichts bei bekannter Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichtes im Medium erfolgen. Ergibt die Differenzbildung einen Wert der Höhe 42, der von Null – unter Berücksichtigung eines Toleranzwertes – abweicht, ist es erforderlich die Kontur 34 des Bauteils 18 in diesem Bereich einer Nachbearbeitung zu unterziehen, um später optimale Fügeergebnisse zu erzielen.
  • Die notwendige Nachbearbeitung erfolgt hier, wie aus der 2 ersichtlich ist, in der Form eines berührungslosen Materialabtrags mit Hilfe der, vorzugsweise ebenfalls direkt in den Laserkopf 26 integrierten UV-Lasereinheit 32. Hierdurch ergibt sich im Vergleich zur Anwendung von konventionellen Vorrichtungen zur Herstellung einer Passung zwischen zwei in nachfolgenden Arbeitsschritten zu fügenden Bauteilen eine beträchtliche Zeitersparnis, da die Bauteile 14, 18 zum Zweck der Nachbearbeitung nicht mehr aus den Aufnahmen 12, 16 herausgenommen und nach der Beendigung der Nachbearbeitung wieder in diese eingebracht werden müssen. Darüber hinaus verbessert sich die Passgenauigkeit signifikant, da die Bauteile 14, 18 während der Nachbearbeitung in unveränderter Lage in ihren Aufnahmen 12, 16 verbleiben können. Die beiden Messlaser 28, 30 sind während des Materialabtrags durch die UV-Lasereinheit 32 vorzugsweise deaktiviert. Die UV-Lasereinheit 32 emittiert zum Materialabtrag einen intensiven, schnell gepulsten UV-Laserstrahl 48 mit einer Wellenlänge von etwa 355 nm bei einer Pulslänge zwischen 10 ns und 1000 ns mit einer Frequenz zwischen 90 kHz und 300 kHz. Aufgrund der genannten Laserstrahlparameter des UV-Laserstrahls 48 ist es möglich, mit jedem Puls des UV-Laserstrahls 48 in einem räumlich eng begrenzten Erosionsbereich 50, das heißt in der Zone, in der der Laserstrahl 48 auf das untere Bauteil 18 auftrifft, Material mit einer Stärke zwischen 1 μm und 25 μm abzutragen. Um großflächigere Bereiche mittels des UV-Laserstrahls 48 vom unteren Bauteil 18 oder gegebenenfalls vom oberen Bauteil 14 abtragen zu können, kann eine hier der besseren zeichnerischen Übersicht halber nicht eingezeichnete Spiegeleinheit zur Ablenkung des UV-Laserstrahls 48 vorgesehen sein. Hierbei kann der UV-Laserstrahl 48 in Bezug zum unteren Bauteil 18 eine Relativgeschwindigkeit von bis zu 10 m/s erreichen. Die Spiegeleinheit wird bevorzugt gleichfalls von der Steuer- und/oder Regeleinrichtung kontrolliert.
  • Wird der integrierte Laserkopf 26 mittels der Positioniereinrichtung 24 innerhalb des Koordinatensystems 22 verfahren und mit hoher Präzision positioniert, so können die Messlaser 28, 30 sowie die UV-Lasereinheit 32 alle zu vermessenden Bereiche bzw. alle Zonen der Bauteile 14, 18, in denen ein Materialabtrag erforderlich ist, erreichen. In diesem Fall ist in der Regel lediglich eine Spiegeleinheit zur Ablenkung des UV-Laserstrahls 48 im Laserkopf 32 erforderlich, um einen hinreichend großen Abtragsbereich zu erreichen.
  • Wird hingegen der Laserkopf 26 nur entlang der x-Achse des Koordinatensystems 22 bzw. parallel zu dieser bewegt, müssen im Allgemeinen auch die Messlaser 28, 30 jeweils mit einer Spiegeleinheit zur Ablenkung der Messlaserstrahlen ausgerüstet sein, um auch diejenigen Bereiche der Bauteile 14, 18, die außerhalb dieses geraden Verfahrweges des Laserkopfes 26 liegen, messtechnisch erfassen zu können.
  • Wie aus der Darstellung der 2 ferner ersichtlich ist, wurde die Höhe 42 der beulenförmigen Abweichung 40 im Vergleich zum Zustand des unteren Bauteils 18 in 1 durch den Materialabtrag mittels der UV-Lasereinheit 32 bereits erheblich reduziert, so dass die Istkontur 34 in diesem Bereich fast der konstruktiv vorgegebenen Sollkontur 36 entspricht. Letztendlich gibt die Istkontur 38 des oberen Bauteils 14 hier die Sollkontur vor, die letztendlich der Istkontur 34 des unteren Bauteils 18 verliehen werden soll. Alternativ kann der Laserkopf 26 zum Beispiel mit einer Spritzeinrichtung für einen örtlich begrenzten Auftrag eines Kunststoffmaterials auf die Bauteile 14, 18 mit exakt definierter Schichtdicke ausgestaltet sein. Hierdurch können zur Konturkorrektur auch Abweichungen zwischen der Istkontur und der Sollkontur in der Form von Vertiefungen aufgefüllt werden. Als Kunststoffmaterial kommt hierbei bevorzugt dasselbe Kunststoffmaterial zum Einsatz, das auch zur Matrixbildung der faserverstärkten Bauteile 14, 18 dient.
  • Alternativ ist es auch möglich in der Steuer- und/oder Regeleinrichtung eine dreidimensionale, numerische Sollkontur als abstraktes 3D-Modell zu hinterlegen bzw. abzuspeichern. In dieser Konstellation werden die beiden Istkonturen 34, 38 der Bauteile 14, 18 jeweils für sich und unabhängig voneinander durch einen entsprechenden Materialabtrag mithilfe der UV-Lasereinheit 32 an das vorgegebene 3D-Modell sukzessive angeglichen. Diese Ausgestaltung kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn beide Istkonturen 34, 38 der Bauteile 14, 18 nicht den konstruktiven Vorgaben entsprechen. Um einen effektiven Materialabtrag an den beiden Bauteilen 14, 18 zu erreichen, muss der Laserkopf 26 entweder mit zwei, vorzugsweise diametral angeordneten UV-Lasereinheiten ausgerüstet sein oder die eine UV-Lasereinheit 32 muss zumindest um 180° verschwenkbar an der Positioniereinrichtung 24 angelenkt sein.
  • Im weiteren Fortgang der Beschreibung soll der Verlauf des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand der 1, 2 näher erläutert werden. Vorab wird der Laserkopf 26 mithilfe der Positioniereinrichtung 24 zwischen die Bauteile 14, 18 eingebracht. Im Anschluss daran wird mithilfe der in den Laserkopf 26 integrierten Messlaser 28, 30 eine etwaige Abweichung zwischen der Istkontur 34 des unteren Bauteils 18 von der Sollkontur 36 des unteren Bauteils 18 in der aktuellen Position des Laserkopfes 26 bestimmt, wobei die Sollkontur 36 bevorzugt mit der Istkontur 38 des oberen Bauteils 14 korrespondiert. Ergibt die Messung in diesem Punkt eine Abweichung, die außerhalb einer zugelassenen Toleranz liegt, erfolgt mittels der UV-Lasereinheit 32 ein exakt definierter Materialabtrag vom unteren Bauteil 18 in diesem Bereich.
  • Während oder nach dem erfolgten Materialabtrag erfolgt erneut eine messtechnische Kontrolle der beiden Abstände 44, 46 zwischen dem Laserkopf 26 und den Bauteilen. Ergibt sich wiederum eine von Null verschiedene Höhe 42 der Abweichung 40 in diesem Punkt, so muss erneut Material vom unteren Bauteil 18 mit Hilfe der UV-Lasereinheit 32 abgetragen werden. Die Schichtstärke des Materialabtrags kann näherungsweise durch die Anzahl der von der UV-Lasereinheit 32 abgegebenen UV-Laserstrahlimpulse und deren Pulslänge bestimmt werden. Mittels der im Rahmen der Beschreibung der 2 erläuterten Laser-Parameter liegt der Materialabtrag pro UV-Laserimpuls zwischen 1 μm und 25 μm. Der Vorgang des Abtragens wird so lange wiederholt, bis die Abweichung 40 nicht mehr vorhanden bzw. unterhalb eines Toleranzwertes liegt. Im Anschluss wird der Laserkopf 26 an eine andere – bevorzugt eine benachbarte – Position innerhalb der xy-Ebene des Koordinatensystems 22 verfahren und die vorstehend beschriebene Mess- bzw. Abtragsprozedur entsprechend den vorstehend gemachten Beschreibungen so lange wiederholt, bis die Istkontur 34 des unteren Bauteils 18 unter Berücksichtigung der vorgegebenen Toleranzwerte im Idealfall vollflächig mit der Sollkontur 36 des unteren Bauteils 18 zusammenfällt. Um die Prozesse weiter zu beschleunigen, kann die Messprozedur, das heißt die messtechnische Bestimmung etwaiger Abweichungen mittels der Messlaser 28, 30, zumindest teilweise zeitlich parallel zum Materialabtrag mit Hilfe der UV-Lasereinheit 32 ausgeführt werden. Abschließend können die Bauteile 14, 18 aus den Aufnahmen 12, 16 entnommen und in einem weiteren Verfahrensschritt, der nicht Gegenstand des Verfahrens ist, zusammengefügt werden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren zur Schaffung von präzisen Passungen zwischen zwei Bauteilen eine signifikante Zeitersparnis, da die Vermessung der Bauteile und deren Konturkorrektur durch sukzessiven Materialabtrag in einem Schritt erfolgt. Die bislang erforderliche, zeitaufwändige und in der Regel wiederholt notwendige Entnahme der Bauteile aus den Aufnahmen der Messapparatur, um die eigentliche Konturkorrektur bzw. die Korrektur der Oberflächengeometrie in einer separaten Vorrichtung bzw. mittels manueller Werkzeuge händisch vornehmen zu können, kann ersatzlos entfallen.
  • Bezugszeichenliste
  • 10
    Vorrichtung
    12
    Aufnahme
    14
    erstes (oberes) Bauteil
    16
    Aufnahme
    18
    zweites (unteres) Bauteil
    20
    Trennstelle
    22
    Koordinatensystem
    24
    Positioniereinrichtung
    26
    Laserkopf
    28
    Messlaser
    30
    Messlaser
    32
    UV-Lasereinheit
    34
    Istkontur (unteres Bauteil)
    36
    Sollkontur (unteres Bauteil)
    38
    Istkontur (oberes Bauteil)
    40
    Abweichung
    42
    Höhe (Abweichung)
    44
    Abstand (Laserkopf – oberes Bauteil)
    46
    Abstand (Laserkopf – unteres Bauteil)
    48
    Laserstrahl (UV-Lasereinheit)
    50
    Erosionsbereich

Claims (10)

  1. Vorrichtung (10) zur Nachbearbeitung von zwei Bauteilen, (14, 18) insbesondere um deren passgenaues Zusammenfügen zu ermöglichen, wobei die Bauteile (14, 18) mit einem faserverstärkten Kunststoffmaterial gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass Abweichungen (40) zwischen einer Sollkontur (36) und einer Istkontur (34, 38) mittels eines Laserkopfes (26) erfassbar und im Fall von Abweichungen (40) mit Hilfe des Laserkopfes (26) zugleich Material von mindestens einem der Bauteile (14, 18) abtragbar ist.
  2. Vorrichtung (10) nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Bauteil (14, 18) in einer Aufnahme (12, 16) in seiner Lage fixierbar ist.
  3. Vorrichtung (10) nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserkopf (26) zum Materialabtrag mit mindestens einer UV-Lasereinheit (32) mit einer Dauerleistung im Bereich zwischen 10 W und 250 W ausgestattet ist.
  4. Vorrichtung (10) nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserkopf (26) mittels einer Positioniereinrichtung (24) in mindestens einer Raumdimension zwischen den Bauteilen (14, 18) verfahrbar und positionierbar ist.
  5. Vorrichtung (10) nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserkopf (26) mindestens zwei Messlaser (28, 30) aufweist, um Abweichungen (40) erfassen zu können.
  6. Vorrichtung (10) nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die UV-Lasereinheit (32) im Laserkopf (26) zum Materialabtrag Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von etwa 355 nm mit einer Impulslänge zwischen 10 ns und 1000 ns bei einer Frequenz zwischen 90 kHz und 300 kHz abgibt.
  7. Vorrichtung (10) nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Messlaser (28, 30) jeweils Laserstrahlung im sichtbaren Bereich, insbesondere mit einer Wellenlänge von etwa 632 nm, abgeben.
  8. Verfahren zur Nachbearbeitung von zwei Bauteilen (14, 18), insbesondere um deren passgenaues Fügen zu ermöglichen, wobei die Bauteile (14, 18) mit einem faserverstärkten Kunststoffmaterial gebildet sind, umfassend die Schritte: d) Einbringen eines Laserkopfes (26) zwischen die beiden Bauteile (14, 18), e) Messen von Abweichungen (40) zwischen einer Sollkontur (36) und einer Istkontur (34, 38) mittels des Laserkopfes (26), und f) Abtragen von Material von mindestens einem Bauteil (40) mit Hilfe einer UV-Lasereinheit (32) des Laserkopfes (26) im Fall einer Abweichung (40), bis diese minimiert ist.
  9. Verfahren nach Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Istkontur (34, 38) der Bauteile mittels des Laserkopfes (26) in drei Raumdimensionen erfasst wird.
  10. Verfahren nach Patentanspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserkopf (26) solange zwischen den Bauteilen (14, 18) verfahren wird, bis die Istkontur (34, 38) der Bauteile (14, 18) vollständig erfasst ist und Abweichungen (40) zwischen dieser und einer Sollkontur (36) minimiert sind.
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