DE102019215516B4

DE102019215516B4 - Vorrichtung zum stoffschlüssigen Verbinden zweier aus Kunststoff bestehender Werkstücke mittels Laserschweißen

Info

Publication number: DE102019215516B4
Application number: DE102019215516.2A
Authority: DE
Inventors: Hans-Peter Tranitz; Udo Murmann; Ignacio Gaeta; Eduardo Mayani Torres; Cleopatra Ceausescu
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Gefasoft Automatisierung und Software Reg De GmbH; Continental Automotive Technologies GmbH
Priority date: 2019-10-10
Filing date: 2019-10-10
Publication date: 2022-07-21
Anticipated expiration: 2039-10-11
Also published as: DE102019215516A1

Abstract

Bearbeitungsvorrichtung zum stoffschlüssigen Verbinden zweier aus Kunststoff bestehender Werkstücke (10, 20) mittels Laserschweißen, umfassend:- eine Strahlquelle (2) zur Emission von Laserenergie;- eine erste Aufnahme (113), auf oder in der ein erstes Werkstück (10) aus einem Material, das die von der Strahlquelle (2) emittierte Laserenergie absorbiert, derart anordenbar ist, dass eine erste Fügefläche (11) des ersten Werkstücks (10) der Strahlquelle (2) zugewandt ist;- eine zweite Aufnahme (123), auf oder in der ein zweites, korrespondierendes Werkstück (20) aus einem Material, das die von der Strahlquelle (2) emittierte Laserenergie absorbiert, derart anordenbar ist, dass eine zweite Fügefläche (21) des zweiten Werkstücks (20) der Strahlquelle (2) zugewandt ist; und- eine zwangsgeführte Kurvensteuerung, die dazu ausgebildet ist, die erste und zweite Aufnahme (113, 123) zwischen mehreren Positionen gesteuert zu bewegen, um das erste und zweite Werkstück (10, 20) in jeweiligen der mehreren Positionen zu erwärmen und zu verpressen, wobeidie zwangsgeführte Kurvensteuerung dazu ausgebildet ist, in einer zweiten Position der Positionen die erste Fügefläche (11) des ersten Werkstücks (10) und die zweite Fügefläche (21) des zweiten Werkstücks (20) parallel beabstandet gegenüberstehend anzuordnen und in einer dritten Position der Positionen die erste Fügefläche (11) des ersten Werkstücks (10) und die zweite Fügefläche (21) des zweiten Werkstücks (20) in Kontakt zu bringen und in einer Richtung senkrecht zu den Ebenen der ersten und zweiten Fügefläche (11, 21) mit Kraft zu beaufschlagen, und wobeidie zwangsgeführte Kurvensteuerung ferner dazu ausgebildet ist, die erste und die zweite Aufnahme (113, 123) durch eine Bewegung parallel zu den Ebenen der ersten und zweiten Fügefläche (11, 21) zwischen der zweiten und der dritten Position der Positionen zu bewegen, wobei die erste und die zweite Aufnahme (113, 123) entlang zugeordneter schräger Flächen (216, 226) geführt werden, deren Neigung sich in Bewegungsrichtung verjüngt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum stoffschlüssigen Verbinden zweier aus Kunststoff bestehender Werkstücke mittels Laserschweißen.
Das stoffschlüssige Verbinden zweier aus Kunststoff bestehender Werkstücke mittels Laserschweißen wird auch als Kunststoffschweißen bezeichnet. Beim sog. Durchstrahlschweißen, bei dem die zwei als Fügepartner bezeichneten Werkstücke übereinander angeordnet sind, ist die Verbindung vollständig ins Innere der Werkstücke verlegt. Eines der beiden Werkstücke ist dabei transparent, während für die Absorption der Laserenergie Pigmente in dem anderen Werkstück sorgen.
Im Vergleich zu konventionellen Verbindungstechniken, wie Kleben, Ultraschall-, Vibrations- oder Heizelementschweißen zeichnet sich das Laserschweißen von Kunststoff durch eine Reihe von verfahrensbedingten Vorteilen aus. Das Verkleben von Kunststoffen erfordert meist eine Oberflächenbehandlung und arbeitet mit organischen Lösungsmitteln. Das Verschweißen mit Heizelementen ist günstig, Verschweißen mit Heißluft ist teuer und langsam. Ferner sind die dazu benötigten Anlagen teuer und wenig präzise. Es wird großflächig erhitzt, was ungünstig für empfindliche Bauteile, z.B. elektronische Komponenten, ist. Reibungs-, Vibrations- oder Ultraschallschweißen setzen die Werkstücke hohen mechanischen Belastungen aus und erfordern daher aufwändige Konstruktionen. Aufgrund entstehender Partikel, ist die Reinheit während und nach der Fertigung ein Problem, da in die Bauteile fallende Partikel auf Leiterplatten zu Korrosion und infolgedessen Ausfällen führen können.
Das Kunststoffschweißen mit Laser hingegen ermöglicht eine geringe thermische und mechanische Belastung für das herzustellende Bauteil. Es ist sauber, partikel- und lösungsmittelfrei und hoch flexibel einsetzbar. Allerdings erfordern bislang verwendete Schweißverfahren die Bereitstellung eines Werkstücks aus einem für die Wellenlänge des Lasers transparenten Material, während das andere aus einem für die Laserenergie absorbierenden Material besteht. Beim Verschweißen tritt die Laserenergie durch den transparenten Fügepartner hindurch, wobei im Bereich des auftreffenden Laserstrahls Material des aus absorbierendem Material bestehenden Werkstücks geschmolzen wird. Durch Wärmeübertrag auf das transparente Werkstück wird auch Material des transparenten Fügepartners erweicht, wodurch die stoffflüssige Verbindung nach Erkalten hergestellt kann. Dieses Verfahren ist aufgrund der unterschiedlichen Materialien (transparent und absorbierend) jedoch bei der Herstellung von Bauteilen, welche z.B. bestimmten ästhetischen Ansprüchen genügen müssen, nicht einsetzbar. Die Bereitstellung eines Materials, welches für das von einer Strahlquelle emittierte Laserlicht transparent ist, optisch jedoch an den anderen Fügepartner angepasst ist, ist mit hohen Kosten verbunden.
Aus dem Dokument US 2015 / 0 273 808 A1 ist ein System zum Verschweißen von mindestens zwei Kunststoffkomponenten bekannt, bei dem die Kunststoffkomponenten an den jeweiligen Verbindungsflächen miteinander verschweißt werden. Das System umfasst mindestens eine
Infrarot (IR)-Laserstrahlquelle, die relativ zu den mindestens zwei Kunststoffkomponenten positioniert ist, und ein Steuermodul. Die IR-Laserstrahlquelle erzeugt einen IR-Laserstrahl. Das Steuermodul steht in operativer Kommunikation mit der mindestens einen IR-Laserstrahlquelle. Das Steuermodul enthält eine Steuerlogik zur Steuerung der mindestens einen IR-Laserstrahlquelle, um die Fügeflächen der mindestens zwei Kunststoffkomponenten auf eine Schweißtemperatur zu erwärmen.
Aus dem Dokument DE 10 2005 024 983 A1 ist eine Vorrichtung zum Verschweißen von zwei Körpern aus einem schweißbaren Material bekannt, wobei die Vorrichtung jeweils eine Halteeinrichtung für jeden Körper aufweist, die eine zu schweißende Fläche des Körpers in einer vorbestimmten Position halten und, ansprechend auf ein Steuersignal, die zu verschweißenden Flächen der Körper in Kontakt miteinander bringen.
Weiter ist aus dem Dokument DE 10 2008 042 663 A1 eine Vorrichtung zum Fügen zweier Kunststoffformteile bekannt, die eine Wärmequelle aufweist, die einen oder mehrere Laserstrahlen erzeugt. Durch eine weitere Vorrichtung, beispielsweise eine Optik mit einem bewegbaren Spiegel zur Ausrichtung des Laserstrahls, wird der Laserstrahl auf die Fügeflächen des ersten Kunststoffformteils bzw. des zweiten Kunststoffformteils fokussiert und so darüber hinwegbewegt, dass eine gewünschte erste Fügefläche und eine gewünschte zweite Fügefläche erzeugt werden. Die erste Fügefläche und die zweite Fügefläche sind während des gesamten Erwärmungsvorgangs zur Wärmequelle hin ausgerichtet. Nach dem Erwärmungsvorgang wird das zweite Kunststoffformteil relativ zum ersten Kunststoffformteil entlang eines Fügeweges bewegt, bis die Fügeflächen zueinander ausgerichtet sind und miteinander in Kontakt gebracht werden können.
Die Fügeflächen werden durch Krafteinwirkung zusammengepresst, so das eine feste Verbindung entsteht.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum stoffschlüssigen Verbinden zweier aus Kunststoff bestehender Werkstücke mittels Laserschweißen bereitzustellen, welche die Vorteile des Kunststoffschweißens mit einer freien Materialwahl hinsichtlich der Transparenz der Fügepartner verbinden.
Diese Aufgabe wird durch eine Bearbeitungsvorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Zunächst wird ein Verfahren zum stoffflüssigen Verbinden zweier aus Kunststoff bestehender Werkstücke mittels Laserschweißen beschrieben. Das stoffflüssige Verbinden zweier aus Kunststoff bestehender Werkstücke mittels Laserschweißen wird nachfolgend auch als Kunststoffschweißen bezeichnet.
In einem ersten Schritt erfolgt das Anordnen eines ersten Werkstücks aus einem Material, das die von der Strahlquelle emittierte Laserenergie absorbiert, auf oder in einer ersten Aufnahme einer Bearbeitungsvorrichtung, so dass eine erste Fügefläche des ersten Werkstücks der Strahlquelle zugewandt ist. In entsprechender Weise erfolgt das Anordnen eines zweiten, korrespondierenden Werkstücks aus einem Material, das die von der Strahlquelle emittierte Laserenergie absorbiert, auf oder in einer zweiten Aufnahme der Bearbeitungsvorrichtung, so dass eine zweite Fügefläche des zweiten Werkstücks der Strahlquelle zugewandt ist. Das erste und das zweite Werkstück stellen Fügepartner dar. Die miteinander verbundenen Werkstücke stellen ein Bauteil dar, in welchem z.B. elektronische Komponenten aufgenommen sein können. Das durch die Verbindung der beiden Fügepartner hergestellte Bauteil kann ein Bauteil aus dem automobilen Bereich, aus der Raumfahrt, der Medizin, der Elektronik oder einem beliebigen anderen Gebiet sein, in dem zwei aus Kunststoff bestehende Fügepartner durch eine Kunststoffschweißverbindung miteinander verbunden sein sollen.
Insbesondere können zur Durchführung die Materialien des ersten und des zweiten Werkstücks gleich gewählt sein. Dies ist jedoch nicht zwingend. So kann das Material für die Absorption des von der Strahlquelle emittierten Laserstrahls Pigmente, z.B. aus Ruß, aufweisen.
In einem zweiten Schritt erfolgt das Erwärmen einer ersten Fügezone in der ersten Fügefläche des ersten Werkstücks mittels der Strahlquelle. In diesem oder einem weiteren Schritt erfolgt das Erwärmen einer zweiten Fügezone in der zweiten Fügefläche des zweiten Werkstücks mittels der Strahlquelle. Das Erwärmen der ersten und der zweiten Fügezone erfolgt vorzugsweise in etwa zeitgleich, da in der ersten und der zweiten Fügezone Material des ersten bzw. zweiten Werkstücks aufgrund der Wärmeumsetzung aufgeschmolzen wird. Das Erwärmen kann zeitlich hintereinander erfolgen, z.B. wird zuerst die erste Fügezone mittels der Strahlquelle erwärmt, und anschließend die zweite Fügezone. Bei der ersten und der zweiten Fügezone kann es sich um flächige oder beliebig geformte längliche Bereiche in der ersten bzw. zweiten Fügefläche handeln. In der Regel liegt die erste Fügezone in einer Ebene der ersten Fügefläche und die zweite Fügezone liegt in einer Ebene der zweiten Fügefläche.
In einem nächsten Schritt erfolgt, nachdem die Strahlquelle abgeschaltet wurde, ein gesteuertes Bewegen der ersten und der zweiten Aufnahme bis sich die erste Fügefläche des ersten Werkstücks und die zweite Fügefläche des zweiten Werkstücks parallel beabstandet gegenüberstehen. Genauer stehen sich die Ebenen, in denen die erste und die zweite Fügefläche bzw. -zone liegen, parallel beabstandet gegenüber. Das gesteuerte Bewegen kann z.B. ein synchrones Bewegen der ersten und der zweiten Aufnahme umfassen.
In einem letzten Schritt erfolgt das gesteuerte Aufeinanderzubewegen der ersten und der zweiten Aufnahme, so dass die erste Fügefläche des ersten Werkstücks und die zweite Fügefläche des zweiten Werkstücks in einer Richtung senkrecht zu den Ebenen der ersten und zweiten Fügefläche in Kontakt gebracht und mit Kraft beaufschlagt werden, wobei die Kraftbeaufschlagung bis zum Erkalten des in der ersten und der zweiten Fügezone erwärmten Materials aufrechterhalten wird. Die Kraftbeaufschlagung erfolgt somit solange, bis das durch die Strahlquelle erwärmte und verflüssigte Material nicht mehr deformiert werden kann, z.B. aufgrund eines nachlassenden äußeren Drucks zwischen den beiden Werkstücken. Das gesteuerte Aufeinanderzubewegen der ersten und der zweiten Aufnahme kann ein lineares und/oder paralleles Aufeinanderzubewegen umfassen. Die Bewegung der ersten und der zweiten Aufnahme kann optional synchron ausgeführt werden.
Die Bewegung der ersten und der zweiten Aufnahme in den beiden zuletzt genannten Schritten erfolgt mittels zwangsgeführter Kurvensteuerung.
Das Verfahren ermöglicht das Kunststoffschweißen zweier „nicht-transparenter“ Werkstücke, wobei die Energiequelle den Fügebereich nicht berührt. Hierdurch ist ein selektives Kunststoffschweißen zweier aus Kunststoff bestehender Fügepartner möglich, wobei die von der Strahlquelle emittierte Energie selektiv und kontrolliert ausschließlich in die Fügegeometrie eingebracht werden kann.
Dadurch, dass die durch das Verfahren ausgeführten Schritte mittels einer nachfolgend noch näher beschriebenen Bearbeitungsvorrichtung unter Verwendung einer zwangsgeführten Kurvensteuerung ausgeführt werden können, lassen sich hohe Taktzahlen mit einer hohen Fügegenauigkeit vereinen. Hierdurch lassen sich Bauteile zu geringen Kosten herstellen.
Die Verwendung eines Kunststoffschweißverfahrens ermöglicht einen partikelfreien Verarbeitungsprozess. Die Verwendung einer Strahlquelle zur Emittierung von Laserenergie ermöglicht einen selektiven Wärmepfad zur Erzeugung der beabsichtigten Fügezone. Es wird eine hohe Flexibilität bei geringfügigen Änderungen des Designs der Fügepartner, ohne große Modifikationen an der Bearbeitungsvorrichtung vornehmen zu müssen, bereitgestellt. Da die Fügepartner während des Verbindungsvorgangs keinen Vibrationen ausgesetzt sind, eignet sich das Verfahren insbesondere zur Verbindung solcher Fügepartner, die elektronische Komponenten umfassen. Da keiner der beiden Fügepartner aus einem für Laserstrahlung transparenten Material bereitgestellt werden braucht, können gute Verbindungen zu geringen Kosten realisiert werden.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird nun eine Bearbeitungsvorrichtung zum stoffschlüssigen Verbinden zweier aus Kunststoff bestehender Werkstücke mittels Laserschweißen vorgeschlagen. Die Bearbeitungsvorrichtung umfasst eine Strahlquelle zur Emission von Laserenergie, eine erste Aufnahme, eine zweite Aufnahme und eine zwangsgeführte Kurvensteuerung.
Auf oder in der ersten Aufnahme ist ein erstes Werkstück aus einem Material, das die von der Strahlquelle emittierte Laserenergie absorbiert, derart anordenbar, dass eine erste Fügefläche des ersten Werkstücks der Strahlquelle zugewandt ist. Dadurch kann in dem ersten Werkstück mittels der Strahlquelle eine erste Fügezone erzeugt werden.
Auf oder in der zweiten Aufnahme ist ein zweites, korrespondierendes Werkstück aus einem Material, das die von der Strahlquelle emittierte Laserenergie absorbiert, derart anordenbar, dass eine zweite Fügefläche des zweiten Werkstücks der Strahlquelle zugewandt ist. Dadurch kann in dem zweiten Werkstück mittels der Strahlquelle eine zweite Fügezone erzeugt werden.
Die zwangsgeführte Kurvensteuerung ist dazu ausgebildet, die erste und zweite Aufnahme zwischen mehreren Positionen gesteuert zu bewegen, um das erste und zweite Werkstück in jeweiligen der mehreren Positionen zu erwärmen und zu verpressen. Das gesteuerte Bewegen kann z.B. ein synchrones Bewegen der ersten und der zweiten Aufnahme umfassen.
Die zwangsgeführte Kurvensteuerung umfasst in einer dem Fachmann bekannten Weise ein oder mehrere geeignete Führungsteile, an dem oder denen mit der ersten bzw. zweiten Aufnahme verbundene Abtaster (z.B. ein Steuerhebel, der eine definierte Bewegung vorgibt) entlang geführt werden, um die erste und zweite Aufnahme bzw. die daran oder darin angeordneten Werkstücke in die für die jeweiligen Bearbeitungsschritte erforderlichen Positionen zu verbringen.
Die zwangsgeführte Kurvensteuerung ist gemäß einer Ausgestaltung dazu ausgebildet, in einer ersten Position der Positionen eine erste Fügezone in der ersten Fügefläche des ersten Werkstücks mittels der Strahlquelle und eine zweite Fügezone in der zweiten Fügefläche des zweiten Werkstücks mittels der Strahlquelle zu erwärmen. Dies erfolgt durch das Einschalten der Strahlquelle für eine, insbesondere vorgegebene, Zeitdauer, wobei die Zeitdauer insbesondere von der Form, Größe und Gestalt der ersten bzw. zweiten Fügezone abhängt.
Zweckmäßigerweise sind in der ersten Position die erste und/oder die zweite Fügefläche derart auf der zugeordneten ersten und zweiten Aufnahme angeordnet, das zwischen der Ebene der ersten und/oder zweiten Fügefläche und der Richtung eines von der Strahlquelle abgegebenen Laserstrahls ein vorgegebener Winkel von etwa 90° (mechanische Grad) besteht. Die Anordnung somit erfolgt derart, dass der Laserstrahl möglichst senkrecht auf die erste und/oder die zweite Fügefläche auftrifft. Liegen die erste und die zweite Fügefläche in einer Variante in einer gemeinsamen Ebene, so ist die Strahlquelle derart relativ zu der ersten und der zweiten Fügefläche bzw. deren Ebene angeordnet, dass der Laserstrahl leicht schräg auf die erste und die zweite Fügefläche trifft. Alternativ können die erste und die zweite Fügefläche in der ersten Position in unterschiedlichen Ebenen, die einen vorgegebenen Winkel zueinander einnehmen, liegen. Dann kann die Strahlquelle beispielsweise symmetrisch oberhalb der beiden Ebenen der ersten und der zweiten Fügefläche angeordnet sein.
Erfindungsgemäß ist die zwangsgeführte Kurvensteuerung dazu ausgebildet, in einer zweiten Position der Positionen die erste Fügefläche des ersten Werkstücks und die zweite Fügefläche des zweiten Werkstücks parallel beabstandet gegenüberstehend anzuordnen. Bevor die erste und die zweite Aufnahme von der ersten und der zweiten Position verbracht werden, wird die Strahlquelle abgeschaltet. Das Verbringen der Werkstücke von der ersten in die zweite Position wird als „Switching“ bezeichnet.
Es ist weiterhin vorgesehen, dass die zwangsgeführte Kurvensteuerung dazu ausgebildet ist, die erste und die zweite Aufnahme durch eine Schwenk- und/oder Rotationsbewegung zwischen der ersten und zweiten Position der Positionen zu bewegen. Dies wird durch das Zusammenspiel von Führungsteilen und Abtastern, welche mittelbar oder unmittelbar mit der ersten und der zweiten Aufnahme verbunden sind, realisiert.
Erfindungsgemäß ist die zwangsgeführte Kurvensteuerung ferner dazu ausgebildet, in einer dritten Position der Positionen die erste Fügefläche des ersten Werkstücks und die zweite Fügefläche des zweiten Werkstücks in Kontakt zu bringen und in einer Richtung senkrecht zu den Ebenen der ersten und zweiten Fügefläche mit Kraft zu beaufschlagen. Dies wird als „Clamping“ bezeichnet.
Erfindungsgemäß ist die zwangsgeführte Kurvensteuerung dazu ausgebildet, die erste und die zweite Aufnahme durch eine Bewegung parallel zu der ersten und zweiten Fügefläche zwischen der zweiten und der dritten Position der Positionen zu bewegen, wobei die erste und die zweite Aufnahme entlang zugeordneter schräger Flächen geführt werden, deren Neigung sich in Bewegungsrichtung verjüngt. Die schrägen Flächen können hierbei mit korrespondierenden schrägen Flächen der ersten bzw. zweiten Aufnahme korrespondieren, so dass bei einer Bewegung parallel zu den Ebenen der ersten und zweiten Fügefläche diese näher zusammengeführt und dadurch mit Kraft beaufschlagt werden. Die dritte Position wird beibehalten bis die Fügeflächen erkaltet sind. Dieser Prozess wird als „Cooling“ bezeichnet.
Zweckmäßigerweise ist die zwangsgeführte Kurvensteuerung dazu ausgebildet, die Kraftbeaufschlagung in der dritten Position bis zum Erkalten des in der ersten und der zweiten Fügezone erwärmten Materials aufrechtzuerhalten.
Die Strahlquelle kann eine Lichtemissionsquelle umfassen, welche die erste und zweite Fügezone des ersten und zweiten Werkstücks durch Bestrahlung mit Laserenergie erzeugt. Alternativ kann die Strahlquelle mehrere Lichtemissionsquellen umfassen, um die erste und die zweite Fügezone des ersten und des zweiten Werkstücks zu erzeugen. Die Anzahl und Anordnung der Lichtemissionsquellen erfolgt insbesondere unter dem Gesichtspunkt, dass eine möglichst senkrechte Bestrahlung der ersten und zweiten Fügeflächen des ersten bzw. zweiten Werkstücks bewerkstelligt werden kann.
Die Erfindung wird nachfolgend näher anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

1 ein schematisches Ablaufdiagramm, das die Schritte des beschriebenen Verfahrens illustriert; und
2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Bearbeitungsvorrichtung.

Der in der 1 schematisch dargestellte Ablauf des Verfahrens zum stoffschlüssigen Verbinden zweier aus Kunststoff bestehender Werkstücke mittels Laserschweißen (hierin auch als Kunststoffschweißen bezeichnet) besteht im Wesentlichen aus vier Schritten S1 bis S4: Gemäß Schritt S1 werden in den Werkstücken Fügezonen mittels einer Strahlquelle (z.B. eines IR-Lasers) erwärmt. Die Fügezonen in den beiden Werkstücken, die jeweils aus einem Material bestehen, das von der Strahlquelle emittierte Laserenergie absorbiert, sind korrespondierend zueinander ausgebildet. Die Werkstücke bestehen vorzugsweise jeweils aus einem Laserenergie absorbierenden Material. Vor dem Erwärmen der als Fügepartner bezeichneten Werkstücke werden diese in jeweiligen Aufnahmen einer Bearbeitungsvorrichtung angeordnet, so dass diese der bereits erwähnten Strahlquelle zugewandt sind, so dass mittels der Strahlquelle die jeweiligen Fügezonen in Fügeflächen der Werkstücke erzeugt werden können. In einem Schritt S2 werden die beiden Werkstücke, nachdem die Strahlquelle abgeschaltet wurde, gesteuert, z.B. synchron, derart bewegt, dass diese parallel beabstandet gegenüberstehen. Dieser Schritt S2 wird auch als „Switching“ bezeichnet. Im Schritt S3 erfolgt ein gesteuertes (z.B. synchrones) Aufeinanderzubewegen der beiden Werkstücke, wobei die Fügeflächen der Werkstücke in Kontakt gebracht und mit Kraft beaufschlagt werden. Dieser Schritt des Pressens wird auch als „Clamping“ bezeichnet. Anschließend erfolgt in Schritt S4 ein Abkühlen („Cooling“), wobei die Kraftbeaufschlagung bis zum Erkalten des in den Fügezonen erwärmten Materials aufrechterhalten wird. Die Schritte S2 und S3 werden dabei mittels einer zwangsgeführten Kurvensteuerung erzeugt, welche nachfolgend in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Bearbeitungsvorrichtung in 2 beschrieben werden.
Die in 2 schematisch dargestellte Bearbeitungsvorrichtung umfasst einen unteren Mechanismus 100, der die stoffschlüssig miteinander zu verbindenden Werkstücke 10, 20 während jedes der in Verbindung in 1 beschriebenen Verarbeitungsschritte hält und in die dazu erforderliche Position bringt. Ein oberer Mechanismus 200 Elemente für die zwangsgeführte Kurvensteuerung.
Die Bearbeitungsvorrichtung 1 umfasst (in Zeichenebene) oberhalb des unteren und oberen Mechanismus 100, 200 eine Strahlquelle 2 zur Emission von Laserenergie. Lediglich beispielshaft umfasst die Strahlquelle 2 im in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel zwei Lichtemissionsquelle 2a und 2b. Die Lichtemissionsquellen 2a, 2b sind voneinander beabstandet angeordnet. Beispielhaft ist ein von der Lichtemissionsquelle 2a abgegebener Laserstrahl 3a auf das in dem unteren Mechanismus 100 gehaltenen Werkstück 10 zur Erzeugung einer Fügezone in der Fügefläche 11 gerichtet. Ein von der Lichtemissionsquelle 2b abgegebener Laserstrahl 3b ist auf das in dem unteren Mechanismus 100 gehaltenen Werkstück 20 zur Erzeugung einer Fügezone in der Fügefläche 21 gerichtet.
Zur Halterung der Werkstücke 10, 20 umfasst der untere Mechanismus 100 eine erste Aufnahme 113, auf oder in der das erste Werkstück 10 anordenbar ist. Das erste Werkstück 10 ist in der ersten Aufnahme 113 derart angeordnet, dass dessen ersten Fügefläche 11 der Lichtemissionsquelle 2a zugewandt ist. Korrespondierend hierzu umfasst der untere Mechanismus 100 eine zweite Aufnahme 123, auf oder in der das zweite Werkstück 20 derart angeordnet ist, dass dessen Fügefläche 21 der Lichtemissionsquelle 2b zugewandt ist.
In dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel liegen die Fügeflächen 11, 21 der Werkstücke 10, 20 in einer gemeinsamen Ebene. Zur Erzeugung der Fügezonen in den Werkstücken 10, 20 ist es bevorzugt, wenn der Laserstrahl der Lichtemissionsquellen 2a, 2b möglichst senkrecht auf die Oberflächen der Werkstücke 10, 20 auftritt. Aus mechanischen Gründen sind die Lichtemissionsquellen 2a, 2b relativ zu den Fügeflächen 11, 21 schräg angeordnet.
Die erste und zweite Aufnahme 113, 123 sind zwischen mehreren Positionen gesteuert bewegbar, um das erste und zweite Werkstück in einer jeweiligen Position der mehreren Positionen zu erwärmen und zu verpressen und dabei die Schritte des in 1 beschriebenen Ablaufs auszuführen. 2 zeigt dabei eine erste Position, in der der Schritt S1 des Erwärmens ausgeführt wird. Der Bewegungsablauf wird durch die bereits erwähnte zwangsgeführte Kurvensteuerung bewirkt. Dies wird nachfolgend beschrieben.
Auf einer Grundplatte 101 des unteren Mechanismus 100 ist ein Schlitten 110 angeordnet, auf dem über eine erste Bewegungsmechanik 111 und eine erste Schwenkplatte 112 die Aufnahme 113 für das Werkstück 10 angeordnet ist. Korrespondierend dazu ist auf der Grundplatte 101 ein zweiter Schlitten 120 vorgesehen, auf dem die zweite Aufnahme 123 über eine zweite Schwenkmechanik 121 und eine zweite Schwenkplatte 122 angeordnet ist. Die Schlitten 110, 120 sind derart auf der Grundplatte 101 gelagert bzw. befestigt, dass eine Bewegung in Links-Rechts-Richtung der Zeichenebene ermöglicht wird.
Die Schwenkplatten 112, 122 sind derart an der Bewegungsmechanik 111, 121 gelagert, dass ein Verschwenken in jeweiligen Pfeilrichtungen möglich ist, so dass in einer zweiten Position die Aufnahme 113, 123 einander zugewandt sind. In der nicht dargestellten zweiten Position sind dann die Fügeflächen 11, 21 der beiden Werkstücke 10, 20 parallel und beabstandet gegenüberstehend angeordnet. Zur Erreichung der Endposition der zweiten Position können die Schlitten 110, 120 z.B. aufeinander zubewegt werden.
Die Schwenkbewegung der Schwenkplatten 112, 122 erfolgt mittels zwangsgeführter Kurvensteuerung. Zu diesem Zweck sind an den Schwenkplatten 112, 122 jeweilige Kurven-Abtastelemente 114, 124 angeordnet, die mit Bewegungskurven des oberen Mechanismus 200 zusammenwirken, vorgesehen. Zu diesem Zweck umfasst der obere Mechanismus 200 eine Halteplatte 201, an der ein erstes Führungsteil 210 mit einer Bewegungskurve 211 für das erste Kurven-Abtastelement 114 und ein zweites Führungsteil 220 mit einer Bewegungskurve 221 für das zweite Kurven-Abtastelement 124 befestigt ist. Die Bewegungskurven 211, 221 sind lediglich aus zeichnerischen Gründen als Geraden ausgebildet. Tatsächlich handelt es sich bei den Bewegungskurven 211, 221 um zumindest abschnittsweise gekrümmte Abschnitte, um ein Verschwenken der Aufnahmen 113, 123 von der waagerechten Position (erste Position) in die horizontale Position (zweite Position) vornehmen zu können, wobei die zweite Position in den Figuren nicht dargestellt ist.
Um ein Verpressen der durch Aufschmelzen erzeugten Fügezonen in den Fügeflächen 11, 21 der Werkstücke 10, 20 vornehmen zu können, sind an der Halteplatte 201 jeweils weitere Druckerzeugungs-Führungsteile 215, 225 mit jeweiligen Bewegungskurven 216, 226 vorgesehen. Durch eine Bewegung der parallel zueinander ausgerichteten Aufnahmen 113, 123 (in Zeichenrichtung) nach oben bzw. von der Grundplatte 101 weg werden z.B. die den Aufnahmen 113, 123 abgewandten Rückseiten der Schwenkplatten 122, 112 in Eingriff mit den Bewegungskurven 216, 226 gebracht. Durch eine Aufwärtsbewegung bzw. eine Bewegung weg von der Grundplatte 100 wird dann ein Druck erzeugt, durch den die aufgeschmolzenen Fügezonen miteinander verpresst werden. Die Aufwärtsbewegung kann durch die Bewegungsmechanik 111, 121 erzeugt werden.
Entgegen der zeichnerischen Darstellung sind die Bewegungskurven 216, 226 als schräge Flächen ausgebildet, deren Neigung sich in einer Aufwärtsrichtung verjüngt. Je nachdem, wie weit die Schwenkplatten bzw. die Bewegungsmechanik 111, 121 mit den Aufnahmen 113, 123 nach oben bewegt werden, kann der Druck zwischen den zu verbindenden Werkstücken 10, 20 gesteuert werden. Diese dritte Position wird solange gehalten, bis die aufgeschmolzenen Materialbereiche in den Fügezonen abgekühlt sind, so dass die Werkstücke 10, 20 nun stoffschlüssig verbunden sind.
Anschließend erfolgt eine Abwärtsbewegung der Aufnahmen 113, 123 mit den miteinander verbundenen Werkstücken 10, 20, wobei die Bearbeitungsvorrichtung in die zweite Position verbracht wird. Aufgrund der zwangsgeführten Kurvensteuerung werden die linke und die rechte Werkzeugkomponente wieder in die in 2 gezeigte erste Position verbracht, wobei die nun miteinander verbundenen Werkstücke in einer der beiden Aufnahmen 113 oder 123 zur Entnahme bereit sind.

Claims

Bearbeitungsvorrichtung zum stoffschlüssigen Verbinden zweier aus Kunststoff bestehender Werkstücke (10, 20) mittels Laserschweißen, umfassend: - eine Strahlquelle (2) zur Emission von Laserenergie; - eine erste Aufnahme (113), auf oder in der ein erstes Werkstück (10) aus einem Material, das die von der Strahlquelle (2) emittierte Laserenergie absorbiert, derart anordenbar ist, dass eine erste Fügefläche (11) des ersten Werkstücks (10) der Strahlquelle (2) zugewandt ist; - eine zweite Aufnahme (123), auf oder in der ein zweites, korrespondierendes Werkstück (20) aus einem Material, das die von der Strahlquelle (2) emittierte Laserenergie absorbiert, derart anordenbar ist, dass eine zweite Fügefläche (21) des zweiten Werkstücks (20) der Strahlquelle (2) zugewandt ist; und - eine zwangsgeführte Kurvensteuerung, die dazu ausgebildet ist, die erste und zweite Aufnahme (113, 123) zwischen mehreren Positionen gesteuert zu bewegen, um das erste und zweite Werkstück (10, 20) in jeweiligen der mehreren Positionen zu erwärmen und zu verpressen, wobei die zwangsgeführte Kurvensteuerung dazu ausgebildet ist, in einer zweiten Position der Positionen die erste Fügefläche (11) des ersten Werkstücks (10) und die zweite Fügefläche (21) des zweiten Werkstücks (20) parallel beabstandet gegenüberstehend anzuordnen und in einer dritten Position der Positionen die erste Fügefläche (11) des ersten Werkstücks (10) und die zweite Fügefläche (21) des zweiten Werkstücks (20) in Kontakt zu bringen und in einer Richtung senkrecht zu den Ebenen der ersten und zweiten Fügefläche (11, 21) mit Kraft zu beaufschlagen, und wobei die zwangsgeführte Kurvensteuerung ferner dazu ausgebildet ist, die erste und die zweite Aufnahme (113, 123) durch eine Bewegung parallel zu den Ebenen der ersten und zweiten Fügefläche (11, 21) zwischen der zweiten und der dritten Position der Positionen zu bewegen, wobei die erste und die zweite Aufnahme (113, 123) entlang zugeordneter schräger Flächen (216, 226) geführt werden, deren Neigung sich in Bewegungsrichtung verjüngt.
Bearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zwangsgeführte Kurvensteuerung dazu ausgebildet ist, in einer ersten Position der Positionen eine erste Fügezone in der ersten Fügefläche (11) des ersten Werkstücks (10) mittels der Strahlquelle (2) und eine zweite Fügezone in der zweiten Fügefläche (21) des zweiten Werkstücks (20) mittels der Strahlquelle (2) zu erwärmen.
Bearbeitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zwangsgeführte Kurvensteuerung dazu ausgebildet ist, die erste und die zweite Aufnahme (113, 123) durch eine Schwenk- und/oder Rotationsbewegung zwischen der ersten und der zweiten Position der Positionen zu bewegen.
Bearbeitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zwangsgeführte Kurvensteuerung dazu ausgebildet ist, die Kraftbeaufschlagung in der dritten Position bis zum Erkalten des in der ersten und zweiten Fügezone erwärmten Materials aufrechtzuerhalten.
Bearbeitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlquelle (2) ein oder mehrere Lichtemissionsquellen (2a, 2b) umfasst.