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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Befestigen einer Kantenleiste (aus thermoplastischem Kunststoff) an einer Schmalfläche eines plattenförmigen Werkstücks, insbesondere einer Möbelplatte, wobei eine (der Schmalfläche zugewandte) Schicht der Kantenleiste mit einer Laserstrahlungsquelle aufgeschmolzen und die Kantenleiste auf die Schmalfläche des plattenförmigen Werkstücks aufgebracht und mit dieser verbunden wird. – Solche Kantenleisten bzw. Deckleisten werden auch einfach als Kanten oder Kantenbänder oder auch als Umleimer bezeichnet. Bei den plattenförmigen Werkstücken bzw. Möbelplatten kann es sich insbesondere um Holzwerkstoffplatten, zum Beispiel Spanplatten, Faserplatten oder dergleichen handeln. Es werden aber auch Platten aus anderen Werkstoffen sowie Verbundplatten umfasst. Die Kantenleisten sind bevorzugt aus thermoplastischem Kunststoff gefertigt und besonders bevorzugt mehrschichtig ausgebildet. Sie bestehen in der Regel aus zumindest einer Grundschicht, die auch als Deckschicht bezeichnet wird und einer Schmelzschicht. Die Grundschicht bzw. Deckschicht ist die im montierten Zustand sichtbare und folglich frontseitige Schicht der Kantenleiste. Auf der Rückseite dieser Grundschicht ist die Schmelzschicht angeordnet, mit welcher die Kante im Zuge der Montage an dem Werkstück befestigt wird. Im Zuge der Befestigung wird eine dünne Schicht einer solchen Kantenleiste, zum Beispiel die speziell vorgesehene Schmelzschicht oder Funktionalschicht mittels Laserstrahlung aufgeschmolzen, so dass sich die Kantenleiste dann ohne den Einsatz von (zusätzlichem) Schmelzklebstoff an dem plattenförmigen Werkstoff befestigen lässt. Auf dieser Weise werden insbesondere sichtbare Fugen zwischen den Kantenleisten und den Möbelplatten vermieden.
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In der Praxis werden als Laserstrahlungsquellen zum Beispiel CO2-Laser oder Diodenlaser eingesetzt. Die stark gerichtete Laserstrahlung wird in der Regel durch geeignete optische Mittel aufgeweitet und/oder oszillierend abgelenkt, um eine vollständige Ausleuchtung und damit Erwärmung der Kantenleiste, die in der Regel eine Breite von mehreren Zentimetern aufweist, zu erreichen. Insofern werden hohe Anforderungen an die Strahlführung gestellt, zumal auch der Einfallswinkel der Laserstrahlung eine wichtige Kenngröße für die Einkopplung der Laserleistung darstellt. Dieses ist mit einem gewissen Aufwand verbunden. – Hier setzt die Erfindung ein.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, welches in wirtschaftlicher Weise ein einwandfreies Befestigen von Kantenleisten an Schmalflächen von plattenförmigen Werkstücken ermöglicht. Außerdem soll eine geeignete Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens geschaffen werden.
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Zur Lösung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung bei dem gattungsgemäßen Verfahren zum Befestigen einer Kantenleiste an einer Schmalfläche eines plattenförmigen Werkstücks, dass eine Laserstrahlungsquelle verwendet wird, die ein oder mehrere Laserdioden Arrays mit jeweils einer Vielzahl von Mikro-Lasern aufweist. Dabei kommen besonders bevorzugt Laserdioden Arrays zum Einsatz, deren Laser als Oberflächen-Emitter-Laser ausgebildet sind, die als auch als VCSEL (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser) bezeichnet werden. Es handelt sich um Halbleiter-Laser, bei denen das Licht senkrecht zur Ebene des Halbleiter-Chips abgestrahlt wird. Sie unterscheiden sich damit von sogenannten Kanten-Emittern, bei denen das Licht an ein oder zwei Flanken des Chips austritt. Solche und auch andere Laserdioden Arrays sind kommerziell erhältlich. Sie bestehen aus einer Vielzahl einzelner Mikro-Laser die in einem Halbleiter-Chip zusammengefasst sind, der zum Beispiel aus einem Galium-Arsenid-Wafer hergestellt ist. Bevorzugte Wellenlängen liegen zwischen 700 nm und 1200 nm, zum Beispiel 800 nm bis 1150 nm. In der Regel arbeiten solche VCSEL-Laser bei Standard-Wellenlängen von zum Beispiel 808 nm oder 980 nm oder 1130 nm. Bei bekannten Systemen auf Basis der VCSEL-Technik sind in der Regel mehrere Chips auf einer (streifenförmigen) Emitter-Einheit zusammengefasst, wobei dann wiederum mehrere solcher Emitter-Einheiten ein hochleistungs-VCSEL-Modul mit entsprechendem Gehäuse bilden können. Eine solche Laserstrahlungsquelle auf VCSEL-Basis weist in der Regel eine Wasserkühlung auf. Die Laseraustrittsseite ist zum Beispiel durch eine (hinterlüftete) Glasscheibe geschützt. Die Verwendung grundsätzlich bekannter Laserdioden Arrays bzw. VCSEL-Systeme für das Aufschmelzen (dünner) Schichten von Kantenleisten im Zuge der Bekantung von Möbelplatten steht erfindungsgemäß im Vordergrund.
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Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, dass die Einkopplung der stark gerichteten Laserstrahlung bei herkömmlichen CO2-Lasern oder Diodenlasern in der Praxis Probleme bereiten kann, da geeignete optische Mittel zum Aufweiten und /oder periodischen Ablenken des Laserstrahls erforderlich sind. Demgegenüber erfolgt mit den beschriebenen Laserdioden Arrays eine flächige Energieabstrahlung und damit eine flächige Einkopplung der Strahlung in die zu erwärmende Kantenleiste, ohne dass zusätzliche optische Mittel wie zum Beispiel Ablenkspiegel oder dergleichen erforderlich sind. Die Laserdioden Arrays zeichnen sich außerdem durch niedrige Kosten und eine hohe Standzeit aus. Die Einkopplung der Strahlung erfolgt flächig auf die zu erwärmende Oberfläche der Kantenleiste, und zwar bevorzugt in einem vorgegebenen Abstand vor der Fügezone. Die Laserstrahlung wird folglich nicht wie bei herkömmlichen gerichteten Systemen direkt in die Fügezone eingestrahlt, sondern es erfolgt eine flächige Erwärmung der Kantenleiste im vorgegebenen Abstand vor der Fügezone. Dieser Abstand kann mehr als 10 mm, z. B. mehr als 20 mm, vorzugsweise mehr als 50 mm betragen. Probleme, die sich bei herkömmlichen Systemen aufgrund der Abhängigkeit der Einkopplung vom Einfallswinkel ergeben, entfallen damit. Von besonderer Bedeutung ist die Tatsache, dass eine einfache Erwärmung mit dem Laserdioden Array bzw. mit einer Vielzahl von Laserdioden Arrays zeitgleich über die gesamte Breite der zu erwärmenden Kantenleiste erfolgt, denn besonders bevorzugt erstrecken sich die Laserdioden Arrays über die gesamte Breite dieser Kantenleiste.
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Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Laserstrahlungsquelle über die Breite und/oder die Länge verteilt mehrere Strahlungszonen aufweist, die einzeln angesteuert werden können. Diese Möglichkeit besteht in besonders einfacher Weise beim Einsatz bekannter VCSEL-Systeme, die zum Beispiel aus mehreren Emitter-Einheiten zusammengesetzt sind, so dass die Lasereinstrahlung insbesondere über die Breite der Kantenleiste selektiv gesteuert werden kann.
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Der Prozess kann weiter verbessert werden, wenn nicht nur die Kantenleiste aufgeschmolzen wird, sondern wenn außerdem eine Vorwärmung der entsprechenden Schmalfläche des plattenförmigen Werkstücks (Möbelplatte) erfolgt. Dazu kann besonders bevorzugt eine zweite Strahlungsquelle vorgesehen sein, die ebenfalls in der beschriebenen Weise ein oder mehrere Laserdioden Arrays aufweisen kann. Diese zweite Strahlungsquelle kann technisch genauso ausgebildet sein, wie die beschriebene erste Strahlungsquelle zur Erwärmung der Kantenleiste, wobei sich die beiden Strahlungsquellen selbstverständlich hinsichtlich Dimensionierung und Leistung unterscheiden können.
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Weiter ist es zweckmäßig, wenn die Temperatur der erwärmten Kantenleiste bzw. der erwärmten Schmelzschicht vor dem Verbinden mit dem plattenförmigen Werkstück gemessen wird, zum Beispiel mit einem pyrometrischen Sensor. Diese Messung kann zum Beispiel der einfachen Kontrolle des Produktionsprozesses dienen. Besonders bevorzugt wird jedoch die Laserstrahlungsquelle in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur gesteuert oder geregelt. Die Messdaten des Temperatursensors können folglich für die Steuerung oder für die Regelung der Laserleistungen verwendet werden.
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Gegenstand der Erfindung ist außerdem eine Vorrichtung zum Befestigen einer Kantenleiste (aus thermoplastischem Kunststoff) an einer Schmalfläche eines plattenförmigen Werkstücks (zum Beispiel einer Möbelplatte), mit zumindest einer Laserstrahlungsquelle zum Aufschmelzen einer Schicht der Kantenleiste und mit zumindest einem Andrückelement zum Andrücken der Kantenleiste an die Schmalfläche des plattenförmigen Werkstücks.
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Erfindungsgemäß weist die Laserstrahlungsquelle ein oder mehrere Laserdioden Arrays mit einer Vielzahl von Lasern auf. Da es von besonderer Bedeutung ist, mit einer solchen Laserstrahlungsquelle eine vollständige Erwärmung der Kantenleiste über die gesamte Breite realisiert wird, erstrecken sich die Laserdioden Arrays der Laserstrahlungsquelle bevorzugt über eine Breite von insgesamt zumindest 20 mm vorzugsweise zumindest 30 mm. Die Laser der Laserdioden Arrays sind dabei in der bereits beschriebenen Weise bevorzugt als Oberflächen Emitter-Laser (VCSEL) ausgebildet.
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Besonders bevorzugt ist dieses Laserdioden Array auf zumindest einen Halbleiter-Chip angeordnet, wobei besonders bevorzugt mehrere solcher Halbleiter-Chips auf einer Emitter-Einheit zusammengefasst sind. Die Laserstrahlungsquelle kann folglich bevorzugt zumindest eine Emitter-Einheit mit mehreren Laserdioden Arrays bzw. mehreren Halbleiter-Chips aufweisen, wobei diese Emitter-Einheiten vorzugsweise streifenförmig ausgebildet sind.
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Bei den aus der Praxis bekannten VCSEL-Systemen kann zum Beispiel jeder VCSEL-Chip eine Leistung von 4 bis 10 Watt bei einer aktiven Fläche von etwa 2 × 2 mm2 aufweisen. Mehrere solcher Chips können auf einer Emitter-Einheit zusammengefasst werden, die zum Beispiel streifenförmig mit einer Breite von etwa 8 mm und einer Länge von etwa 40 mm ausgebildet ist, wobei eine solche Emitter-Einheit zum Beispiel eine Leistung von etwa 400 bis 500 Watt aufweisen kann. Dann können wiederum mehrere solcher Emitter-Einheiten zu einem Leistungsfähigen VCSEL-System zusammengefasst sein. Erfindungsgemäß ist es besonders vorteilhaft, wenn die Laserstrahlungsquelle über die Breite und/oder Länge verteilt mehrere solcher streifenförmiger Emitter-Einheiten aufweist, wobei diese Emitter-Einheiten dann besonders bevorzugt einzeln ansteuerbar sind. Durch diese gezielte Ansteuerung der einzelnen Emitter-Einheiten lassen sich verschiedene Breitenbereiche unterschiedlich temperieren. Sofern auch mit einem entsprechendem Temperatursensor eine über die Breite selektive Temperaturmessung möglich ist, zum Beispiel mit einem Pyrometrischen Sensor, kann dann auch gezielt die Temperierung über die Breite gesteuert oder geregelt werden.
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Jedenfalls liegt es im Rahmen der Erfindung, wenn die Laserstrahlungsquelle über die Breite verteilt mehrere Emitter-Einheiten, zum Beispiel 3 bis 10 Emitter-Einheiten und/oder über die Länge verteilt mehrere Emitter-Einheiten, zum Beispiel 2 bis 8 Emitter-Einheiten aufweist. Dabei kann durch Zusammenstellen einer entsprechenden Anzahl von Emitter-Einheiten eine Leistungsfähige Laserstrahlungsquelle zur Verfügung gestellt werden, mit der auf einfache und wirtschaftliche Weise ein einwandfreies Aufschmelzen einer Schicht der Kunststoffleiste gelingt.
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Dabei können erfindungsgemäß herkömmliche Kantenleisten verarbeitet werden, besonders bevorzugt mit solchen, die für die Verarbeitung mit Laserstrahlung ausgebildet sind. Besonders bevorzugt werden Kantenleisten eingesetzt, die zumindest zweischichtig ausgebildet sind und eine Deckschicht bzw. Grundschicht einerseits und eine Schmelzschicht bzw. Funktionalschicht andererseits aufweisen, wobei die Deckschicht die Sichtseite im montiertem Zustand bildet und wobei die Schmelzschicht bzw. Funktionalschicht aufgeschmolzen und im Zuge der Montage (adhäsive) mit dem plattenförmigen Werkstück verbunden wird. Es versteht sich, dass insbesondere die Funktionalschicht hinsichtlich des verwendeten Werkstoffs sowie der ggf. vorhandenen Zusatzstoffe an den Einsatz der verwendeten Laserstrahlung angepasst ist.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich im Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
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1 eine erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Befestigen einer Kantenleiste an einer Schmalfläche eines Plattenförmigen Werkstücks in einer vereinfachten Darstellung und
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2 eine Laserstrahlungsquelle des Gegenstandes nach 1 in vereinfachter Darstellung
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In den Figuren ist eine Vorrichtung zum Befestigen einer Kantenleiste 1 an einer Schmalfläche 2 eines plattenförmigen Werkstücks 3 gezeigt, wobei dieses plattenförmige Werkstück im Ausführungsbeispiel als Möbelplatte aus (beschichtetem) Holzwerkstoff ausgebildet ist. Die Kantenleiste 1 ist im Ausführungsbeispiel zumindest zweischichtig ausgebildet. Sie besteht aus einer (dickeren) Grundschicht bzw. Deckschicht 1a und einer darauf angeordneten (dünneren) Schmelzschicht 1b, die auch als Funktionalschicht bezeichnet wird.
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Sowohl die Deckschicht 1a als auch die Schmelzschicht 1b sind aus thermoplastischem Kunststoff hergestellt, jedoch in unterschiedlicher Zusammensetzung. Erfindungsgemäß wird die Schmelzschicht 1b der Kantenleiste 1 mit Laserstrahlung einer Laserstrahlungsquelle 4 aufgeschmolzen und anschließend mit der Möbelplatte 3 verbunden. Dazu wird die Möbelplatte 2 mithilfe einer Transportvorrichtung 5 entlang einer Arbeitsrichtung M zugeführt und die Kantenleiste 1 im kontinuierlichen Durchlauf an der Schmalfläche 2 der Möbelplatte 3 befestigt. Dazu wird die Kantenleiste 1 mithilfe von Transport- und Führungsrollen 6 zugeführt, wobei die Zuführrichtung des Kantenbandes durch den Pfeil K angedeutet ist. Das Kantenband 1 wird mithilfe der Laserstrahlungsquelle 4 erwärmt und dann mithilfe der Andruckrolle 7 auf die Schmalfläche 2 der Möbelplatte 3 gedrückt. Der Andruckrolle 7 sind Nachdruckrollen 8 nachgeordnet. Im Übrigen sind noch eine Schneidvorrichtung 9 sowie ein Führungs- und Haltesystem 10 für die durchlaufende Kantenleiste 1 angedeutet.
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Erfindungsgemäß weist die Laserstrahlungsquelle 4 mehrere Laserdioden Arrays 11 auf, die jeweils aus einer Vielzahl von Lasern 12 bestehen. Die einzelnen Laser 12 der Laserdioden Arrays 11 sind als Oberflächen emittierende Laser (VCSEL) ausgebildet. Jedes Laserdioden Array 11 ist auf einem Halbleiter-Chip 13 angeordnet. Dabei sind mehrere solcher Laserdioden Arrays 11 bzw. Chips 13 zu einer Emitter-Einheit 14 zusammengefasst, die im Ausführungsbeispiel streifenförmig ausgebildet ist und zum Beispiel eine Breite B von etwa 8 bis 9 mm und eine Länge L von etwa 40 mm aufweisen kann. Mehrere dieser Emitter-Einheiten 14 sind zu einem VCSEL-Modul 15 zusammengefasst, wobei im Ausführungsbeispiel dieses Modul 15 über die Breite verteilt sechs Emitter-Einheiten 14 und über die Länge verteilt vier Emitter-Einheiten 14 aufweist und folglich insgesamt aus 24 Emitter-Einheiten 14 zusammengesetzt ist (vgl. 2). Jede einzelne Emitter-Einheit 14 weist eine Leistung von etwa 400 Watt auf, so dass das dargestellte Modul 15 eine gesamt Laserleistung von 9,6 kW aufweist. Die erfindungsgemäße Laserstrahlungsquelle 4 besteht folglich im Ausführungsbeispiel im Wesentlichen aus dem in 2 dargestellten Modul 15, das im Übrigen ein nicht dargestelltes Gehäuse aufweist und mit entsprechenden Stromversorgungen sowie einer Wasserversorgung zur Kühlung der Emitter-Einheiten bzw. Arrays ausgerüstet ist. Auf der Laseraustrittsseite ist das Modul mit einer (hinterlüfteten) Glasscheibe abgeschlossen. Einzelheiten sind in den Figuren nicht dargestellt.
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Jedenfalls besteht mit der in 2 dargestellten Laserstrahlungsquelle die Möglichkeit, die Kantenleiste 1 gemäß 1 über die gesamte Breite und über eine vorgegebene Länge "simultan" zu erwärmen, ohne dass aufwendige optische Elemente erforderlich sind. Die Erwärmung erfolgt erfindungsgemäß nicht unmittelbar in der Fügezone F, sondern entgegen der Zuführrichtung K um ein vorgegebenes Maß X versetzt vor der Fügezone. Es ist folglich erfindungsgemäß nicht erforderlich, die Laserstrahlung positionsgenau und unter vorgegebenen Winkel in die Fügezone F einzustrahlen. Auch optische Systeme zur Laserausrichtung oder dergleichen sind nicht erforderlich. Der Abstand X beträgt zumindest 10 mm, z. B. mehr als 20 mm, vorzugsweise mehr als 50 mm.
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In 1 ist im Übrigen erkennbar, dass zusätzlich zu der Laserstrahlungsquelle 4 eine zweite Erwärmungsvorrichtung 16 vorgesehen ist, die ebenfalls als Laserstrahlungsquelle in der beschriebenen Weise ausgebildet sein kann. Mit dieser Laserstrahlungsquelle 16 kann eine Vorwärmung der Möbelplatte 3 bzw. deren Schmalfläche 2 realisiert werden.
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Außerdem ist ein Temperatursensor 17 vorgesehen, mit dem die Temperatur der erwärmten Kantenleiste bzw. der erwärmten Schmelzschicht 1b gemessen werden kann, und zwar bevorzugt selektiv über die Breite der Kantenleiste. Dabei kann es sich zum Beispiel um einen Pyrometrischen Sensor handeln. Die Laserstrahlungsquelle 4 kann dann in der Abhängigkeit von den gemessenen Temperaturwerten gesteuert oder geregelt werden.
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Bei den 1 dargestellten Ausführungsformen handelt es sich um eine Kantenbandverarbeitungsanlage (KAM) für eine grundsätzlich bekannte "Geradeaus Verarbeitung" bzw. "Geradeaus Bekantung" von zum Beispiel Möbelplatten.
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Alternativ kann die Erfindung aber auch bei einem Kantenbandbearbeitungszentrum (BAZ) für eine Radienbekantung bzw. Radienverarbeitung von Möbelplatten eingesetzt werden. Auch hier kommen die Vorteile des Einsatzes eines Laserdioden Arrays besonders zur Geltung. Bei der BAZ-Anlagentechnik kommt eine Freiraumverarbeitung (CNC-Systematik) zum Einsatz. Bei herkömmlichen Anlagen mit Lasern besteht die Problematik, dass der Einfallswinkel des Lasers bei der Bewegung des Verarbeitungskopfes um die Radienkonturen der Möbelplatte möglichst Konstant gehalten werden muss, dabei konventionellen Lasern der Einfallswinkel eine gewichtige Kenngröße für die Einkopplung der Laserleistung ist. Aus diesem Grund ist der Einsatz herkömmlicher Laser beim Kantenbandbearbeitungszentrum (BAZ) problematisch. Da jedoch die erfindungsgemäßen Laserdioden Arrays eine "Flächenstrahlung" generieren, lässt sich diese Technik sehr einfach auch in BAZ-Anlagen umsetzen. Einzelheiten sind in den Figuren nicht dargestellt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1163864 B1 [0002]
- DE 202006020669 U1 [0002]
- DE 102010004092 A1 [0002]
