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Die vorlegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entfernen von Materialschichten von einer Bauteiloberfläche nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Bauteile werden im Verlauf ihrer Herstellung unterschiedlichen Prozessen unterzogen, nach/bei denen anschließend eine Bearbeitung der Außenhülle beziehungsweise Außenschicht erfolgt. Um das Bauteil für eine weitere Verarbeitung vorzubereiten, wird dieses von überflüssigen Materialschichten oder aber von ganzen Funktionsschichten befreit. Dazu kommen unterschiedliche Verfahren zum Einsatz, beispielsweise: chemische Bäder, mechanische abrasive Verfahren, Hitzebehandlungen usw.
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Bei einem Großteil der Bauteile kommt statt einer Oberflächenbehandlung nur das Entfernen von Material- beziehungsweise Funktionsschichten von einer Bauteiloberfläche in Frage. Beispielsweise wird, wie schon aus der
EP 193 929 B1 bekannt, beim Zusammenbau eines Elektromotors ein lamelliertes Statorpaket und eine damit eingebaute Wicklung zum Verguss in eine Kunstharzmischung getaucht und somit vergossen. Die auf dem metallischen Statorpaket zurückbleibende, ausgehärtete Kunstharzschicht ist aufgrund der Toleranzgrenzen beim Einbau und Betrieb im späteren Elektromotor nicht erwünscht. Aus diesem Grund muss die ausgehärtete Kunstharzschicht abgetragen werden. Die zum Einsatz kommenden Verfahren sind mechanisches Abschaben oder Bürsten. Allerdings kann die Kunstharzschicht nicht vollständig und gleichmäßig entfernt werden. Abgesehen davon wird die Oberfläche des metallischen Statorpaketes mechanisch verändert. Darüber hinaus sind die bisherigen Prozesszeiten zu lang. Auch Ultraschall-Entharzen verspricht keine zusätzliche Verbesserung der Prozesseffizienz.
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Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 bereitzustellen, welches eine besonders effiziente Abtragung von Material- beziehungsweise Funktionsschichten ermöglicht; sowie eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 7 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Entfernen von Material- beziehungsweise Funktionsschichten gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch eine Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 7 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Entfernen von Material- beziehungsweise Funktionsschichten von einer Bauteiloberfläche nutzt die Vorteile eines Lasers bzw. Lasergeräts. Dabei wird die Bauteiloberfläche mittels eines Laserstrahls abgescannt. Der Laserstrahl wird auf die zu entfernende Material- beziehungsweise Funktionsschicht fokussiert, wobei diese durch die erhitzende Wirkung des Laserstrahls abgetragen wird. Dabei erfolgt das Abscannen, Fokussieren und Abtragen innerhalb Bruchteilen von Sekunden. Das Fokussieren des Laserstrahls gewährleistet, dass der Laser mit konstanter Lichtleistungsdichte auf die abzutragende Materialschicht einwirkt. Damit kann eine gleichmäßige und reproduzierbare Abtragung sichergestellt werden. Darüber hinaus ist es möglich, einzelne Vertiefungen – Nuten und Rillen – und Vorsprünge der Bauteiloberfläche zu berücksichtigen.
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Damit die Wirkung des Laserstrahls nicht beeinträchtigt wird, wird bei einer bevorzugten Ausführungsform das abgetragene Material in einem weiteren Schritt prozessnah abgesaugt. Dies ist insbesondere auch in solchen Fällen notwendig, wenn die durch den Laserstrahl gelösten oder sublimierten Materialschichten sowie deren Spaltprodukte chemisch wirksame und/oder giftige Eigenschaften aufweisen.
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Um eine besonders gleichmäßige Abtastung und Bearbeitung der Bauteiloberfläche zu gewährleisten, erfolgt das Abtragen der Funktionsschicht mittels des Laserstrahls linear oder segmentweise. Eine gleichmäßige Führung des Laserstrahls beziehungsweise dessen Fokus gewährleistet eine homogen bearbeitete Bauteiloberfläche.
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Besonders vorteilhaft kann der Abtragprozess in einer überlagerten linearen Pendelbewegung des Laserstrahls und einer Rotationsbewegung des Bauteils erfolgen. Des Weiteren ist ein großflächiger Abtragprozess unter Berücksichtigung der Tiefenschärfe des Laserstrahls in Oberflächensegmenten bis zu 1/8 des Umfangs möglich.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird zur Durchführung des Verfahrens ein cw-CO2-Laser eingesetzt. Cw steht dabei für einen kontinuierlichen Laserstrahl, dessen Wirkung bei der Abtragung der Materialschichten besonders effizient ist. Nichtsdestotrotz können auch Laser mit gepulstem Licht verwendet werden. Der besondere Vorteil beim Einsatz eines kontinuierlichen Laserstrahls (cw) ist, dass bereits angrenzende Bereiche während ihrer Bearbeitung in Mitleidenschaft gezogen werden, das heißt, Kunstharz beispielsweise angeschmolzen wird, wobei dadurch die Prozesszeit verkürzt werden kann.
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Zur Entfernung von Harzen, insbesondere Kunstharz, hat sich der Einsatz von cw-CO2-Lasern als besonders effektiv erwiesen. Bei dem Zusammenspiel eines cw-CO2-Lasers mit dem Kunstharz lässt sich der Arbeitspunkt des Lasers besonders effektiv und effizient ausnutzen.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird der Arbeitspunkt des Lasers derart eingestellt, dass die Material- beziehungsweise Funktionsschichten sublimiert werden. Dadurch kann das abgetragene Material besonders leicht entsorgt, beispielsweise aufgesaugt werden. Es sind keine weiteren Schritte zur Säuberung der Arbeitsumgebung notwendig und damit eine durchgehende und qualitativ gleich bleibende Nutzung des Verfahrens möglich.
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Besonders zweckmäßig lässt sich das Verfahren zum Entfernen von Material- beziehungsweise Funktionsschichten bei einer Vorrichtung verwenden, die eine Haltevorrichtung zum Aufnehmen eines Bauteils vorsieht, sowie eine Abtastvorrichtung, die zumindest einen Laserstrahl zum Abtasten einer Oberflächengeometrie des Bauteils und/oder zum Entfernen der Material- beziehungsweise Funktionsschicht vorsieht. Dabei kann die Haltevorrichtung derart ausgestaltet werden, dass diese eine automatische Ausrichtung relativ zum Fokus des Laserstrahls ermöglicht. Ebenso kann lediglich der Laserstrahl mittels geeigneter Optik auf die zu entfernende Material- beziehungsweise Funktionsschicht der Oberfläche des Bauteils gerichtet beziehungsweise darauf gesteuert werden. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform lässt sich sowohl der Laser mit dem dazugehörigen Laserstrahl als auch die Haltevorrichtung relativ zueinander positionieren. Auf diese Weise ist es möglich, auch Bauteile mit einer ungleichmäßigen Oberflächengeometrie gleichmäßig zu bearbeiten. Das Verfahren lässt sich somit flexibel an gewünschte Arbeitsbereiche und Bauteilgrößen anpassen.
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In einer Weiterbildung der Ausführungsform sieht die Vorrichtung zum Entfernen der Funktionsschicht beziehungsweise der Materialschicht ein Gerät zum Entfernen des abgetragenen Materials vor. Besonders einfach lässt sich das abgetragene Material beziehungsweise dessen Spaltprodukte mittels eines Sauggeräts entsorgen, insbesondere dann, wenn die Material- beziehungsweise Funktionsschicht von dem Laserstrahl sublimiert wird.
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Im Folgenden werden die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand einer Zeichnung näher erläutert.
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Die Figur zeigt eine skizzenhafte Darstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens beim/im Betrieb.
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Beispielhaft wird in der Figur das Abtragen einer Material- beziehungsweise Funktionsschicht 2 von der Oberfläche eines Bauteils 16 gezeigt. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Bauteil 16 ein Stator, beziehungsweise ein lamelliertes Statorpaket mit eingebauter Wicklung, die in eine Kunstharzmischung getaucht und damit vergossen wurde. Die auf dem metallischen Statorpaket zurückgebliebene ausgehärtete Kunstharzschicht muss aufgrund von Toleranzgrenzen beim Einbau und Betrieb in einem Elektromotor nachbearbeitet werden. Auf diese Weise kann ein reibungsloses Funktionieren des Motors gewährleistet werden.
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Das Bauteil 16 ist in einer Haltevorrichtung 14 eingespannt. Auf die Bauteiloberfläche ist ein Laserstrahl 6 eines Lasers gerichtet. Dieser wird mit Hilfe eines 3-D-Scanners 12 über die Bauteiloberfläche gelenkt bzw. bewegt. Dabei scannt 4 der Laserstrahl 6 die Bauteiloberfläche ab, die mit der Material- beziehungsweise Funktionsschicht 2 bedeckt ist, wobei der Laserstrahl 6 auf der/die Material- beziehungsweise Funktionsschicht 2 fokussiert 8 wird. Im Fokus 8 des Laserstrahls 6 wird eine Material- beziehungsweise Funktionsschicht 2 derart erhitzt, dass sie sublimiert wird. Das Sublimieren bezeichnet den Übergang aus einem festen in einen gasförmigen Aggregatzustand. Auf diese Weise kann das zu entfernende Material bzw. die Materialschicht 2 rückstandslos abgetragen werden. Dabei wird der Laserstrahl 6 mit Hilfe des Scanners 12 so schnell über die Bauteiloberfläche bewegt, dass das darunter liegende Bauteil beim Sublimieren der Material- oder Funktionsschicht 2 nicht in Mitleidenschaft gezogen wird. Anhand des Fokus 8 kann eine Lichtleistungsdichte des Laserstrahls 6 gesteuert werden.
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In dem vorliegenden Beispiel wird sowohl das Bauteil 16 als auch der Laserstrahl 6 relativ zueinander bewegt. Dazu wird das Bauteil 16 mittels seiner Haltevorrichtung 14 im Uhrzeigersinn gedreht. Dieses kann durchgängig oder stufenweise erfolgen, wobei der Scanner 12 den Laserstrahl 6 in einer pendelnden Bewegung über die Oberfläche des Bauteils 16 führt und abtastet 4 und dabei die Material- beziehungsweise Funktionsschicht 2 abträgt, in diesem Fall sublimiert.
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Selbstverständlich kann in weiteren Ausführungsformen lediglich das Bauteil 16 oder aber nur der Laserstrahl 6 beziehungsweise der 3-D-Scanner 12 relativ zueinander bewegt und ausgerichtet werden (nicht gezeigt). Dabei ist es möglich, die Bauteiloberfläche 16 linear abzuscannen 4, beziehungsweise die Material- oder Funktionsschicht 2 gleichmäßig abzutragen. Eine solche Betriebsweise kann bei sehr hohen Anforderungen an die Toleranzgrenzen des Bauteils 16 erforderlich werden.
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Auf diese Weise kann gewährleistet werden, dass das metallische Statorpaket an dessen Oberfläche in keiner Weise mechanisch verändert wird, da das Verfahren kräftefrei und somit berührungslos erfolgt. Demnach wird die metallische Oberfläche des Bauteils nicht beeinträchtigt – es erfolgt keine Um- oder Anschmelzung. Die sublimierte Material- bzw. Funktionsschicht 2 wird von einem Sauggerät 10 abgesaugt. Dies ist besonders dann erforderlich, wenn die Spaltprodukte der abgetragenen Material- oder Funktionsschicht 2 giftig sind. Abgesehen davon werden dadurch kontinuierliche und gleichmäßige Betriebsverhältnisse garantiert. Damit gleichförmige Arbeitsverhältnisse vorliegen, wird für den Laserstrahl 6 ein cw-Lasergerät benutzt, das eine kontinuierliche Lichtwelle abstrahlt.
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Bei der Durchführung des Verfahrens lässt sich mit einer geeigneter Sensorik prozessparallel die Güte der gereinigten Oberfläche bestimmen. So kann eine spätere Qualitätskontrolle ganz oder teilweise entfallen.
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Weiterhin kann die Prozessoptik zur Fokussierung des Laserstrahls 6 kann sowohl ortsfest installiert sein als auch flexibel gehandhabt werden, beispielsweise durch einen Roboter geführt werden.
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Bei dem Abtragen der Material- oder Funktionsschicht 2 An den beiden Umkehrpunkten im Randbereich des Statorpakets kommt eine Leistungsmodulation des Laserstrahls 6 zum Einsatz. Dies verhindert die thermische Belastung in diesen Randbereichen.
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Das dargestellte Verfahren garantiert nicht nur eine besonders effektive Entfernung von Material- oder Funktionsschichten 2, sondern ist aufgrund der kurzen Prozesszeiten auch besonders effizient. Ferner wird die Oberfläche des Bauteils 16 nicht nachhaltig in ihrer Funktion beeinträchtigt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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