DE102012216664B4 - Verfahren zur Herstellung eines Hohlkörpers, bestehend aus zwei Bauteilen, und damit hergestellter Hohlkörper - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Hohlkörpers, bestehend aus zwei Bauteilen (3, 4), die mit einer strahlgestützten Fügemaschine gefügt sind, welche umfasst – einen Strahlkopf (1) zur Bereitstellung eines eine Fügenaht (5) zwischen zwei Bauteilen (3, 4) erzeugenden Fügestrahls (L), – eine Aufnahme (6) zur Lagerung des ersten Bauteils (3), und – eine Spannvorrichtung (2) zum Spannen der Bauteile (3, 4), insbesondere zum Spannen von Bauteilen (3, 4) mit einer dreidimensional verlaufenden Fügenaht (5), welche Spannvorrichtung (2) ein Spannmittel zum Erzeugen einer Spannkraft (F) zwischen den beiden Bauteilen (3, 4) zumindest im Bereich der jeweils vom Fügestrahl (L) beaufschlagten Fügezone aufweist, wobei das Spannmittel durch eine die beiden Bauteile (3, 4) überspannende, flexible, für den Fügestrahl (L) transmissive Folie (11) gebildet ist, deren Spannkraft (F) durch Beaufschlagung mittels eines Differenzdrucks zwischen Bauteil-zugewandter und Bauteil-abgewandter Oberfläche der Folie (11) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das beim Fügen in die Aufnahme (6) eingelegte Bauteil (3) mit mindestens einer Evakuierungsöffnung (27) für seinen Innenraum (30) derart versehen ist, dass während der Vakuumbeaufschlagung zum Spannen der Bauteile (3, 4) und beim anschließenden Belüften der Bauteile (3, 4) ein Druckausgleich in dem von den Bauteilen (3, 4) umschlossenen Innenraum des Hohlkörpers stattfindet.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Hohlkörpers, bestehend aus zwei Bauteilen, und einen damit hergestellten Hohlkörper.
  • Bekannte Fügemaschinen können neben einer an sich bekannten Laser-Durchstrahl-Schweißeinrichtung auch durch Laser-Stumpfschweiß-, Laser-Löt-Anlagen oder dergleichen realisiert werden. Wie beispielsweise aus der DE 10 2007 042 739 A1 bekannt ist, weisen solche strahlgestützten Fügemaschinen einen Strahlkopf zur Bereitstellung eines die Fügenaht zwischen den beiden Bauteilen erzeugenden Fügestrahls, eine Aufnahme zur Lagerung eines ersten Bauteils und eine Spannvorrichtung zum Spannen der beiden Bauteile auf. Bei der Spannvorrichtung gemäß der vorgenannten Druckschrift ist ein Innenspannstempel vorgesehen, der die Spannkraft in die von der Schweißnaht umrandete Fläche einleitet. Eine andere Ausführungsform dieser Spannvorrichtung beruht auf dünnen Stegen, die einen Außenspannrahmen mit dem Innenspannstempel mechanisch verbinden. Dabei ergibt sich zwischen Außen- und Innenspanntechnik ein hinreichender Spalt um die Schweißnaht auszubilden. Auch eine Halterung des Innenspannstempels über eine transparente Glasplatte ist bekannt.
  • Problematisch ist diese Art von Spannvorrichtung für eine dreidimensional verlaufende Fügenaht, da dann der rahmenförmige Innenspannbacken bzw. die von außen nach innen greifenden, einzelnen Spannbacken in ihrer Lagerung und Konstruktion sehr aufwändig werden. Nachteilig bei der Verwendung der oben erläuterten Stempelspanntechnik in Kombination mit dem Konturschweißverfahren ist ferner die verhältnismäßig schlechte Spaltüberbrückbarkeit. Diese kommt dadurch zustande das der Spannstempel in vollflächigem Kontakt zum Bauteil steht, das Material jedoch nur punktuell plastifiziert wird.
  • Die DE 101 33 956 A1 offenbart eine Spannvorrichtung zum Laserlöten oder Laserschweißen, bei der ein dort so bezeichnetes Geometriespannmittel vorgesehen ist, das eine der Kontur des jeweiligen Bauelementes angepasste Form aufweist. Durch einen Unterdruck, der insbesondere durch eine Vielzahl einzelner Saugnäpfe erzeugt wird, legt sich das Bauelement gegen eine Oberfläche der Form kraftschlüssig und flächig an. Die offenbarte Spannvorrichtung ist dabei ebenfalls sehr komplex und aufgrund der verwendeten Saugnäpfe problematisch bei der Spannung von Bauteilen mit dreidimensional verlaufender Fügenaht.
  • Die DE 100 60 394 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Fixierung von mittels eines Lasers zu schweißenden Bauteilen. Dabei sind die Spannbacken aus einem für den Laserstrahl transmissiven Werkstoff gefertigt.
  • Zum aktuellen Stand der Spanntechnik ist festzuhalten, dass hauptsächlich die oben bereits erwähnten Innenspannstempel zum Einsatz kommen, die als dreidimensionale Negativ-Formen des oberen Bauteils ausgeführt sind. Diese haben verschiedene Nachteile, wie beispielsweise die mit ihrer Herstellung verbundenen hohen Kosten.
  • Ferner können empfindliche Oberflächen der zu verbindenden Bauteile ein Problem darstellen. Dann müssen bei den bekannten Spanntechniken besondere Vorkehrungen getroffen werden, um eine Kratzerbildung an den Werkstücken zu vermeiden.
  • Ein weiteres Problemfeld ist die notwendige konstante Verteilung der Spannkraft entlang der Schweißnaht beim Laserschweißen von Kunststoffen. Werden die Fertigungstoleranzen der Bauteilaufnahme einerseits und die der zu bearbeitenden, beispielsweise spritzgegossenen Bauteile andererseits berücksichtigt, so ist die Sicherstellung einer konstanten Spannkraftverteilung schwierig. Auch lässt die im Stand der Technik beschriebene „starre“ Spanntechnik bei der Verwendung insbesondere eines Konturschweißprozesses keinerlei Abschmelzweg zu. Dies liegt daran, dass bei dieser Verfahrensvariante der Laserstrahl verhältnismäßig langsam entlang der Schweißkontur geführt wird. Hierbei ist ständig nur ein sehr kleiner Bereich der Naht aufgeschmolzen, die umliegenden, unplastifizierten Bereiche verhindern ein Setzen des transparenten, oberen Bauteils gegenüber dem unteren.
  • Zum aktuellen Stand der Spanntechnik sind schließlich noch lokale Spanntechniken zu erwähnen, die die zu verschweißenden Bauteile an der Stelle der aktuellen Verschweißung punktuell zusammenpressen. Dies kann beispielsweise mit Hilfe einer Spannrolle oder einer zugleich als optisches Element benutzten Glaskugel erfolgen.
  • Diese punktuellen Spanntechniken weisen ebenfalls den Nachteil auf, dass sie zu Beschädigungen der Bauteiloberfläche führen können. Des Weiteren führt der Umstand, dass diese Spanntechniken fest am Schweißkopf verbaut sind und bis auf das Bauteil hinunter ragen, dazu, dass eine Vielzahl von Bauteilgeometrien gar nicht bearbeitbar sind, da es zu einer Kollision zwischen Spanntechnikkomponenten und Bauteil kommen würde.
  • Bei den aus EP 1 306 196 A1 oder JP 2008 114 420 A bekannten Laserstrahl-Fügeeinrichtungen ist das Spannmittel durch eine die beiden Bauteile überspannende, flexible, für den Fügestrahl transmissive Folie gebildet, deren Spannkraft durch Beaufschlagung mittels eines Differenzdrucks zwischen Bauteil-zugewandter und Bauteil-abgewandter Oberfläche erzeugt wird.
  • Die Funktion der Bauteilspannung wird also durch eine flächige, elastische Komponente in Form der Folie übernommen, wodurch eine sehr gleichmäßige Verteilung der Spannkraft über das Bauteil hinweg gewährleistet ist. Damit der Differenzdruck durch Unterdruck auf Seiten der Bauteil-zugewandten Folienoberfläche hervorgerufen wird, ist bei diesem Stand der Technik vorgesehen, dass die Aufnahme mit einem die Folie haltenden Rahmendeckel einen luftdicht abgeschlossenen Bearbeitungsraum bildet, der mittels einer Vakuumquelle mit Unterdruck zur Beaufschlagung der Folie und der damit verbundenen Erzeugung der Spannkraft auf die Bauteile beaufschlagbar ist.
  • Es herrscht in diesem Bearbeitungsraum ein gleichmäßiger Druck auf allen Seiten des aus den beiden Bauteilen gebildeten Produktgehäuses, wodurch signifikante Verformungen des Gehäuses an sich vermieden werden. Bauteiltoleranzen können besser ausgeglichen werden.
  • Aus der EP 1 253 001 A2 ist eine Vorrichtung zum Verschweißen von mehreren, einen Hohlkörper mit einer Öffnung bildenden thermoplastischen Kunststoffteilen mittels Laser mit einem Vakuumhalter bekannt, der eine mit einer Vakuumpumpe in Verbindung stehende, einseitig offene Vakuumkammer aufweist. Diese bildet gemeinsam mit dem Hohlkörper eine geschlossene evakuierbare Kammer. Der Vakuumhalter fixiert bei Anliegen eines Unterdrucks den Hohlkörper ortsfest, wobei die Fügeteile zusammengehalten sind. Dies ermöglicht eine Prüfung der Dichtheit der Schweißnaht. Anders als bei den beiden vorgenannten Druckschriften wird die evakuierbare Kammer durch eine den Hohlkörper umfassende Ringdichtung gebildet. Eine die Werkstücke überspannende Folie mit einer entsprechenden Unterdruckbeaufschlagung kommt hier also nicht zum Einsatz.
  • Problematisch kann die Unterdruckbeaufschlagung des Bearbeitungsraumes bei Werkstücken sein, die als insbesondere filigraner Hohlkörper ausgebildet sind. Die beiden zu fügenden Bauteile werden vor dem eigentlichen Fügeprozess unter Normaldruck-Bedingungen aufeinandergesetzt, so dass die Gefahr besteht, dass beim Anlegen eines Unterdruckes außerhalb der beiden Bauteile im Bearbeitungsraum im Innenraum ein Überdruck entsteht, der zu einem Ausbeulen von Bauteilpartien führen würde.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung zielt darauf ab, diese Ausbeulgefahr zu vermeiden.
  • Diese Problematik wird durch die im Kennzeichnungsteil des Patentanspruches 1 angegebenen Maßnahmen vermieden. Bedingt durch die grundsätzliche Konzeption der Fügemaschine, bei der zum Erzeugen der Spannkraft ein Unterdruck im Bearbeitungsraum herrscht, ist es nämlich möglich, die in die Aufnahme eingelegten Bauteile mit mindestens einer Evakuierungsöffnung für den Innenraum des von den beiden Bauteilen gebildeten Hohlkörpers zu versehen. Damit wird unterbunden, dass bei der Unterdruckbeaufschlagung des Bearbeitungsraumes innerhalb der Aufnahme und der Folienabdeckung in dem von den Bauteilen umschlossenen Innenraum gegenüber dem Bearbeitungsraum ein Überdruck herrscht, der zu einem Ausbeulen von Bauteilpartien führen würde. Die Bauteile werden nur von der von der Folie hervorgerufenen Spannkraft beaufschlagt. Nach der Entnahme des so aus den beiden Bauteilen gefügten Hohlkörper-Produktes wird über die Evakuierungsöffnung dessen Innenraum auch wieder unter Normaldruck gesetzt.
  • Ein für die Durchführung des Verfahrens geeigneter, erfindungsgemäßer Hohlkörper ist ebenfalls Gegenstand der Erfindung, wobei das beim Fügen in die Aufnahme eingelegte Bauteil mit mindestens einer Evakuierungsöffnung für seinen Innenraum versehen ist.
  • Strahlgestützte Fügemaschinen, deren Komponenten im Zusammenhang mit den vorstehenden Ausführungen zum erfindungsgemäßen Verfahren entsprechend ausgelegt sind, werden im Folgenden abgehandelt.
  • Grundsätzlich bildet die Aufnahme mit dem folienbestückten Rahmendeckel eine konstruktiv relativ einfache Spanntechnik, die gut und mit vertretbarem Aufwand an die Bauteil-Form und insbesondere an die Kontur der Fügnaht angepasst werden kann.
  • Zur Beaufschlagung des Bearbeitungsraumes kann die Aufnahme mit einem pneumatischen Anschluss für die Vakuumquelle versehen sein.
  • Für eine gleichermaßen wirkungsvolle Unterdruckverteilung innerhalb des Bearbeitungsraumes wie eine stabile Lagerung des Bauteils kann die Aufnahme mit Referenz-Anlageflächen zur Anlage des ersten Bauteils versehen sein, zwischen denen zu der Folie hin führende Luftkanäle angeordnet sind. Die Aufnahme wirkt also einerseits für eine saubere Lagerung des darin sitzenden Bauteils und gleichzeitig für eine ungehinderte Beaufschlagung der Folie mit dem notwendigen Unterdruck zur Erzeugung der Spannkraft.
  • Eine einfache und unverlierbare Lagerung des Rahmendeckels besteht in seiner schwenkbaren Anlenkung an der Aufnahme.
  • Um die Dichtheit des Bearbeitungsraumes bei geschlossenem Rahmendeckel zu verbessern, kann an dessen der Aufnahme zugewandten Seite eine Flachdichtung angeordnet sein.
  • Ferner kann der Rahmendeckel mittels eines Schnellspann-Verschlusses mit der Aufnahme verspannbar sein. Damit ist die Spannvorrichtung rationell und einfach bestückbar.
  • Eine weitere Verbesserung der Lagerung und Dichtheit der Folie bezüglich des Rahmendeckels besteht in einer umlaufenden Klemmleiste, über die die Folie luftdicht an den Rahmendeckel angebunden ist.
  • Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der beigefügten Zeichnungen. Es zeigen:
  • 1 einen Schnitt durch eine Spannvorrichtung mit schematisch dargestelltem Strahlkopf,
  • 2 eine perspektivische Ansicht der Spannvorrichtung in geschlossenem Zustand,
  • 3 eine perspektivische Ansicht der Spannvorrichtung in geöffnetem Zustand,
  • 4 einen perspektivische Ansicht der Bauteilaufnahme der Spannvorrichtung gemäß 1 bis 3,
  • 5 einen schematischen Schnitt der Spannvorrichtung gemäß der Schnittlinie V-V nach 1, und
  • 6 eine vergrößerte Darstellung der Einzelheit VI gemäß 5.
  • Wie aus 1 deutlich wird, weist die gezeigte, als Beispiel für eine strahlgestützte Fügemaschine herangezogene Laser-Durchstrahlschweißeinrichtung einen Strahlkopf 1 auf, zu dem von einer nicht näher dargestellten Laserquelle ein für das übliche Durchstrahlschweißen geeigneter Laserstrahl L herangeführt wird. Der Strahlkopf 1 ist – wie ebenfalls nicht näher dargestellt ist – durch eine entsprechende Mehrachsen-Handhabungsvorrichtung entsprechend der dreidimensionalen Kontur der herzustellenden Schweißnaht 5 (siehe 6) zwischen den beiden in der Spannvorrichtung 2 gehaltenen Bauteilen 3, 4 eines als Hohlkörper ausgebildeten Produkts geführt. Bei diesem Produkt kann es sich beispielsweise um eine Rückleuchteneinheit eines Kraftfahrzeuges handeln, wobei das erste Bauteil 3 durch das rückseitige Gehäuse der Leuchte gebildet ist. Dieses Gehäuse besteht aus einem laserabsorbierenden Material, wogegen die lasertransmissive und lichtdurchlässige Abdeckung der Leuchte das zweite Bauteil 4 bildet.
  • Die beiden Bauteile 3, 4 werden zum Verschweißen in der Spannvorrichtung 2 mit einer entsprechenden Spannkraft F beaufschlagt, um eine einwandfreie, durchgehende Fügenaht in Form einer Schweißnaht 5 (siehe 5) zwischen den beiden Bauteilen zu erzeugen.
  • Das untere, gehäuseartige Bauteil 3 wird dabei in eine Aufnahme 6 der Spannvorrichtung 2 in einer definierten Position eingelegt. Dazu weist – wie aus 4 besonders deutlich wird – die Aufnahme 6 eine dem Bauteil 3 in der Form angepasste Aufnahmeöffnung 7 auf, deren Boden 8 als Auflagefläche für das Bauteil 3 dient. Die seitlichen Wände bilden abschnittsweise Referenzflächen 9 aus, die einer Negativform der Außenkontur des Bauteils 3 entsprechen. Zwischen den Referenzflächen 9 sind weg vom Bauteil 3 zurückspringende Luftkanäle 10 eingearbeitet, durch die seitlich am Bauteil 3 vorbei eine Luftströmung ermöglicht wird.
  • Als eigentliches Spannmittel der Spannvorrichtung 2 dient eine die beiden in einem Vormontagezustand aufeinander sitzenden Bauteile 3, 4 überspannende flexible Folie 11, die hochelastisch und für den Laserstrahl L analog dem oberen Bauteil 4 durchlässig ist. Diese Folie 11 ist in einem mehrteiligen Rahmendeckel 12 gehalten, dessen Rahmenstreben 13 eine von der Folie 11 geschlossene Rahmenöffnung 14 umgrenzen. Diese ist in ihrer Form an die Draufsicht-bezogene Außenkontur des oberen Bauteils 4 angepasst.
  • Die Folie 11 ist mit ihren nicht näher dargestellten Randbereichen auf den Rahmenstreben 13 mit Hilfe einer von oben aufgeschraubten, umlaufenden Klemmleiste 15 luftdicht an den Rahmendeckel 12 angebunden. An dessen Unterseite 16 ist eine umlaufende Flachdichtung 17 vorgesehen, mit deren Hilfe Rahmendeckel 12 und Aufnahme 6 im geschlossenen Zustand der Spannvorrichtung – siehe 2 – luftdicht miteinander zu verbinden sind.
  • Der Rahmendeckel 12 ist an einer Schmalseite über angeformte Lagerflansche 18 an einem Lagerbock 19 an der Aufnahme 6 mit Hilfe des Lagerbolzens 20 schwenkbar angelenkt. Der Lagerbolzen 20 ist beidseitig mit nicht näher dargestellten Sicherungsringen in seiner in 2 und 3 gezeigten Montageposition gesichert. Der Lagerbock 19 ist mit der Aufnahme 6 vierfach verschraubt.
  • Zur Fixierung des Rahmendeckels 12 in der in 2 gezeigten geschlossenen Stellung ist ein Schnellspann-Verschluss 21 mit einem Betätigungsgriff 22, einem daran schwenkbar gelagerten Haltebügel 23 und einem Haken 24 am Rahmendeckel 12 vorgesehen. Der Schnellspann-Verschluss 21 basiert in seiner Funktion auf einer üblichen Übertotpunkt-Kinematik.
  • Schließlich ist an der Spannvorrichtung noch ein pneumatischer Anschluss 25 für eine in 1 schematisch angedeutete Vakuumquelle 26 vorgesehen, der über geeignete Leitungen in der Aufnahme 6 mit der Aufnahmeöffnung 7 verbunden ist. Im geschlossenen Zustand der Spannvorrichtung 2 bilden der Rahmendeckel 12 mit der Folie 11 und die Aufnahme 6 einen luftdicht geschlossenen Bearbeitungsraum B, der mit Hilfe der Vakuumquelle 26 evakuiert werden kann. Dadurch legt sich die transparente Folie 11 an das oben liegende, transparente Bauteil 4 an. Der auf der Außenseite herrschende atmosphärische Druck erzeugt dabei über die Folie 11 eine senkrecht zur Oberfläche des Bauteils 4 wirkende Spannkraft F.
  • Der Schweißprozess kann nun beginnen, wobei der Laserstrahl L sowohl die transparente Folie 11 als auch das transparente obere Bauteil 4 durchdringt. Er wird in üblicher Weise vom unteren Bauteil 3 absorbiert, wodurch ein Aufschmelzen mit entsprechendem Wärmeübertrag zum oberen Bauteil 4 mit einer entsprechenden stoffschlüssigen Verbindung zur Bildung der Schweißnaht 5 erfolgt. Nach Beendigung des Schweißprozesses wird der Bearbeitungsraum B belüftet, der Rahmendeckel 12 kann geöffnet und das so fertig geschweißte Produkt aus der Spannvorrichtung 2 entnommen werden.
  • Erfindungsgemäß ist das untere Bauteil 3 in seinem Boden mit einer Evakuierungsöffnung 27 (siehe 5) versehen, die für einen Druckausgleich während der Vakuumbeaufschlagung und beim anschließenden Belüften des Bearbeitungsraumes B sorgt. Dadurch wird vermieden, dass sich die Bauteile 3, 4 während des Bearbeitungsvorganges durch Druckunterschiede zwischen Innen- und Außenseite deformieren.
  • Geeignete Materialien für die Folie 11 sind beispielsweise PTFE oder ETFE. Diese Materialien sind für den Laserstrahl L mit seiner Bearbeitungs-Wellenlänge hochgradig transparent und hoch-elastisch.

Claims (2)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Hohlkörpers, bestehend aus zwei Bauteilen (3, 4), die mit einer strahlgestützten Fügemaschine gefügt sind, welche umfasst – einen Strahlkopf (1) zur Bereitstellung eines eine Fügenaht (5) zwischen zwei Bauteilen (3, 4) erzeugenden Fügestrahls (L), – eine Aufnahme (6) zur Lagerung des ersten Bauteils (3), und – eine Spannvorrichtung (2) zum Spannen der Bauteile (3, 4), insbesondere zum Spannen von Bauteilen (3, 4) mit einer dreidimensional verlaufenden Fügenaht (5), welche Spannvorrichtung (2) ein Spannmittel zum Erzeugen einer Spannkraft (F) zwischen den beiden Bauteilen (3, 4) zumindest im Bereich der jeweils vom Fügestrahl (L) beaufschlagten Fügezone aufweist, wobei das Spannmittel durch eine die beiden Bauteile (3, 4) überspannende, flexible, für den Fügestrahl (L) transmissive Folie (11) gebildet ist, deren Spannkraft (F) durch Beaufschlagung mittels eines Differenzdrucks zwischen Bauteil-zugewandter und Bauteil-abgewandter Oberfläche der Folie (11) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das beim Fügen in die Aufnahme (6) eingelegte Bauteil (3) mit mindestens einer Evakuierungsöffnung (27) für seinen Innenraum (30) derart versehen ist, dass während der Vakuumbeaufschlagung zum Spannen der Bauteile (3, 4) und beim anschließenden Belüften der Bauteile (3, 4) ein Druckausgleich in dem von den Bauteilen (3, 4) umschlossenen Innenraum des Hohlkörpers stattfindet.
  2. Hohlkörper, bestehend aus zwei mit dem Herstellungsverfahren nach Anspruch 1 gefügten Bauteilen (3, 4), dadurch gekennzeichnet, dass das beim Fügen in die Aufnahme (6) eingelegte Bauteil (3) mit mindestens einer Evakuierungsöffnung (27) für seinen Innenraum (30) versehen ist.
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