DE102020211706A1

DE102020211706A1 - Verfahren und Drahtverarbeitungsmaschine zur Herstellung von Formteilen aus isoliertem Flachmaterial

Info

Publication number: DE102020211706A1
Application number: DE102020211706.3A
Authority: DE
Inventors: Uwe-Peter Weigmann; Robin Sautter
Original assignee: Wafios AG
Current assignee: Wafios AG
Priority date: 2020-09-18
Filing date: 2020-09-18
Publication date: 2021-09-16

Abstract

Bei einem Verfahren zur Herstellung von geraden oder gebogenen Formteilen aus isoliertem Flachmaterial, das ein elektrisch leitendes Trägermaterial aufweist, welches von einer elektrisch isolierenden Isolationsschicht umhüllt ist, wird das isolierte Flachmaterial mittels einer Einzugseinrichtung von einem Materialvorrat abgezogen und in der Drahtverarbeitungsmaschine zu einem geraden oder gebogenen Formteil aus isoliertem Flachmaterial verarbeitet. Das Formteil wird in einer Schnittoperation von dem zugeführten isolierten Flachmaterial abgetrennt. Vor dem Abtrennen des Formteils von dem zugeführten Flachmaterial wird in mindestens einem Abschnitt des isolierten Flachmaterials mittels einer in die Drahtverarbeitungsmaschine integrierten Abisoliereinrichtung ein Teil der Isolationsschicht in einer Abisolier-Operation von dem Trägermaterial entfernt. Die Abisolier-Operation umfasst eine Kombination aus einer Laserabtragoperation und einer mechanischen Abtragoperation, wobei zunächst in einem ersten Schritt mittels einer der Abtragoperationen die Isolationsschicht bis auf eine an dem Trägermaterial haftende Restschicht entfernt und danach in einem zweiten Schritt mittels der anderen Abtragoperation die Restschicht von dem Trägermaterial entfernt wird.

Description

ANWENDUNGSGEBIET UND STAND DER TECHNIK
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von geraden oder gebogenen Formteilen aus isoliertem Flachmaterial sowie eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Drahtverarbeitungsmaschine mit einer Abisoliereinrichtung zum Abisolieren von Abschnitten des isolierten Flachmaterials.
Auf dem Markt werden zunehmend Fahrzeuge mit voll- oder teilelektrischem Antrieb angeboten. Die Fahrzeuge besitzen meist leistungsfähige Energiespeichersysteme mit mehreren Batteriemodulen. Die elektrische Energie muss zwischen den einzelnen Batteriemodulen transportiert werden. Dazu werden isolierte und gebogene Kupfer- oder Aluminiumschienen verwendet, die auch als „Stromschienen“ bezeichnet werden. Weiterhin werden zunehmend die in Längsrichtung von Fahrzeugen zwischen Front und Heck laufenden Kabelbäume durch Stromschienen ersetzt. Aufgrund der immer größer werdenden Ströme werden Stromschienen mit entsprechend großem stromführenden Querschnitt benötigt. Da die für die Verlegung von Stromschienen zur Verfügung stehenden Bauräume zum Teil relativ eng und geometrisch komplex sind, werden in vielen Fällen Stromschienen benötigt, die an einer oder mehreren Stellen Biegungen aufweisen.
Auch zum Herstellen von Spulenelementen für Elektromotoren werden häufig Flachmaterialien in Form von isolierten und gebogenen Kupfer- oder Aluminiumdrähte mit Rechteckquerschnitt verwendet.
Bei der Herstellung von isoliertem Flachmaterial für eine Stromschiene oder ein Spulenelement wird ein elektrisch leitendes Trägermaterial (z.B. ein Flachdraht aus Aluminium oder Kupfer) zunächst durchgehend mit einer elektrisch isolierenden Isolationsschicht ummantelt bzw. umhüllt. An den Kontaktstellen zum elektrischen Anschluss des Elements sollte die Isolationsschicht jedoch entfernt sein, so dass das Trägermaterial möglichst blank vorliegt. Hierfür wird ein Arbeitsschritt des „Abisolierens“ durchgeführt. Das Abisolieren ist ein Vorgang, bei dem ein Teil der Isolierhülle (auch „Isolierung“ oder „Isolation“ oder „Isolationsschicht“ genannt) eines elektrischen Leiters auf einer bestimmten, zum Anschluss erforderlichen Länge („Abisolierlänge“) entfernt wird. Für die spätere Befestigung in der jeweiligen Einbauumgebung werden Stromschienen dann in der Regel z.B. festgeschraubt, festgeklemmt oder festgelötet.
Spulenelemente werden entsprechend befestigt. Auch eine Kontaktherstellung mittels Schweißen ist möglich.
Die WO 2018/134115 A1 beschreibt ein Verfahren und ein System zur Herstellung eines Biegeteils aus isoliertem Flachmaterial. Das Flachmaterial weist ein flaches elektrisch leitendes Trägermaterial auf, welches von einer elektrisch isolierenden Isolationsschicht umhüllt ist. Das isolierte Flachmaterial wird von einem Materialvorrat einer Biegemaschine zugeführt und in der Biegemaschine zu einem zwei- oder dreidimensional gebogenen Biegeteil aus isoliertem Flachmaterial umgeformt, welches dann in einer Schnittoperation von dem zugeführten isolierten Flachmaterial abgetrennt wird. Vor dem Abtrennen des Biegeteils von dem zugeführten Flachmaterial wird mittels einer in die Biegemaschine integrierten Abisoliereinrichtung an dem in der Biegemaschine geführten Flachmaterial in mindestens einem Abschnitt des isolierten Flachmaterials ein Teil der Isolationsschicht in einer Abisolier-Operation von dem elektrisch leitenden Trägermaterial entfernt. Die Abisolier-Operation wird im Durchlaufverfahren an dem durch die Abisoliereinrichtung durchlaufenden Flachmaterial durchgeführt. Bei einem Ausführungsbeispiel wird die Isolationsschicht an mindestens einer Seitenfläche des Flachmaterials mittels eines Messers mit einer geraden Schneidkante entfernt, die in einer Arbeitsstellung des Messers derart in der Nähe einer freizulegenden Seitenfläche des Trägermaterials angeordnet wird, dass ein von dem Messer erfasster Teil der Isolationsschicht bei Fortbewegung des Flachmaterials relativ zu dem Messer von dem Trägermaterial entfernt wird.
Es ist auch bekannt, zum Abisolieren von Flachmaterial Laserstrahlung zu verwenden.
Die DE 10 2013 006 361 A1 beschreibt Verfahren zum Abisolieren eines elektrischen Leiters mit rundem Querschnitt. Bei dem Verfahren wird eine den elektrischen Leiter zumindest teilweise umgebende Isolationsschicht mittels Laserstrahlung zumindest bereichsweise entfernt. Der elektrische Leiter wird nach der Entfernung der Isolationsschicht in den Bereichen, in welchen die Isolationsschicht entfernt wurde, mechanisch aufgeraut, um später eine Kontaktierung mit geringem Übergangswiderstand zu ermöglichen. Die Aufrauhung erfolgt bei einer Ausführungsform mittels eines Rändelwerkzeugs unter relativer Rotation zwischen Leiter und Rändelwerkzeug. Bei einer alternativen Ausführungsform wird ein Klingenwerkzeug verwendet, dessen Zähne zunächst umfangsseitig in den abisolierten Leiter eingedrückt werden, bevor die Klingen in Längsrichtung des Leiters bewegt werden.
Die WO 2019/101394 A1 beschreibt ein Verfahren zum Abisolieren eines elektrischen Leiters in Form eines Flachdrahts. Das Verfahren umfasst einen Schritt des Entfernens der Isolationsschicht an einem vordefinierten Bereich mittels Laserlicht. Das Laserlicht wird bevorzugt durch eine Kombination aus CO₂- und Nd:YAG-Laser erzeugt. Dies führt zu einer rückstandslosen Entfernung der Isolationsschicht bei kurzen Taktzeiten. Um scharfe Kanten zu vermeiden, ist vorgesehen, dass vor oder nach dem Schritt des Entfernens der Isolationsschicht entlang einer um das Leitelement umlaufenden Kante, die eine Grenze des vordefinierten Bereichs darstellt, die Isolationsschicht in einem Umformschritt gegen das Leitelement gedruckt wird. Dadurch kann ein verbessertes Anhaften der Isolationsschicht an dem Leitelement erreicht werden.
AUFGABE UND LÖSUNG
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Drahtverarbeitungsmaschine der eingangs erwähnten Art bereitzustellen, die u.a. bei der Fertigung teilweise abisolierter Stromschienen, Spulenelemente oder Vorstufen davon mit hoher Produktivität verwendet werden können. Dabei sollen die zur Kontaktierung vorgesehenen Abschnitte des Trägermaterials möglichst gut an die nachfolgenden Verarbeitungsschritte angepasst sein. Die Drahtverarbeitungsmaschine soll relativ kostengünstig sein und im Betrieb relativ niedrige Betriebskosten verursachen.
Zur Lösung dieser Aufgabe stellt die Erfindung ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 bereit. Weiterhin wird eine Drahtverarbeitungsmaschine mit den Merkmalen von Anspruch 11. bereitgestellt. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
Der Begriff „Flachmaterial“ bezeichnet hier im allgemeinen Werkstücke, deren Trägermaterial wenigstens zwei parallel zueinander ausgerichtete Seitenflächen aufweist. Die zwischen den Seitenflächen gemessene Dicke des Flachmaterials kann geringer sein als die Breite der Seitenflächen. Das Trägermaterial kann z.B. einen Rechteckquerschnitt mit relativ scharfen oder leicht oder komplett gerundeten und/oder mit einer Fase versehenen Kanten aufweisen. Es sind jedoch auch im Wesentlichen quadratische Querschnittsformen möglich, ggf. mit leicht oder komplett gerundeten und/oder mit einer Fase versehenen Kanten.
Das Verfahren gemäß einer Formulierung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Abisolier-Operation eine Kombination aus einer Laserabtragoperation und einer mechanischen Abtragoperation umfasst, wobei zunächst in einem ersten Schritt mittels einer der Abtragoperationen (entweder Laserabtragoperation oder mechanische Abtragoperation) die Isolationsschicht bis auf eine an dem Trägermaterial haftende Restschicht entfernt wird und danach in einem zweiten Schritt mittels der anderen Abtragoperation die Restschicht von dem Trägermaterial entfernt wird.
Die Abisolier-Operation umfasst somit zwei nacheinander durchführbare Schritte, die in unterschiedlicher Weise zum Abisolieren beitragen. Mit dem ersten Schritt wird eine Reduzierung der Schichtdicke der Isolationsschicht erreicht, wobei jedoch der abzuisolierende Abschnitt nicht vollständig abisoliert wird, sondern eine Restschicht geringer Dicke am Trägermaterial haften bleibt. Der erste Schritt kann im Hinblick auf eine Optimierung des erzielbaren Abtragvolumens pro Zeiteinheit optimiert sein, so dass relativ schnell ein großer Volumenanteil des Isolierschichtmaterials abgetragen werden kann. Der Materialabtrag führt dabei nicht bis zur Oberfläche des Trägermaterials, so dass dieses im ersten Schritt nicht unbeabsichtigt beschädigt werden kann. Die Abtragoperation für den zweiten Schritt dient dem Abtrag der Restschicht und kann die Oberflächeneigenschaften des komplett abisolierten bzw. freigelegten Abschnitts beeinflussen bzw. bestimmen. Die Abtragoperation des zweiten Schritts muss keine großen Abtragraten erreichen; die Abtragtechnik kann so ausgewählt werden, dass nach Abschluss der zweistufigen Abisolier-Operation der abzuisolierende Abschnitt die gewünschten Eigenschaften hat.
Es werden also zwei unterschiedliche Material abtragende Verfahren eingesetzt, nämlich ein berührungsfrei arbeitendes optisches Verfahren (Laserabtragoperation) sowie ein mechanisches Verfahren mit mechanischem Eingriff am Flachmaterial. Die Aufgabenteilung zwischen der Laserabtragoperation und der mechanischen Abtragoperation kann in Abhängigkeit von der Art des Flachmaterials und der beabsichtigten Verwendung der fertigen Formteile flexibel gewählt werden. Für unterschiedliche Isolierschichtmaterialien können optimale Verfahrenskombinationen realisiert werden.
Im ersten Schritt wird ein überwiegender Anteil der Dicke der Isolationsschicht abgetragen, vorzugsweise mehr als 70% oder 80 % oder mehr als 90 % oder mehr als 95% der Ausgangs-Schichtdicke des Isolationsmaterials. Diese kann beispielsweise einige 100 µm betragen, sie liegt in der Regel bei weniger als 1 mm. Die Restschichtdicke liegt dagegen vorzugsweise im Mikrometerbereich, beispielsweise bei ca. 1 µm, ggf. auch darüber oder darunter.
Im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen, die zum Abisolieren eine Kombination aus einem CO₂-Laser und einem Nd:YAG-Laser verwenden (vgl. zum Beispiel WO 2019/101394 A1 ), können sich erhebliche Kostenvorteile ergeben, da nur ein bestimmter Lasertyp für die Laserabtragoperation benötigt wird und viele geeignete mechanische Abtragoperationen auf wesentlich kostengünstigere Weise bereitgestellt werden können. Auch im Hinblick auf die Betriebskosten ergeben sich erhebliche Vorteile, da nur ein relativ abtragstarker Laser mit entsprechendem Energiebedarf bereitgestellt werden muss.
Bei einer gattungsgemäßen Drahtverarbeitungsmaschine kann die Erfindung dadurch umgesetzt werden, dass die integrierte Abisoliereinrichtung eine Laserabtrageinheit und eine mechanische Abtrageinheit umfasst.
Bei bevorzugten Ausführungsformen wird in dem ersten Schritt ein Teil der Isolationsschicht bis auf die Restschicht in der Laserabtragoperation mittels Laserstrahlung abgetragen und danach wird im zweiten Schritt die Restschicht in der mechanischen Abtragoperation mechanisch abgetragen. Bei diesen Varianten übernimmt die Laserabtragoperation den größeren Teil des Materialabtrags der Isolationsschicht, während die mechanische Abtragoperation für die Beseitigung der Restschicht zuständig ist.
Besonders bevorzugt ist es, wenn im ersten Schritt Laserstrahlung mindestens eines Kohlenstoffdioxidlasers verwendet wird. Diese Variante ist hinsichtlich erzielbarer Taktzeiten besonders effizient und hinsichtlich der Eigenschaften des abisolierten Formteils besonders flexibel. Ein Kohlenstoffdioxidlaser, im Folgenden auch CO₂-Laser genannt, zählt zu den leistungsstärksten und am häufigsten industriell eingesetzten Lasern, die in guter Qualität bei Bedarf mit hohen Ausgangsleistungen verfügbar sind. Ein Kohlenstoffdioxidlaser erzeugt einen Strahl von Infrarotlicht im mittleren Infrarotbereich mit einer Wellenlänge in den Bändern von 9,4 und 10,6 µm, also im mittleren Infrarotbereich. In diesem Wellenlängenbereich absorbieren typische polymere Isolationsschichtmaterialien die Laserstrahlung gut, so dass mit einem CO₂-Laser vergleichsweise hohe Abtragraten erzielbar sind.
Es hat sich jedoch herausgestellt, dass im Wellenlängenbereich von CO₂-Lasern eine sehr dünne, im Wesentlichen transparente Restschicht des Isolationsmaterials erhalten bleibt, die nachfolgende Fügeprozesse gefährden kann. Rückstände der Isolationsschicht können z.B. beim Schweißen zu Porenbildung und zu schlechter mechanischer und elektrischer Kontaktierung führen. Daher kommt im Stand der Technik die Entschichtung mittels CO₂-Laser häufig in Kombination mit einem gepulsten Faserlaser zum Einsatz. Dabei wird die Restschicht in einem zweiten Prozessschritt mit einem Faserlaser entfernt.
Bevorzugte Verfahrensvarianten zeichnen sich dadurch aus, dass in dem zweiten Schritt die Restschicht mittels einer Bürstoperation entfernt wird. Dies ist besonders vorteilhaft in Kombination mit der Verwendung eines CO₂-Lasers im ersten Schritt, kann aber auch in Kombination mit anderen laserbasierten Verfahren zur Reduzierung der Schichtdicke im ersten Schritt vorteilhaft sein.
Im Vergleich zu dem herkömmlichen Vorgehen (CO₂-Laser plus Faserlaser) wird bei der bevorzugten Variante der Einsatz eines Faserlasers durch eine Bürstoperation ersetzt, mit der die Restschicht beseitigt wird. Es wird also eine bei Anschaffung und Betrieb kostspielige Lasereinheit durch eine bei Herstellung und Betrieb deutlich kostengünstigere Bürsteinheit ersetzt.
Neben den Kostenvorteilen ergeben sich auch im Hinblick auf die Flexibilität der Verfahrensführung erhebliche Vorteile. Eine Bürstoperation im Sinne dieser Anmeldung ist ein Fertigungsverfahren der Hauptgruppe Trennen, das zu den zerspanenden Verfahren gezählt wird und häufig auch als „Bürstspanen“ bezeichnet wird. Zu den Vorteilen des Bürstens zählt eine hohe Flexibilität bei der Auslegung der Bürstwerkzeuge, so dass eine genaue Anpassung an Material und Zustand der Restschicht sowie an die gewünschten Oberflächeneigenschaften des vollständig abisolierten Abschnitts möglich ist. Als Besatzmaterial können beispielsweise Stahldrähte, Edelstahldrähte, Messingdrähte, Bronzedrähte, Neusilberdrähte, Kunststoffborsten oder Schleifborsten, d.h. mit Schleifmittel besetzte Kunststoffborsten, oder Pflanzenfasern verwendet werden. Die Borsten können in unterschiedlichen Besatzanordnungen am Bürstwerkzeug angeordnet sein, beispielsweise als Vollbesatz, als Streifenbesatz, als spiralförmiger Besatz oder als Felderbesatz. Dadurch bietet das Bürsten eine Vielzahl von Freiheitsgraden zur Optimierung der Bürstoperation durch Auswahl der geeigneten Bürstwerkzeuge. Die Festigkeit bzw. Biegsamkeit der Borsten kann entsprechend der Anwendung optimiert sein. Da die Restschicht in der Regel nur noch sehr dünn ist, so dass nur ein geringer Materialabtrag erforderlich ist, können bei Bedarf relativ biegsame, schonende Bürsten eingesetzt werden, die die metallische Oberfläche des Trägermaterials nicht oder kaum angreifen. Bei Bedarf können härtere Borsten eingesetzt werden, um zusammen mit der Beseitigung der Restschicht an dem abisolierten Abschnitt auch eine Oberflächenrauheit gemäß einer vorgegebenen Spezifikation erzeugen zu können.
Bei bevorzugten Varianten werden bei der Bürstoperation gegenüberliegende Seitenflächen des Flachmaterials gleichzeitig gebürstet. Dadurch ist eine Beseitigung der Restschicht mit hoher Effizienz möglich. Außerdem nimmt jeweils eines der Bürstenwerkzeuge die Andrückkraft des gegenüberliegenden Bürstwerkzeugs auf, so dass das zwischen den Bürstwerkzeugen geführte Flachmaterial in Querrichtung kaum bzw. nicht verformt wird. Es ist auch denkbar, dass nur eine Seite des Flachmaterials abisoliert wird, wenn ein Kunde dies wünscht. Dann wird nur eine Bürste eingesetzt.
Bei einer bevorzugten Variante wird bei der Bürstoperation wenigstens ein Paar von Schaftrundbürsten verwendet, die in Eingriff mit gegenüberliegenden Seitenflächen des Flachmaterials gebracht und zur Durchführung der Bürstoperation rotierend angetrieben werden. Dabei werden das Flachmaterial und die Bürsteinheit relativ zueinander in Durchlaufrichtung bewegt, um die gewünschte Abisolierlänge zu bürsten. Vorzugsweise drehen dabei die Schaftrundbürsten so, dass die Tangential-Bewegungskomponente der Borsten an der Oberfläche des Flachmaterials der relativen Transportrichtung entgegengerichtet ist. Dadurch ergibt sich ein zusätzlicher Reinigungseffekt für den abisolierten Abschnitt. Alternativ sind z.B. Riemenbürsten verwendbar.
In vielen Fällen ist es nicht nötig, die Schmalseiten mit zu bürsten. Falls dies gewünscht wird, kann eine Drehung des Drahts oder der Bürsteinheit vorgesehen sein. Es ist auch möglich, dass die Bürsteinheit entlang des Drahtes verfährt und im Hinweg oben und unten bürstet, dann um 90° dreht und im Zurückweg dann seitlich brüstet. Es kann auch eine zweite, nachgeschaltete Bürsteinheit vorgesehen sein, die um 90° versetzt zur ersten Bürsteinheit angebracht wird.
Alternativ zum Bürsten kann z.B. ein Schleifverfahren für den zweiten Schritt eingesetzt werden. Bei Schleifen können z.B. relativ harte Schleifscheiben oder Schleifstifte verwendet werden, ggf. aber auch Schleifwerkzeuge mit einer gewissen Nachgiebigkeit, wie z.B. Schleifvliese, Flächenschleifer oder eine Kombination aus Vlies und Lamellen.
Bei vielen Verfahrensvarianten wird der zweite Schritt, insbesondere die Bürstoperation, vor dem Abtrennen des Formteils von dem zugeführten Flachmaterial durchgeführt. Damit hat das fertige Formteil blanke, von der Restschicht befreite metallische Kontaktflächen mit einer z.B. durch die Bürstoperation eingestellten Oberflächenrauheit. Diese Formteile können unmittelbar weiterverarbeitet werden, zum Beispiel durch Einbau in die vorgesehene Einbauumgebung und Kontaktierung mit den Anschlusskontakten zum Beispiel mittels Festschrauben, Festklemmen, Festlöten oder Festschweißen.
Die Erfinder haben erkannt, dass es unter Umständen auch vorteilhaft sein kann, das Verfahren so zu führen, dass der zweite Schritt, insbesondere die Bürstoperation, nach dem Abtrennen des Formteils von dem zugeführten Flachmaterial durchgeführt wird. In diesem Fall ist die abzuisolierende Kontaktfläche nach der Schnittoperation noch durch die Restschicht vor Verschmutzung und Oxidation geschützt und dadurch für eine längere Lagehalterung geeignet. Wird für den zweiten Schritt das Bürsten genutzt, kann die Bürstoperation später unmittelbar vor der Weiterverarbeitung des Formteils z.B. mithilfe einer Stand-Alone-Bürsteinheit ausgeführt werden. Diese kann zum Beispiel über einen Roboter oder auch von Hand bestückt werden. Ein Vorteil dieser Verfahrensvariante liegt darin, dass die Formteile erst kurz vor der weiteren Verarbeitung die Restschicht verlieren und bis dahin durch die Restschicht gegen Oxidation und Verschmutzung geschützt sind. In der Stand-Alone-Bürsteinheit können die Bürsten über einen Motor angetrieben und das Formteil über eine Führung, beispielsweise eine Schiene, definiert auf einen Anschlag geschoben werden. Entsprechendes wäre bei der Nutzung eines Schleifverfahrens oder eines anderen mechanischen Abtragverfahrens für den zweiten Schritt möglich.
Um bei Bedarf in der Drahtverarbeitungsmaschine den Prozess so führen zu können, dass zwar der erste Verfahrensschritt (Laserabtragoperation) durchgeführt, der zweite Verfahrensschritt (Bürstoperation) jedoch nicht in der Drahtverarbeitungsmaschine durchgeführt wird, ist bei bevorzugten Drahtverarbeitungsmaschinen vorgesehen, dass die Bürsteinheit wenigstens eine Werkzeugaufnahme zur Aufnahme eines Bürstwerkzeugs sowie eine Zustelleinrichtung zur wahlweisen Zustellung des Bürstwerkzeugs zwischen einer Eingriffsposition und einer zurückgezogenen Position ohne Eingriff mit dem Flachmaterial aufweist. Soll das Flachmaterial am abzuisolierenden Abschnitt die Restschicht behalten, so kann die Bürsteinheit dadurch außer Eingriff mit dem durchlaufenden Flachmaterial gebracht werden. Es wäre auch möglich, die Bürstwerkzeuge auszubauen.
Bei einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens wird in dem ersten Schritt in der mechanischen Abtragoperation die Isolationsschicht bis auf die Restschicht durch mechanischen Materialabtrag entfernt und danach wird die Restschicht in dem zweiten Schritt in der Laserabtragoperation mittels Laserstrahlung entfernt. Bei dieser Verfahrensvariante können also geeignete mechanische Abtragoperationen für einen ersten Schritt eingesetzt werden. Im Gegensatz zum mechanischen Abisolieren, z.B. mittels Schaben, Fräsen, Hobeln, Schleifen, Bürsten oder dergleichen, ist jedoch in dem ersten Schritt vorgesehen, dass die Isolationsschicht nicht komplett durch mechanischen Abtrag entfernt wird, sondern dass eine Restschicht bleibt. Damit gibt es keine mechanische Berührung zwischen dem mechanischen Bearbeitungswerkzeug (eines oder mehrere) und dem Trägermaterial, so dass Verletzungen des Trägermaterials insoweit systematisch vermieden werden können. Die verbleibende Restschicht wird dann berührungslos mittels Laserstrahlung entfernt. Die Verfahrensführung ist dabei in der Regel so, dass die Oberfläche des Trägermaterials durch die Laserbearbeitung nicht verändert wird, so dass das Trägermaterial seine vor der Aufbringung der Isolationsschicht vorhandene Oberflächenstruktur behält. Auf diese Weise können besonders glatte abisolierte Bereiche erzielt werden.
Für den ersten Schritt dieser Verfahrensvariante, also die mechanische Abtragoperation, kann wenigstens eine der folgenden mechanischen Abtragoperationen genutzt werden: Schaben, Fräsen, Hobeln, Schleifen, Bürsten.
Für den zweiten Schritt dieser Verfahrensvariante, nämlich die Laserabtragoperation, wird vorzugsweise Laserstrahlung eines Lasers mit Wellenlängen aus dem nahen Infrarotbereich verwendet, wobei die Wellenlänge vorzugsweise im Bereich zwischen 900 nm und 1100 nm liegt. Beispielsweise kann ein Nd:YAG-Laser verwendet werden, also ein Neodym-dotierter Yttrium-Aluminium-Granat-Laser, der unter anderem infrarote Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von 1064 nm emittiert. Mithilfe von Laserwellenlängen um 1 µm Wellenlänge lassen sich erfahrungsgemäß alle hier interessierenden polymeren Isolationsmaterialien aufgrund ausreichender Absorption mit hoher Effizienz rückstandsfrei entfernen. Ein Vorteil dieser Laser gegenüber Kohlenstoffdioxidlasern besteht darin, dass sich der Laserstrahl aufgrund seiner geringeren Wellenlänge durch ein Glasfaserkabel leiten lässt. Somit können Faserlaser realisiert und bei Bedarf im Rahmen des Verfahrens deren Vorteile genutzt werden. Bei bevorzugten Varianten wird für den zweiten Schritt ein Faserlaser verwendet. Auch ein Scheibenlaser ist verwendbar.
Bei der Abisolier-Operation werden das Flachmaterial und die Komponenten der Abisoliereinrichtung in der Regel zumindest phasenweise relativ zueinander parallel zur Durchlaufachse bewegt, um über eine vorgebbare Länge die Isolationsschicht zu entfernen. Dies ist auf unterschiedliche Weise möglich.
Bei manchen Ausführungsformen erfolgt das Abisolieren im Durchlaufverfahren bei axial nicht bewegten Komponenten der Abisoliereinrichtung und entlang der Durchlaufachse vorgeschobenem Flachmaterial. Das hat unter anderem den Vorteil, dass für Komponenten der Abisoliereinrichtung keine Vorschubmöglichkeiten vorgesehen sein müssen. Die Komponenten können stationär und nicht verschiebbar montiert sein Zur Erzeugung des Flachmaterialvorschubs kann die Einzugseinrichtung entsprechend angesteuert werden.
Bei anderen Ausführungsformen werden Komponenten der Abisoliereinrichtung zur Durchführung der Schritte der Abisolier-Operation synchron parallel zur Durchlaufachse um eine vorgebbare Vorschublänge vorgeschoben, während ein Vorschub des Flachmaterials während der jeweiligen Schritte unterbrochen wird. Dadurch kann erreicht werden, dass die für das Abisolieren notwendige Vorschubbewegung ausschließlich mittels einer geradlinigen translatorischen Bewegung der mechanischen Abtrageinheit und der Laserabtrageinheit parallel zur Durchlaufachse durchgeführt wird. Wenn das Flachmaterial während der Material abtragenden Operationen steht, kann dies förderlich für die Präzision der Bearbeitung sein.
Auch eine Kombination ist möglich. Beispielsweise kann der Vorschub des Flachmaterials für die Laserbearbeitung gestoppt werden, so dass eine Scanbewegung auf Seiten der Laserabtrageinheit den flächigen Abtrag sicherstellt, wogegen das Flachmaterial zum mechanischen Abtragen durch eine stationär montierte Abtrageinrichtung transportiert wird.
Der Begriff „Durchlaufachse“ bezeichnet hierbei eine maschinenfest definierte Achse, entlang derer das Flachmaterial in Vorschubphasen in Richtung der Umformwerkzeuge vorgeschoben wird. Dabei sollte sich eine Längsmittelachse des Flachmaterials möglichst koaxial mit der Durchlaufachse bewegen.
Gemäß einer Weiterbildung ist die mit einer Laserabtrageinheit und einer mechanischen Abtrageinheit ausgestattete Abisoliereinrichtung Bestandteil einer Abisoliereinheit, die als autark arbeitsfähige Einheit ausgelegt ist. Sie kann mit einer integrierten Steuerung ausgestattet sein oder über eine externe Steuerung gesteuert werden. Die Abisoliereinheit umfasst u.a. eine der Abisoliereinrichtung vorgeschaltete oder nachgeschaltete Einzugseinrichtung, der vorzugsweise eine Messeinrichtung zur Messung der eingezogenen Länge zugeordnet ist. Weiterhin umfasst die Abisoliereinheit eine der Abisoliereinrichtung vorgeschaltete Richteinheit, so dass die Schritte der Abisolier-Operation am gerichteten Flachmaterial durchgeführt werden.
Bei manchen Ausführungsformen wird das abisolierte Flachmaterial einer nachfolgenden Baugruppe zugeführt, in der das Flachmaterial zu einem zweidimensional oder dreidimensional gebogenen Formteil z.B. durch Biegen umgeformt wird. Die Drahtverarbeitungsmaschine kann dann z.B. insgesamt als Biegemaschine konfiguriert sein. Die nachfolgende Baugruppe ist vorzugsweise mit einer weiteren Einzugseinrichtung und einer weiteren Richteinheit ausgestattet.
Es ist auch möglich, dass die Drahtverarbeitungsmaschine so konfiguriert ist, dass sie als Endprodukte gerichtete gerade Formteile mit vorgebbarer Länge produziert, die dann ggf. an einer anderen Maschine weiterverarbeitet werden können. In anderen Worten kann die Drahtverarbeitungsmaschine nach Art einer Stabkonfektioniermaschine konfiguriert sein. Dazu kann die Abisoliereinheit mit einer Schnitteinrichtung ausgestattet sein, die der Abisoliereinheit und ggf. weiteren Einrichtungen (z.B. einer Einzugseinrichtung) nachgeschaltet ist, wobei zwischen der Abisoliereinheit und der Schnitteinrichtung keine Umformung des Flachmaterials vorgesehen ist.
Figurenliste
Weitere Vorteile und Aspekte der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die nachfolgend anhand der Figuren erläutert sind.

1 zeigt eine Biegemaschine gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
2A bis 2D zeigen Phasen einer Abisolier-Operation, die mithilfe der in die Biegemaschine der 1 integrierten Abisoliereinrichtung durchgeführt werden können;
3 zeigt eine Seitenansicht einer Stabkonfektioniermaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel;
4 zeigt eine Biegemaschine gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;
5A bis 5D zeigen Phasen einer Abisolier-Operation, die mithilfe der in die Biegemaschine der 4 integrierten Abisoliereinrichtung durchgeführt werden können;
6 zeigt eine Seitenansicht einer Stabkonfektioniermaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
In 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer Drahtverarbeitungsmaschine 100 in Form einer Biegemaschine zur Herstellung von zweidimensional oder dreidimensional gebogenen Formteilen bzw. Biegeteilen aus isoliertem Flachmaterial 190 gezeigt. Die Biegemaschine hat ein mit Kleinbuchstaben x, y und z gekennzeichnetes, rechtwinkliges Maschinenkoordinatensystem MK mit einer vertikalen z-Achse und horizontalen x- und y-Achsen. Im dargestellten Beispiel verläuft die x-Achse parallel zu einer Einzugsrichtung, in der das zu biegende Flachmaterial mithilfe einer Einzugseinrichtung 110 einer nachgeschalteten Biegeeinrichtung 120 zugeführt wird. Von den Koordinatenachsen des Maschinenkoordinatensystems sind die später noch erwähnten geregelt angetriebenen Maschinenachsen zu unterscheiden, die mit Großbuchstaben (zum Beispiel A-Achse, Z-Achse etc.) bezeichnet werden. Eine Steuerungseinheit 105 der Biegemaschine steuert und koordiniert die Arbeitsbewegungen aller Maschinenachsen.
Das umzuformende Ausgangsmaterial, nämlich isoliertes Flachmaterial 190, wird mithilfe der Einzugseinrichtung 110 durch die Biegemaschine entlang einer Durchlaufachse 112 gezogen. Die Einzugseinrichtung dient zum Zuführen des Flachmaterials von einem Materialvorrat. Die Vorschubkraft in Einzugsrichtung (parallel zur x-Richtung) entsteht durch Reibung zwischen Einzugselementen der Einzugseinrichtung und dem Flachmaterial. Die Einzugseinrichtung kann z.B. als Walzeneinzug, Riemeneinzug oder Zangeneinzug ausgestaltet sein. Zur Unterstützung der Einzugsbewegung befindet sich das Ausgangsmaterial im Beispielsfall in Form eines Coils auf einer nicht dargestellten motorbetriebenen Haspel. Beginnt die Maschine mit dem Einzug des Flachmaterials, wird ein Sensor angesprochen, der den Motor der Haspel ansteuert.
Bevor das Ausgangsmaterial (im Beispielsfall isoliertes Flachmaterial) in die Einzugseinrichtung 110 eintritt, passiert das Flachmaterial eine Richteinheit, die im Beispielsfall eine Anzahl von versetzt angeordneten Rollen aufweist und unter einer Schutzabdeckung 114 verborgen ist.
Für viele Biegeteile werden Biegungen in unterschiedlichen, im Winkel zueinander stehenden Biegeebenen benötigt, so dass die resultierenden Biegeteile dreidimensional gebogen sind. Um dies ohne komplizierten Aufbau der Biegeeinrichtung zu ermöglichen, ist die Einzugseinrichtung 110 um die Einzugsachse in beiden Drehrichtungen drehbar. Dadurch kann auf einfache Weise zwischen einzelnen Biegeoperationen ein Wechsel zwischen Biegeebenen durchgeführt werden. Beim Ausführungsbeispiel werden die Einzugseinrichtung 110 und die vorgeschaltete Richteinrichtung mithilfe eines Servomotors einer entsprechenden Maschinenachse (A-Achse) gedreht.
Die Einzugseinrichtung ist auf parallel zur x-Richtung verlaufenden Führungsschienen geführt und mittels eines Verschiebungsantriebs (V-Achse) parallel zur x-Richtung axial verschiebbar.
Zum Erzeugen von Biegungen an dem Flachmaterial 190 durch Umformung ist eine numerisch gesteuerte Biegeeinrichtung 120 vorgesehen. Im Biegebereich wird das Flachmaterial mithilfe eines CNC-gesteuerten Biegekopfs 125 der Biegeeinrichtung in die gewünschte Form gebogen. Der Biegekopf besitzt zwei unabhängig voneinander drehbare Wellen, nämlich eine Dornwelle und eine Hohlwelle. An der Dornwelle befinden sich Biegedorne. Je nach Bearbeitungswunsch kann der Biegekopf mit unterschiedlichen Werkzeugen ausgerüstet werden. Große Biegeteile können durch einen nachrüstbaren Auflagetisch 127 unterstützt werden. Die Komponenten der Biegeeinrichtung 120 können beim Wechsel der Biegeebene in Biegekopf-Achsrichtung (Z-Achse) senkrecht zur x-Richtung wegtauchen, um nach dem Wechsel der Biegeebene wieder in das Flachmaterial eingreifen zu können.
Zwischen dem Biegebereich mit dem Biegekopf 125 der Biegeeinrichtung 120 und der Einzugseinrichtung 110 ist eine Schnitteinrichtung 130 montiert, die dafür vorgesehen ist, das fertigte Biegeteil (nach Abschluss aller Biegeoperationen) und ggf. einer oder mehrerer Verdreh-Operationen von dem zugeführten Flachmaterial abzutrennen. Die Schnitteinrichtung 130 der Biegemaschine ist als Beißschneideinrichtung ausgelegt, also so konfiguriert, dass das Flachmaterial mittels des Verfahrens „Beißschneiden“ vom zugeführten Flachmaterial abgetrennt wird.
Die Biegemaschine 100 hat eine optionale integrierte Verdreheinrichtung 140, die dazu konfiguriert ist, vor Abtrennen des Biegeteils von dem zugeführten Flachmaterial in mindestens einem Abschnitt des Flachmaterials mittels einer Verdreh-Operation durch Torsion des Flachmaterials eine bleibende Verformung zu erzeugen. Alle zum Eingriff am Flachmaterial vorgesehenen Komponenten der Verdreheinrichtung 140 sind im Bereich zwischen dem Austritt der Einzugseinrichtung 110 und dem Biegekopf 125 der Biegeeinheit 120 angeordnet.
Aufbau und Funktion der bisher beschriebenen Komponenten der Biegemaschine können denen der Biegemaschine entsprechen, die in der DE102018209889A1 beschrieben ist. Deren Offenbarung wird insoweit durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
Mit der Biegemaschine 100 können unter anderem zweidimensional oder dreidimensional gebogene Stromschienen gefertigt werden, wie sie unter anderem in der Automobilbranche zum Transport elektrischer Energie zwischen Fahrzeugbaugruppen oder innerhalb von Batteriegruppen benötigt werden. Das Ausgangsmaterial ist in diesem Fall ein isoliertes Flachmaterial 190, welches im Wesentlichen aus einem elektrisch leitenden, metallischen Trägermaterial, einem Haftvermittler auf der Oberfläche des Trägermaterials sowie einer elektrisch isolierenden Isolationsschicht auf dem Haftvermittler besteht. Das Trägermaterial hat in der Regel einen flachen Querschnitt mit planparallelen Breitseiten und Schmalseiten, die die Breitseiten verbinden und mehr oder weniger stark gewölbt oder im wesentliche eben sein können. Häufig liegt näherungsweise ein Rechteckquerschnitt mit mehr oder weniger ausgedehnten abgerundeten Kanten vor. Das Flachmaterial kann auch einen im Wesentlichen quadratischen Querschnitt haben. Die Isolationsschicht umhüllt das Trägermaterial in der Regel vollständig. Die Isolationsschicht wird häufig aus bestimmten Polyamid-Kunststoffen gefertigt. Das Trägermaterial besteht meist aus Kupfer (Cu) oder Aluminium (AI) oder aus auf Cu oder AI basierenden Legierungen und ist für die Leitung des Stroms zuständig.
Die Breite des Flachmaterials (gemessen in Breitenrichtung senkrecht zur Längsrichtung) kann ein Vielfaches der Dicke (gemessen an den Schmalseiten) betragen, beispielsweise das Dreifache bis Siebenfache. Breiten können z.B. in der Größenordnung einiger Millimeter liegen. Die Isolationsschicht hat üblicherweise eine Dicke von weniger als 1 mm.
Die Biegemaschine 100 ist dafür ausgelegt, vor dem Abtrennen des Formteils von dem zugeführten Flachmaterial in mindestens einem Abschnitt des isolierten Flachmaterials einen Teil der Isolationsschicht in einer Abisolier-Operation von dem elektrisch leitenden Trägermaterial zu entfernen. Hierzu ist in die Biegemaschine eine Abisoliereinrichtung 150 integriert. Die werkstücknahen Komponenten der Abisoliereinrichtung sind in Durchlaufrichtung gesehen zwischen der Einzugseinrichtung 110 und der Schnitteinrichtung 130 angeordnet.
Die Abisoliereinrichtung 150 umfasst eine Laserabtrageinheit 160, die in Durchlaufrichtung unmittelbar hinter der Einzugseinrichtung 110 angeordnet ist, sowie eine mechanische Abtrageinheit 170 in Form einer Bürsteinheit 170, die in Durchlaufrichtung der Laserabtrageinheit nachgeschaltet ist.
Die Laserabtrageinheit 160 umfasst als Laserquelle einen Kohlenstoffdioxidlaser (CO₂-Laser), der gemeinsam mit einer Kühlungseinheit und einer Absaugeinheit in einem Gehäuse 162 neben der Biegemaschine angeordnet ist. Der CO₂-Laser erzeugt Infrarotlicht mit Wellenlängen in den Bändern 9,4 µm und 10,6 µm, die von dem polymeren Isoliermaterial gut absorbiert werden, so dass das Isolationsmaterial unter der Einwirkung der Laserstrahlung mit hohen Abtragraten verdampft werden kann. Zwei Einrichtungen zur Laserstrahlführung mit entsprechenden Strahlführungsoptiken und Strahlaustrittsköpfen 162-1, 162-2 führen zwei aus derselben Laserstrahlungsquelle oder aus zwei gesonderten Laserstrahlungsquellen stammende Laserstrahlen so in den Bereich der Durchlaufachse, dass fokussierte Laserstrahlung durch die Strahlaustrittsköpfe 162-1, 162-2 gleichzeitig von zwei in y-Richtung einander gegenüberliegenden Seiten auf die zugewandten Seiten des Flachmaterials 190 eingestrahlt werden kann. Die Laserstrahlführungen umfassen auch Scannereinheiten, so dass der fokussierte Laserstrahl scannend jeweils die gesamte zugewandte Seitenfläche des Flachmaterials bearbeiten kann.
Die nachgeschaltete Bürsteinheit 170 umfasst zwei achsparallel drehbare Werkzeugaufnahmen zur Aufnahme jeweils eines Bürstwerkzeugs 172-1, 172-2. Als Bürstwerkzeuge werden hier Schaftrundbürsten mit metallischen Borsten verwendet. Gebürstet wird mit dem Umfang der Schaftrundbürsten. Der Achsabstand zwischen den Werkzeugaufnahmen bzw. den Bürstwerkzeugen ist mittels einer Zustelleinrichtung stufenlos verstellbar, so dass die Bürsten durch Verschiebung in eine Zustellrichtung senkrecht zur Durchlaufrichtung des Flachmaterials zugestellt werden können. Die Zustellbarkeit wird einerseits dazu genutzt, in Abhängigkeit von den Dimensionen des Flachmaterials und dem Durchmesser der Bürstwerkzeuge den richtigen Borsteneingriff sicherzustellen. Mithilfe der Zustellung können die Borsten in eine zurückgezogene Position vollständig außer Eingriff mit dem Flachmaterial zurückgezogen werden.
Die gesamte Bürsteinheit 170 kann als Option drehbar gelagert sein, um eine Drehung um die Durchlaufachse 112 zu ermöglichen. Die gesamte Bürsteinheit kann dann synchron mit der Einzugseinrichtung und dem Draht mitdrehen.
Die Laserabtrageinheit 160 kann im Beispielsfall nicht um die Durchlaufachse gedreht werden. Als Option wäre das möglich.
Anhand der 2A bis 2D wird nun eine Ausführungsform einer Abisolier-Operation erläutert, die mithilfe der in die Biegemaschine 100 integrierten Abisoliereinrichtung 150 durchgeführt werden kann. Dazu zeigt 2A einen senkrechten Schnitt durch einen Abschnitt eines isolierten Flachmaterials 190 senkrecht zu den einander parallelen Breitseiten 193. Das metallische Trägermaterial 192 (zum Beispiel Kupfer oder Aluminium) ist mit einer polymeren Isolationsschicht 195 umhüllt. Die Isolationsschicht kann z.B. eines der folgenden Materialien allein oder in Kombination mit einem anderen Material aufweisen: Polyamid (PA), Polyamidimid (PAI), Polyetheretherketone (PEEK), Polyimide (PI). Die (mittlere) Schichtdicke D1 der Isolationsschicht liegt typischerweise unterhalb von 1 mm und ist deutlich geringer als die zwischen den Breitseiten gemessene Dicke des Flachmaterials. Das Flachmaterial kann während der Abisolier-Operation parallel zur Einzugsrichtung (Pfeil, x-Richtung) entlang der Durchlaufachse 112 durch Vorschub der Einzugseinheit mit der V-Achse bewegt werden, wodurch eine Abisolierung im Durchlaufverfahren ermöglicht wird.
Die 2B bis 2D zeigen aufeinanderfolgende Phasen der zweistufigen Abisolier-Operation. 2B zeigt, wie am durchlaufenden Flachmaterial 190 mithilfe der Laserabtrageinheit 160 die Laserabtragoperation durchgeführt wird, um über eine Abisolierlänge 196 Isolationsschichtmaterial abzutragen. Die infrarote Laserstrahlung LS des CO₂-Lasers wird gleichzeitig von den gegenüberliegenden Breitseiten auf die Isolationsschicht aufgestrahlt. Der Laserstrahl wird dabei im Bereich der Isolationsschicht fokussiert und scannend hin- und her bewegt. Dieser Verfahrensschritt kann bei durchlaufendem Flachmaterial (siehe Pfeil) oder bei stehendem Flachmaterial durchgeführt werden. In diesem ersten Schritt der Abisolier-Operation wird die Isolationsschicht nicht vollständig abgetragen. Vielmehr ist der Prozess so ausgelegt, dass in diesem ersten Schritt die Isolationsschicht bis auf eine an dem Trägermaterial 192 haftende Restschicht 197 entfernt wird. Die Dicke D2 der Restschicht liegt im Mikrometerbereich oder darunter, entspricht also häufig weniger als 1 % der ursprünglichen Dicke der Isolationsschicht.
Das Flachmaterial 190 wird dann in Durchlaufrichtung weiterbewegt, so dass der mit der Restschicht 197 versehene Abisolierabschnitt in den Arbeitsbereich der nachgeschalteten Bürsteinheit 170 gelangt, mit welcher der zweite Schritt der Abisolier-Operation durchgeführt wird. Im zweiten Schritt wird mithilfe der Bürsteinrichtung die Restschicht 197 von dem Trägermaterial 192 im Abisolierabschnitt entfernt, so dass die Oberfläche 194 des Trägermaterials im Abisolierabschnitt danach metallisch blank ist. Außerdem weist der abisolierte Abschnitt danach eine definierte Oberflächenrauheit auf, die über geeignete Auswahl der Bürstwerkzeuge und die Prozessführung (zum Beispiel Vorschubgeschwindigkeit des Flachmaterials während der Bürstoperation, Drehgeschwindigkeit der Bürstwerkzeuge) variabel vorgegeben werden kann. Weiterhin können eventuell nach der Laserbearbeitung vorhandene Grate am Isoliermaterial mittels der Bürsten entfernt werden. Der fertig abisolierte Abschnitt ist in 2D gezeigt.
Um mithilfe der Bürstwerkzeuge 172-1, 172-2 bei durchlaufendem Flachmaterial nur den abzuisolierenden Abschnitt zu bürsten, wird die Zustellung der Bürstwerkzeuge an die Vorschubbewegung des Trägermaterials so angepasst, dass die Bürsten zu Beginn des abzuisolierenden Abschnitts in Richtung des Trägermaterials zugestellt und nach Erreichen des anderen Endes des abzuisolierenden Abschnitts in die entgegengesetzte Richtung zurückgezogen werden (siehe Doppelpfeile).
Während der Bürstoperation drehen die Bürstwerkzeuge achsparallel gegensinnig, wobei es sich als vorteilhaft herausgestellt hat, wenn die Drehrichtung so an die Durchlaufrichtung angepasst ist, dass eine parallel zur Durchlaufrichtung gerichtete Tangentialkomponente der Bürstenbewegung entgegensetzt zur Durchlaufrichtung gerichtet ist (siehe umlaufende Pfeile). Eine andere Drehrichtung ist möglich.
Bei einer nicht näher dargestellten Verfahrensvariante findet die Bürstoperation nicht mithilfe der in die Biegemaschine integrierten Bürsteinheit statt, so dass lediglich der erste Schritt der Abisolier-Operation, nämlich die Laserabtragoperation, in der Biegemaschine durchgeführt wird, z.B. im Durchlaufverfahren. Stattdessen wird die Bürstoperation nach dem Abtrennen des Formteils vom zugeführten Flachmaterial durchgeführt. Das abgetrennte Biegeteil enthält dann den abzuisolierenden Abschnitt, der noch von einer Restschicht gegen Oxidation und sonstige Verschmutzung geschützt wird. Die abgetrennten Formteile sind auf diese Weise längere Zeit lagerfähig. Der zweite Schritt der Abisolier-Operation, nämlich die Bürstoperation, kann dann zeitlich unabhängig vom Prozess an der Biegemaschine unmittelbar vor dem Einbau des entsprechenden Formteils und der Kontaktierung der abzuisolierenden Abschnitte in einer gesonderten Bürststation (z.B. Stand-Alone-Bürststation) erfolgen. Die Bürstoperation kann robotergestützt oder manuell durchgeführt werden. Der abisolierte Abschnitt ist danach metallisch blank und frei von Oxidationsschichten, so dass eine zuverlässige Kontaktierung möglich ist.
Anhand von 3 wird nun ein anderes Ausführungsbeispiel einer Drahtverarbeitungsmaschine beschrieben, die für eine zweistufige Abisolier-Operation mit vorgeschalteter Laserabtragoperation und nachgeschalteter Bürstoperation eingerichtet ist. 3 zeigt eine Seitenansicht der insgesamt als Stabkonfektioniermaschine ausgelegten Drahtverarbeitungsmaschine 300. Die Drahtverarbeitungsmaschine 300 hat eine integrierte Abisoliereinrichtung 350 zum Abisolieren von Abschnitten des isolierten Flachmaterials, bevor das gerichtete, gerade Formteil vorgebbarer Länge von dem zugeführten Flachmaterial abgetrennt wird. Wie beim ersten Ausführungsbeispiel liegt das Ausgangsmaterial (Flachmaterial 190) in Form eines gewickelten Materialvorrats (Coil) vor, der im Beispielsfall auf einer Haspel 305 aufgewickelt ist.
Nach Verlassen der Haspel tritt das Flachmaterial mehr oder weniger koaxial zur Durchlaufachse 312 in eine nachgeschaltete Baugruppe 380 ein, die hier auch als Abisoliereinheit 380 bezeichnet wird. Diese umfasst in dieser Reihenfolge entlang der Durchlaufachse 312 des Werkstücks eine Drahtführung 315, eine Richteinrichtung 320, eine Längenmesseinrichtung 330, die Abisoliereinrichtung 350, eine der Abisoliereinrichtung nachgeschaltete Einzugseinrichtung 340 und eine der Einzugseinrichtung nachgeschaltete Schnitteinrichtung 375.
Die Richteinrichtung 320 weist zwei hintereinander geschaltete Richtapparate mit Richtrollen auf, die das durchtretende Werkstück nacheinander in zwei zueinander senkrechten Richtungen bearbeiten und dadurch richten. Die Längenmesseinrichtung 330 umfasst ein Messrad und ein gegenüberliegendes Laufrad und erlaubt eine exakte Messung der zu den nachfolgenden Einheiten geförderten Werkstücklänge. Die Vorschubbewegung in Durchlaufrichtung wird mithilfe der hinter der Abisoliereinrichtung 350 angeordneten Einzugseinrichtung 340 erzeugt, die das Werkstück mit über die Steuerung 305 vorgebbarem Einzugsprofil durch die vorgeschalteten Einrichtungen hindurchzieht und zur nachgeschalteten Schnitteinrichtung 375 fördert. Die Vorschubkraft in Einzugsrichtung (x-Richtung) entsteht dabei durch Reibung zwischen Einzugswalzen (bei anderen Ausführungsbeispielen Einzugsriemen oder Zangen) der Einzugseinrichtung und dem Flachmaterial.
Zwischen der Richteinrichtung 320 und der Schnitteinrichtung 375 findet keine biegende Umformung des Flachmaterials statt, so dass die Schnitteinrichtung gerade Formteile vorgebbarer Länge vom zugeführten Flachmaterial abtrennt. Die Formteile sind an einer oder mehreren Stellen mithilfe der Abisoliereinrichtung 350 abisoliert worden. Die Formteile können in einer nicht dargestellten Sammelrichtung gesammelt und einer Weiterverarbeitung zugeführt werden. Eventuell ist auch ein Transport über eine geeignete Fördereinrichtung zu einer nachgeschalteten Weiterverarbeitungsmaschine vorgesehen.
Die Abisoliereinrichtung 350 umfasst eine Laserabtrageinheit 360, die der Längenmesseinrichtung 330 unmittelbar nachgeschaltet ist, sowie eine der Laserabtrageinheit nachgeschaltete mechanische Abtrageinheit in Form einer Bürsteinheit 370.
Der Aufbau und die Funktion der Laserabtrageinheit 360 können identisch oder ähnlich dem Aufbau und der Funktion der Laserabtrageinheit 160 des ersten Ausführungsbeispiels sein. Allerdings werden die Laserstrahlen in vertikaler Richtung eingestrahlt. Auch eine Einstrahlung schräg zur Horizontalen und Vertikalen ist möglich, z.B. im Winkelbereich um 45° zur Vertikalen. Der Aufbau und die Funktion der Bürsteinheit 370 können identisch oder ähnlich dem Aufbau und der Funktion der Bürsteinheit 170 des ersten Ausführungsbeispiels sein. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird auf die dortige Beschreibung Bezug genommen.
Das Flachmaterial durchläuft die Stabkonfektioniermaschine 300 so, dass die planparallelen Breitseiten des Flachmaterials 190 nach oben und unten gerichtet sind. Da keine Biegeoperation vorgesehen ist, ist es nicht erforderlich, die Richteinheit 330, die Einzugseinrichtung 340 sowie die Komponenten der Abisoliereinrichtung 350 um die Durchlaufachse drehbar auszulegen, wodurch die Konstruktion vereinfacht wird.
Die zweistufige Abisolier-Operation kann mithilfe der Abisoliereinrichtung 350 in gleicher Weise durchgeführt werden wie im Zusammenhang mit 2A bis 2D beschrieben, weshalb zur Vermeidung von Wiederholungen auf die diesbezügliche Beschreibung verwiesen wird.
Anhand der 4 bis 6 werden nun Beispiele erläutert, in denen eine andere Verfahrensvariante einer Abisolier-Operation realisiert ist, die eine Kombination aus einer Laserabtragoperation und einer mechanischen Abtragoperation umfasst. Dabei wird der erste Schritt, nämlich die Reduzierung der Schichtdicke der Isolationsschicht bzw. das Abtragen der Isolationsschicht bis auf eine an dem Trägermaterial haftende Restschicht, auf mechanischem Wege, d.h. mit der mechanischen Abtragoperation, erreicht, bevor zeitlich danach der zweite Schritt der Abisolier-Operation mittels einer Laserabtrageinheit durchgeführt wird, die die Restschicht beseitigt.
4 zeigt eine als Biegemaschine ausgelegte Drahtverarbeitungsmaschine 400 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Aufbau der Biegemaschine mit drehbarer Einzugseinrichtung 410, vorgeschalteter drehbarer Richteinheit unter der Schutzabdeckung 414 und einer Biegeeinrichtung 420 mit Biegekopf 425 und Auflagetisch kann identisch oder ähnlich sein wie beim ersten Ausführungsbeispiel, weshalb zur Vermeidung von Wiederholungen auf die dortige Beschreibung verwiesen wird. Die Schnitteinrichtung 430, die wie beim ersten Ausführungsbeispiel zwischen Einzugseinrichtung und Biegebereich bzw. Biegekopf angeordnet ist, ist so eingerichtet, dass das Flachmaterial durch „Beißschneiden“ getrennt wird.
Zwischen der Einzugseinrichtung 410 und der Schnitteinrichtung 430 sind Komponenten einer Abisoliereinrichtung 450 angeordnet. Diese umfasst eine mechanische Abtrageinheit 470, die an der drehbaren Einzugseinrichtung 410 montiert ist und mit dieser mitdrehen kann, sowie eine in Einzugsrichtung nachgeschaltete Laserabtrageinheit 460.
Die mechanische Abtrageinheit 470 ist im Beispielsfall identisch aufgebaut wie die Abisoliereinrichtung des ersten Ausführungsbeispiels in der DE 10 2017 200 745 A1 bzw. WO WO 2018/134115 A1 . Die Abtrageinheit weist zwei achsparallel und gegenläufig drehbare Messerwellen 472-1, 472-2 mit jeweils zwei Messern mit geraden Schneidkanten auf, die bei Eingriff in das Isolationsmaterial einen breiten Span aus Isolationsmaterial abheben. Diese Art des spanenden Materialabtrags wird hier auch als „Schaben“ bezeichnet. Mechanische Abtrageinrichtungen, die nach anderen Prinzipien arbeiten, sind alternativ ebenfalls möglich, so dass der erste Schritt des Verfahrens beispielsweise auch durch Bürsten, Fräsen, Hobeln oder Schleifen erfolgen kann.
Wichtig dabei ist unter anderem, dass die mechanische Abtrageinrichtung 470 so eingerichtet ist, dass sie im abzuisolierenden Abschnitt nicht das komplette Isolationsmaterial abträgt, sondern lediglich die Schichtdicke reduziert in der Weise, dass in der mechanischen Abtragoperation die Isolationsschicht nur bis auf eine an dem Trägermaterial haftende Restschicht 497 entfernt wird. Diese kann z.B. eine Dicke von 10 µm oder mehr haben, z.B. im Bereich von 50 µm bis 100 µm.
Der noch nicht komplett abisolierte Abschnitt des Flachmaterials gelangt danach bei Vorschub in Durchlaufrichtung in den Arbeitsbereich der Laserabtrageinheit 460, die dafür ausgelegt ist, in dem abzuisolierenden Abschnitt die Restschicht zu beseitigen und dadurch die Oberfläche des Trägermaterials freizulegen. Als Strahlungsquelle der Laserabtrageinheit 460 kann z.B. ein Nd:YAG-Faserlaser oder ein Scheibenlaser verwendet werden, der Laserlicht bei einer Wellenlänge etwas mehr als 1000 nm erzeugt. Dieses wird über die Strahlführungsoptiken 462-1, 462-2 analog zum ersten Ausführungsbeispiel so in den Bereich des durchlaufenden Flachmaterials geleitet, dass von zwei einander gegenüberliegenden Seiten jeweils fokussierte Laserstrahlung LS auf die gegenüberliegenden Seiten des Flachmaterials gerichtet und scannend bewegt wird.
Diese Abfolge von Verfahrensschritten ist auch in 5A bis 5D nochmals dargestellt. 5A zeigt, wie das Flachmaterial 190 in Durchlaufrichtung (Pfeil) bewegt wird. 5B zeigt den ersten Schritt, in dem auf mechanische Weise die Schichtdicke der Isolationsschicht mittels rotierender Schneidmesser der mechanischen Abtrageinheit 470 reduziert wird und eine Restschicht 497 auf dem Trägermaterial 492 verbleibt. 5C zeigt den zweiten Schritt, in welchem die Restschicht mittels Laserstrahlung im Durchlaufverfahren allmählich abgetragen wird. 5D zeigt das abschnittsweise komplett abisolierte Flachmaterial.
Bei einer nicht dargestellten Variante ist anstelle der mit Schneidmessern arbeitenden mechanischen Abtragvorrichtung 470 eine Bürsteinrichtung analog dem ersten Ausführungsbeispiel vorgesehen.
6 zeigt eine Drahtverarbeitungsmaschine 600 in Form einer Stabkonfektioniermaschine, die hinsichtlich Richteinheit, Längenmesseinheit, Einzugseinrichtung und Schnitteinrichtung identisch zur Variante von 3 aufgebaut ist. Unterschiede gibt es in Aufbau und Funktion der Abisoliereinrichtung 650. Diese umfasst eine unmittelbar hinter der Längenmesseinrichtung angeordnete mechanische Abtrageinheit 670 und eine zwischen dieser und der Einzugseinrichtung angeordnete Laserabtrageinheit 660. Zur mechanischen Beseitigung eines Großteils des Isoliermaterials, also zur mechanischen Reduzierung der Schichtdicke des Isolationsmaterials im ersten Schritt des Verfahrens, kann jedes geeignete mechanische Verfahren eingesetzt werden, beispielsweise Bürsten, Fräsen, Hobeln, Schaben, Schleifen etc. Die Laserabtrageinheit 660 kann in Aufbau und Funktion der Laserabtrageinheit 460 aus 4 entsprechen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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.
Zitierte Patentliteratur

WO 2018/134115 A1 [0006, 0078]
DE 102013006361 A1 [0008]
WO 2019/101394 A1 [0009, 0017]
DE 102018209889 A1 [0052]
DE 102017200745 A1 [0078]

Claims

Verfahren zur Herstellung von geraden oder gebogenen Formteilen aus isoliertem Flachmaterial, das ein elektrisch leitendes Trägermaterial aufweist, welches von einer elektrisch isolierenden Isolationsschicht umhüllt ist, wobei das isolierte Flachmaterial mittels einer Einzugseinrichtung von einem Materialvorrat abgezogen wird, in der Drahtverarbeitungsmaschine zu einem geraden oder gebogenen Formteil aus isoliertem Flachmaterial verarbeitet wird, und das Formteil in einer Schnittoperation von dem zugeführten isolierten Flachmaterial abgetrennt wird, wobei vor dem Abtrennen des Formteils von dem zugeführten Flachmaterial in mindestens einem Abschnitt des isolierten Flachmaterials mittels einer in die Drahtverarbeitungsmaschine integrierten Abisoliereinrichtung ein Teil der Isolationsschicht in einer Abisolier-Operation von dem Trägermaterial entfernt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Abisolier-Operation eine Kombination aus einer Laserabtragoperation und einer mechanischen Abtragoperation umfasst, wobei zunächst in einem ersten Schritt mittels einer der Abtragoperationen die Isolationsschicht bis auf eine an dem Trägermaterial haftende Restschicht entfernt und danach in einem zweiten Schritt mittels der anderen Abtragoperation die Restschicht von dem Trägermaterial entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Schritt ein Teil der Isolationsschicht bis auf eine Restschicht in der Laserabtragoperation mittels Laserstrahlung abgetragen wird und danach im zweiten Schritt die Restschicht in der mechanischen Abtragoperation mechanisch abgetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Schritt Laserstrahlung mindestens eines CO₂-Lasers verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zweiten Schritt die Restschicht mittels einer Bürstoperation entfernt wird, wobei vorzugsweise bei der Bürstoperation gegenüberliegende Seitenflächen des Flachmaterials gleichzeitig gebürstet werden, wobei insbesondere bei der Bürstoperation wenigstens ein Paar von Schaftrundbürsten verwendet wird, die in Eingriff mit gegenüberliegende Seitenflächen des Flachmaterials gebracht und zur Durchführung der Bürstoperation rotierend angetrieben werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Schritt, insbesondere die Bürstoperation, vor dem Abtrennen des Formteils von dem zugeführten Flachmaterial durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Schritt, insbesondere die Bürstoperation, nach dem Abtrennen des Formteils von dem zugeführten Flachmaterial durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Schritt die Isolationsschicht bis auf die Restschicht durch mechanischen Materialabtrag entfernt wird und danach in dem zweiten Schritt die Restschicht in der Laserabtragoperation mittels Laserstrahlung entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Schritt der mechanische Materialabtrag durch Schaben, Fräsen, Hobeln, Schleifen oder Bürsten erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zweiten Schritt Laserstrahlung eines Lasers mit Wellenlängen aus dem nahen Infrarotbereich verwendet, wobei die Wellenlänge vorzugsweise im Bereich zwischen 900 nm und 1100 nm liegt und/oder dass in dem zweiten Schritt ein Faserlaser verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abisolier-Operation im Durchlaufverfahren an dem durch die Abisoliereinrichtung durchlaufenden Flachmaterial durchgeführt wird.
Drahtverarbeitungsmaschine (100) zum Herstellen von geraden oder gebogenen Formteilen aus isoliertem Flachmaterial (190) umfassend: eine Einzugseinrichtung (110) zum Einziehen des Flachmaterials von einem Materialvorrat und zum Fördern des Flachmaterials parallel zu einer Durchlaufachse (112); einer der Einzugseinrichtung (110) vorgeschalteten Richteinrichtung zum Richten des Flachmaterials vor Eintritt in die Einzugseinrichtung (110); eine Schnitteinrichtung (130) zum Abtrennen des Formteils von dem zugeführten isolierten Flachmaterial; eine integrierte Abisoliereinrichtung (150) zum Abisolieren von Abschnitten des isolierten Flachmaterials (190) vor Abtrennen des Formteils von dem zugeführten Flachmaterial, dadurch gekennzeichnet, dass die Abisoliereinrichtung (150) eine Laserabtrageinheit (160) und eine mechanische Abtrageinheit (170) umfasst.
Drahtverarbeitungsmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserabtrageinheit (160) wenigstens einen CO₂-Laser umfasst und dass die mechanische Abtrageinheit (170) der Laserabtrageinheit (160) nachgeschaltet ist, wobei die mechanische Abtrageinheit vorzugsweise als Bürsteinheit (170) zur Erzeugung von Materialabtrag durch Bürsten konfiguriert ist.
Drahtverarbeitungsmaschine nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserabtrageinheit (160) derart konfiguriert ist, dass Laserstrahlung von zwei gegenüberliegenden Seiten des Flachmaterials (190) gleichzeitig auf die gegenüberliegenden Seitenflächen einstrahlbar ist.
Drahtverarbeitungsmaschine nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Bürsteinheit (170) wenigstens eine Werkzeugaufnahme zur Aufnahme eines Bürstwerkzeugs (172-1, 172-2) sowie eine Zustelleinrichtung zur wahlweisen Zustellung des Bürstwerkzeugs zwischen einer Eingriffsposition und einer zurückgezogenen Position ohne Eingriff mit dem Flachmaterial aufweist und/oder dass die Bürsteinheit im bestückten Zustand wenigstens ein Paar von rotierend antreibbaren Schaftrundbürsten aufweist, die in Eingriff mit gegenüberliegenden Seitenflächen des Flachmaterials bewegbar sind und zur Durchführung der Bürstoperation rotierend angetrieben werden.
Drahtverarbeitungsmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Abtrageinheit (170) der Laserabtrageinheit (160) vorgeschaltet ist, wobei die mechanische Abtrageinheit vorzugsweise als Abtrageinheit zum Schaben, Fräsen, Hobeln, Schleifen oder Bürsten konfiguriert ist und/oder dass die Laserabtrageinheit als Strahlungsquelle einen Laser mit Wellenlängen aus dem nahen Infrarotbereich aufweist, wobei die Wellenlänge vorzugsweise im Bereich zwischen 900 nm und 1100 nm liegt und/oder dass die Laserabtrageinheit als Strahlungsquelle einen Faserlaser aufweist.