DE102011089471A1 - Laserschweißen von Kunststoffbauteilen mit zwei überlagerten Bewegungen - Google Patents

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Abstract

Fügevorrichtung (10, 20) sowie Verfahren zum Betreiben einer Fügevorrichtung (10, 20), wobei mittels eines Energiestrahles ein aus zumindest zwei Teilen bestehendes Bauteil (12, 22) derart bearbeitet wird, dass die zumindest beiden Teile mittels des Energiestrahles in einem Fügebereich zusammengefügt werden, wobei mittels einer Transportvorrichtung (11, 21) nacheinander mehrere Bauteile (12, 22) zugeführt und bearbeitet werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiestrahl, mit dem das jeweilige Bauteil (12, 22) bearbeitet wird, in Abhängigkeit der Bewegung des Bauteiles (12, 22) entlang des Fügebereiches nachgeführt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Fügevorrichtung, wobei mittels eines Energiestrahles ein aus zumindest zwei Teilen bestehendes Bauteil derart bearbeitet wird, dass die zumindest beiden Teile mittels des Energiestrahles in einem Fügebereich zusammengefügt werden, wobei mittels einer Transportvorrichtung nacheinander mehrere Bauteile zugeführt und bearbeitet werden, sowie eine nach diesem Verfahren arbeitende Fügevorrichtung gemäß den Merkmalen der jeweiligen Oberbegriffe der unabhängigen Patentansprüche.
  • Aus der DE 10 2007 042 0739 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben einer Fügevorrichtung sowie eine danach arbeitende Fügevorrichtung bekannt. Darin ist eine Spannvorrichtung zum Spannen mindestens zweier Teile eines Bauteiles in einer strahlgeschützten Bearbeitungsmaschine bekannt, wobei diese beiden Teile derart in der Spannvorrichtung gelagert sind, dass in dem Fügebereich, das heißt den beiden Bereichen der Teile des Bauteiles, die zusammengefügt werden sollen, ein Druck entsteht. Mittels eines Energiestrahles, hier ein Laserstrahl, werden die aneinander grenzenden Fügeflächen der beiden Teile aufgewärmt, so dass sie miteinander verschmelzen und anschließend unlösbar miteinander verbunden sind. Diese Bearbeitungsmaschine hat jedoch den Nachteil, dass die beiden Teile des Bauteiles eingefahren werden müssen, dass sie dann mittels der Spannvorrichtung zusammengebracht und in ihrer Lage fixiert werden, dass danach der Fügeprozess ausgeführt wird und anschließend das fertige Bauteil der Bearbeitungsmaschine entnommen werden kann. Für die Fertigung von Bauteilen mit kleinen Stückzahlen ist eine solche Bearbeitungsmaschine ohne weiteres einsetzbar. Allerdings lassen sich große Stückzahlen in einer Serienproduktion mit einer solchen Bearbeitungsmaschine wirtschaftlich nicht herstellen.
  • Hätte die Laserbearbeitungsmaschine aus der DE 10 2007 042 0739 A1 eine Transportvorrichtung, ergäbe sich folgender Ablauf: Bauteil wird in die Laserbearbeitungsmaschine eingefahren → Band hält an → Bauteil wird ggf. ausgehoben oder über Spannmaske geklemmt → Schweißung mit Laser erfolgt → Bauteil wird weitertransportiert. Nachteile: Taktender Prozess, Band muss immer Start-Stopp Bewegungen durchführen, die Taktzeit für viele bewegte Elemente (Band, Aushebemechanik, Spannvorrichtung) wird unerwünscht länger.
  • Aus der nicht vorveröffentlichten DE 10 2011 055 460.2 ist daher zur Anwendung der Serienherstellung von solchen Bauteilen schon ein Verfahren zum kontinuierlichen Verschweißen von Kunststoffbauteilen eines Produktes entlang eines am Umfang verlaufenden Fügebereiches vorgeschlagen worden, bei dem die zu verschweißenden Kunststoffbauteile zunächst in ihre Fügeposition gebracht und dort fixiert werden und anschließend das Produkt zum Verschweißen an einer feststehenden Wärmequelle vorbeitransportiert wird, wobei im Bereich der feststehenden Wärmequelle das Produkt zusätzlich zur Transportbewegung einer rotativen Eigenbewegung unterworfen wird, um die Schweißenergie in den Fügebereich einzubringen. Dieses Verfahren ist zwar schon besser für die Serienproduktion geeignet, weist aber noch die folgenden Nachteile auf. Zum einen ist dieses Verfahren nur dann ausführbar, wenn das Produkt einer rotativen Eigenbewegung unterworfen wird. Das bedeutet, dass nur rotationssymmetrische Kunststoffbauteile mit diesem Verfahren bearbeitet werden können. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass der Energiestrahl immer exakt in einen einzigen Punkt fokussiert ist, wobei dieser Punkt dem Fügebereich der beiden zusammenzufügenden Teile des Kunststoffbauteiles entspricht.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Fügevorrichtung sowie eine nach diesem Verfahren arbeitende Fügevorrichtung bereitzustellen, mit dem bzw. der die eingangs geschilderten Nachteile vermieden werden. Insbesondere soll eine hohe Stückzahl von Bauteilen wirtschaftlich und flexibel hergestellt werden können.
  • Diese Aufgabe ist verfahrensmäßig dadurch gelöst, dass der Energiestrahl, mit dem das jeweilige Bauteil bearbeitet wird, in Abhängigkeit der Bewegung des Bauteiles entlang des Fügebereiches nachgeführt wird. Dadurch handelt es sich in vorteilhafter Weise nicht nur um eine kontinuierliche Bewegung des Bauteiles, so dass ein taktender Vorschub der Bewegungsrichtung (Stop-and-Go) wegfallen kann, sondern der Verlauf des Energiestrahles passt sich der Bauteilbewegung an. Erfindungsgemäß ist es somit möglich, das Zusammenfügen, insbesondere Laserstrahlschweißen, einer Kontur (Fügebereich) des Bauteiles, während das Bauteil durch die Fügevorrichtung (insbesondere Laserstrahlschweißmaschine) in seiner Bewegungsrichtung hindurchgeführt wird. Das bedeutet, dass sich in vorteilhafter Weise zwei Bewegungen überlagern, nämlich die Bewegung des Bauteiles (bestehend aus zwei oder mehr als zwei zusammenzufügenden Teilen) in Bewegungsrichtung im Durchlauf durch die Fügevorrichtung und dass gleichzeitig der Energiestrahl (Laserstrahl) an die Schweißkontur (Fügebereich) mit zusätzlich überlagerter Bewegung zum Folgen des Bauteilvorschubes (Bauteilbewegung) angepasst ist. Dies bedeutet in vorteilhafter Weise für die Realisierung der Erfindung, dass mehrere Bauteile mit Teilen, die zusammengefügt werden sollen, hintereinander auf einer Transportvorrichtung der Fügevorrichtung dem Energiestrahl zugeführt werden können. Während des kontinuierlichen Bauteiltransportes, der linear, rotatorisch oder dergleichen erfolgen kann, wird der Energiestrahl zunächst auf dessen Fügebereich gerichtet, wobei durch geeignete Mittel der Energiestrahl diesen Fügebereich abfährt, um damit die beiden zusammenzufügenden Teile des Bauteiles unlösbar miteinander zu verbinden. Der Fügebereich kann dabei rotationssymmetrisch sein, wobei aber auch andere Formen, wie zum Beispiel rechteckig-, quadratisch- oder oval-förmige oder sonstige Fügebereiche realisierbar sind. Es ist lediglich erforderlich, den Verlauf des Fügebereiches zu kennen, damit mit geeigneten Mitteln der Laserstrahl dem Fügebereich nachgeführt werden kann, wobei gleichzeitig das Bauteil auf der Transportvorrichtung weiterbewegt wird. Nachdem dieses erste zugeführte Bauteil in seinem Fügebereich zusammengefügt und damit fertiggestellt ist, wird der Energiestrahl auf das nächste zugeführte Bauteil gerichtet und in der gleichen Art und Weise vorgegangen, wie zu dem ersten Bauteil geschrieben worden ist. Ebenso wird für die nächsten zugeführten Bauteile vorgegangen. Dies hat insgesamt den Vorteil, dass kontinuierlich nacheinander ohne Unterbrechung der Bewegung Bauteile zugeführt und mittels des Energiestrahles in ihrem Fügebereich bearbeitet werden können, ohne die kontinuierliche Bewegung bei der Bauteilzufuhr zu unterbrechen.
  • In Weiterbildung der Erfindung wird mittels einer optischen Vorrichtung der Energiestrahl entlang dem Fügebereich während der Bewegung des Bauteiles nachgeführt. Dies hat den Vorteil, dass die Quelle zur Erzeugung des Energiestrahles (insbesondere eine Laserstrahlquelle) stationär angeordnet sein kann, wohingegen der von der Energiequelle erzeugte Energiestrahl (insbesondere Laserstrahl) mittels der optischen Vorrichtung abgelenkt wird. Diese Ablenkung erfolgt in der Art und Weise, dass der abgelenkte Energiestrahl dem Fügebereich entsprechend geführt und gleichzeitig die Fortbewegung des Bauteiles berücksichtigt wird. Das heißt, dass hier ebenfalls wieder zwei überlagerte Bewegungen vorhanden sind, nämlich einmal die Bewegung des Energiestrahles zum Abfahren des Fügebereiches und gleichzeitig eine Bewegung des Energiestrahles zur Berücksichtigung der Fortbewegung des Bauteiles.
  • In Weiterbildung der Erfindung ist der Fokus des Energiestrahles während der Bewegung des Bauteiles auf den Fügebereich eingestellt. Das heißt, dass der Fokus des Energiestrahles so auf den Arbeitsbereich (Fügebereich) abgestimmt bzw. nachgeführt ist, dass im Bearbeitungsfenster (der Punkt, der gerade im Fügebereich von dem Energiestrahl getroffen wird) der Fokus nicht verstellt werden muss. Das bedeutet umgekehrt, dass der Fokus unter Berücksichtigung des Verlaufes des zu bearbeitenden Punktes des Fügebereiches sowie der Fortbewegung des Bauteiles nachgeführt wird.
  • In Weiterbildung der Erfindung wird der Fügebereich während der Bewegung des Bauteiles abgescannt und der Energiestrahl in Abhängigkeit des Abscannvorganges dem Fügebereich nachgeführt. Dies hat den Vorteil, dass durch das Abscannen der zu bearbeitende Fügebereich selbsttätig erkannt wird und damit der Energiestrahl entlang des abgescannten Fügebereiches bei gleichzeitiger Berücksichtigung der Fortbewegung des Bauteiles während seines Transportes nachgeführt werden kann. Damit sind in vorteilhafter Weise beliebige Verläufe von Fügebereichen möglich, so dass das Verfahren nicht auf rotationssymmetrische Bauteile eingeschränkt ist, sondern beliebige Fügebereiche bearbeitet werden können.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert und beschrieben.
  • In den 1 und 2 ist, soweit im Einzelnen dargestellt, jeweils eine Fügevorrichtung 10, 20 dargestellt. Die jeweilige Fügevorrichtung 10, 20 umfasst eine Transportvorrichtung 11, 21, wobei die Transportvorrichtung 11 in 1 als Transportband dargestellt ist, auf dem die Bauteile 12 nacheinander zugeführt und linear transportiert werden.
  • In 2 ist eine Transportvorrichtung 21 dargestellt, bei der die nacheinander zugeführten Bauteile 22 auf einer Kreisbahn rotatorisch bewegt werden. Während die Bauteile 12 auf der Transportvorrichtung 11 gemäß 1 auf dem Transportband ruhen und bezüglich der Transportvorrichtung 11 keine Relativbewegung aufweisen, können, müssen aber nicht, die Bauteile 22 gemäß 2 bezüglich ihrer Fortbewegung auf einer Kreisbahn auch gleichzeitig einer Eigenbewegung, vorzugsweise eine rotatorische Bewegung um ihre Längsachse, ausführen. Das bedeutet weiterhin, allerdings ohne Einschränkung, dass die lineare Transportvorrichtung 11 gemäß 1 im Regelfall für nicht-rotationssymmetrische Bauteile 12 zum Einsatz kommt, wohingegen die Transportvorrichtung 21 vorzugsweise für rotationssymmetrische Bauteile 22 eingesetzt wird.
  • Obwohl in den 1 und 2 nicht dargestellt, umfassen sowohl die Bauteile 12 gemäß 1 als auch die Bauteile 22 gemäß 2 zumindest zwei Teile, vorzugsweise genau zwei Teile, die in einem ebenfalls nicht dargestellten Fügebereich unlösbar mittels eines Energieeintrages zusammengefügt werden sollen. Solche Energieeinträge sind beispielsweise als Laserdurchstrahlschweißen bekannt, wobei dieses genannte Verfahren nur beispielhaft ist und selbstverständlich auch andere Verfahren zwecks Energieeintrag in den Fügebereich und dortiges Aufschmelzen und anschließendes unlösbares Zusammenfügen eingesetzt werden können.
  • In den 1 und 2 ist weiterhin eine Energiestrahlvorrichtung 13, 23 dargestellt, die jeweils einen Energiestrahl 14, 24 erzeugt. In besonders vorteilhafter Weise umfasst die Energiestrahlvorrichtung 13, 23 eine Laserstrahlquelle zur Erzeugung eines Laserstrahles. Weiterhin umfasst, obwohl nicht dargestellt, die Energiestrahlvorrichtung 13, 23 eine optische Vorrichtung, die dazu geeignet und ausgebildet ist, den jeweiligen Energiestrahl 14, 24 entlang dem Fügebereich während der Bewegung der Bauteile 12, 22 nachzuführen. Schließlich kann die Energiestrahlvorrichtung 13, 23 noch eine Scannvorrichtung umfassen, so dass der Fügebereich während der Bewegung der Bauteile 12, 22 abgescannt und der jeweilige Energiestrahl 14, 24 in Abhängigkeit des Abscannvorganges dem Fügebereich nachgeführt wird.
  • Die optische Vorrichtung der Energiestrahlvorrichtung 13, 23 kann einerseits so ausgebildet sein und so arbeiten, dass der erzeugte Energiestrahl 14, 24 unter Berücksichtigung der Bewegung des Bauteiles 12, 22 entlang des Fügebereiches des einen Bauteiles 12, 22 entlangbewegt wird. Nachdem Fügebereich dieses einen Bauteiles 12, 22 bearbeitet und somit die beiden Teile dieses einen Bauteiles 12, 22 unlösbar miteinander zusammengefügt worden sind, kann der Energiestrahl 14, 24 auf das nächste zugeführte Bauteile 12, 22 gelenkt werden und dort den Fügebereich unter Berücksichtigung der Fortbewegung dieses nächsten zugeführten Bauteiles 12, 22 abzufahren. Andererseits ist es aber auch denkbar, dass der erzeugte Energiestrahl 14, 24 gleichzeitig nicht nur einem Bauteil 12, 22 (wie vorstehend beschrieben) zugeführt wird, sondern dass durch entsprechende Ablenkung der Energiestrahl 14, 24 kurzfristig nacheinander und alternierend von einem Bauteil 12, 22 zu dem nächsten zugeführten Bauteil 12, 22 wechselt („hin- und herspringt), so dass dadurch die Anzahl der zu bearbeitenden Bauteile im Durchlauf merklich gesteigert werden kann. Dabei ist es je nach Verarbeitungsgeschwindigkeit des Energiestrahles 14, 24, seiner Energieintensität und der Geschwindigkeit der Fortbewegung der Transportvorrichtungen 11, 21 nicht ausgeschlossen, dass nicht nur zwei Bauteile 12, 22, sondern mehr als zwei solcher Bauteile gleichzeitig bearbeitet werden.
  • 3 zeigt die Bearbeitungsfolge beim Zusammenfügen von zumindest zwei Teilen eines Bauteiles (hier beispielhaft das Bauteil 12). Mit 15 ist ein Bearbeitungsbereich des Energiestrahles 14, 24 gezeigt, wobei sich der Fokus des Energiestrahles 14, 24 in diesem Arbeitsfenster bewegen kann. Die durch die Bewegung des Energiestrahles 14, 24 sich ergebende Schweißlinie im Fügebereich der beiden zusammenzufügenden Teile des Bauteiles 12, 22 ist mit der Bezugsziffer 16 versehen. Der Vollständigkeit halber ist mit 17 die Transportrichtung der Bauteile 12, 22 dargestellt.
  • Bevorzugt werden Laserstrahlen als Energiestrahlen (Wärmequellen) verwendet. Ebenso ist als Wärmequelle eine breitbandige Infrarotlichtquelle im kurz- oder mittelwelligen Infrarotbereich geeignet, insbesondere ein Glasrohr-, Keramik-, Metallfolien-, oder Carbonstrahler.
  • Bezugszeichenliste
    • 10, 20
    Fügevorrichtung
    11, 21
    Transportvorrichtung
    12, 22
    Bauteil
    13, 23
    Energiestrahlvorrichtung
    14, 24
    Energiestrahl
    15
    Bearbeitungsbereich
    16
    Schweisslinie
    17
    Transportrichtung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 1020070420739 A1 [0002, 0003]
    • DE 102011055460 [0004]

Claims (8)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Fügevorrichtung (10, 20), wobei mittels eines Energiestrahles ein aus zumindest zwei Teilen bestehendes Bauteil (12, 22) derart bearbeitet wird, dass die zumindest beiden Teile mittels des Energiestrahles in einem Fügebereich zusammengefügt werden, wobei mittels einer Transportvorrichtung (11, 21) nacheinander mehrere Bauteile (12, 22) zugeführt und bearbeitet werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiestrahl, mit dem das jeweilige Bauteil (12, 22) bearbeitet wird, in Abhängigkeit der Bewegung des Bauteiles (12, 22) entlang des Fügebereiches nachgeführt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiestrahl mittels einer optischen Vorrichtung entlang dem Fügebereich während der Bewegung des Bauteiles (12, 22) nachgeführt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Fokus des Energiestrahles während der Bewegung des Bauteiles (12, 22) auf den Fügebereich eingestellt ist.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fügebereich während der Bewegung des Bauteiles (12, 22) abgescannt und der Energiestrahl in Abhängigkeit des Abscannvorganges dem Fügebereich nachgeführt wird.
  5. Fügevorrichtung (10, 20), wobei mittels eines Energiestrahles ein aus zumindest zwei Teilen bestehendes Bauteil (12, 22) derart bearbeitet wird, dass die zumindest beiden Teile mittels des Energiestrahles in einem Fügebereich zusammengefügt werden, wobei mittels einer Transportvorrichtung (11, 21) nacheinander mehrere Bauteile (12, 22) zugeführt und bearbeitet werden, dadurch gekennzeichnet, dass eine Energiestrahlvorrichtung (13, 23) vorgesehen ist, wobei der Energiestrahl, mit dem das jeweilige Bauteil (12, 22) bearbeitet wird, in Abhängigkeit der Bewegung des Bauteiles (12, 22) entlang des Fügebereiches nachgeführt wird.
  6. Fügevorrichtung (10, 20) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiestrahlvorrichtung (13, 23) eine optische Vorrichtung aufweist, wobei der Energiestrahl mittels einer optischen Vorrichtung entlang dem Fügebereich während der Bewegung des Bauteiles (12, 22) nachgeführt wird.
  7. Fügevorrichtung (10, 20) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiestrahlvorrichtung (13, 23) eine Scannvorrichtung aufweist, wobei der Fügebereich während der Bewegung des Bauteiles (12, 22) abgescannt und der Energiestrahl in Abhängigkeit des Abscannvorganges dem Fügebereich nachgeführt wird.
  8. Fügevorrichtung (10, 20) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügevorrichtung (10, 20) eine Steuervorrichtung aufweist.
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