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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung eines Stiftes, der bevorzugt Teil eines elektrisch isolierten Stützelementes ist oder der ein elektrisch isoliertes Stützelement bildet. Das elektrisch isolierte Stützelement hat bevorzugt einen metallischen Mantel und einen von dem Mantel umgebenen Innenbereich mit einem metallischen Stützstift, der gegenüber dem metallischen Mantel mit einer mineralischen Isolierung isoliert ist und der über den Mantel hinaussteht. So kann an dem Mantel eine erste Komponente angebunden werden und an dem metallischen Stützstift eine zweite Komponente angebunden werden, die dann elektrisch voneinander isoliert sind.
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Das elektrisch isolierte Stützelement ist insbesondere zur Abstützung von elektrischen Heizelementen in Abgasbehandlungsvorrichtungen geeignet. In Abgasbehandlungsvorrichtungen herrschen regelmäßig äußerst anspruchsvolle Bedingungen, nämlich Temperaturen von mehreren 100°C, dabei starke Temperaturschwankungen und Vibrationen. Hinzu kommt, dass die meisten Komponenten in Abgasbehandlungsvorrichtungen metallisch sind und daher eine zuverlässige elektrische Isolierung von elektrischen Heizelementen gegenüber weiteren Komponenten der Abgasbehandlungsvorrichtung erforderlich sind. Hierfür können die beschriebenen Stifte, bzw. elektrisch isolierten Stützelemente verwendet werden, wobei dann die Abgasbehandlungsvorrichtung bspw. eine erste Komponente und das elektrische Heizelement eine zweite Komponente ist. Beide Komponenten sind bevorzugt metallische Wabenkörper.
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Die Anbindung des Stiftes an weitere Komponenten erfolgt bevorzugt mittels Lötverbindungen an metallischen Oberflächen des Stiftes. Es hat sich herausgestellt, dass es häufig schwierig ist, diese Lötverbindungen in hoher Qualität auszubilden, so dass eine gute Dauerhaltbarkeit der Lötverbindungen erreicht wird.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme wenigstens teilweise zu lösen. Diese Aufgabe wird gelöst mit der Erfindung gemäß den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängig formulierten Patentansprüchen sowie in der Beschreibung und insbesondere auch in der Figurenbeschreibung angegeben. Es ist darauf hinzuweisen, dass der Fachmann die einzelnen Merkmale in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert und damit zu weiteren Ausgestaltungen der Erfindung gelangt.
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Hier beschrieben wird ein Verfahren zur Bearbeitung einer Metalloberfläche eines Stiftes zum Einsatz als elektrisch isoliertes Stützelement in einem Abgassystem mit mindestens einem Laser, wobei durch die Laserbearbeitung des Stiftes in einem Bearbeitungsbereich:
- a) Verunreinigungen auf der Oberfläche des Stiftes entfernt werden; und
- b) eine Strukturierung der Oberfläche erzeugt wird, welche ein Anhaften von Lotmaterial an der Oberfläche unterstützt.
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Der Stift ist bevorzugt Teil eines elektrisch isolierten Stützelementes oder bildet selbst ein elektrisch isoliertes Stützelement. Das elektrisch isolierte Stützelement hat bevorzugt einen metallischen Mantel und einen von dem Mantel umgebenen Innenbereich mit einem metallischen Stützstift, der gegenüber dem metallischen Mantel mit einer mineralischen Isolierung isoliert ist. Sowohl der Mantel als auch der metallische Stützstift stellen jeweils metallische Oberflächen des Stiftes bereit. Auch das gesamte elektrisch isolierte Stützelement kann als Stift betrachtet werden.
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Besonders vorteilhaft ist, wenn in Schritt a) aus Metalloxid bestehende Verunreinigungen auf der metallischen Oberfläche des Stiftes entfernt werden.
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Die in Schritt b) erzeugte Strukturierung ist bevorzugt eine Rauheit mit Erhebungen und Vertiefungen, der Oberfläche. Die Strukturierung ist beispielsweise eine Rauheit Rz von mehr als [Mikrometer] und weniger als 10 µm [Mikrometer].
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Durch die Strukturierung wird die Oberfläche vergrößert, so dass die Anhaftung von Lotmaterial an der Oberfläche verbessert wird. Außerdem greift das Lotmaterial bevorzugt in Erhebungen und Vertiefungen der Strukturierung ein. So kann auch eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Lotmaterial und dem Stift bzw. der Oberfläche des Stiftes im Bearbeitungsbereich hergestellt werden.
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Es hat sich herausgestellt, dass solche Verunreinigungen von metallischen Oberflächen des Stiftes mit einer Laserbearbeitung effektiv entfernt werden können.
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Besonders vorteilhaft ist, wenn in Schritt a) und/oder in Schritt b) eine Sublimation von Verunreinigungen und/oder metallischem Material an der metallischen Oberfläche des Stiftes erfolgt.
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Bevorzugt wird metallisches Material in der unmittelbaren Umgebung von Metalloxidablagerungen sublimiert, so dass die Metalloxidablagerungen mit gelöst werden.
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Besonders vorteilhaft ist, wenn ein Laser bei der Laserbearbeitung gepulst betrieben wird.
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Bei einem gepulsten Betrieb ist ein einzelner Laserimpuls beispielsweise einige Nanosekunden oder Millisekunden lang. Während des Impulses erwärmt sich die metallische Oberfläche lokal sehr stark. Zwischen einzelnen Pulsen kann die metallische Oberfläche wieder Wärme abführen und verteilen. So wird erreicht, dass kein tiefer Materialabtrag durch die Laserbearbeitung an der metallischen Oberfläche auftritt, sondern nur eine Lösung von Verunreinigung bei gleichzeitig minimalem Materialabtrag erfolgt.
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Darüber hinaus vorteilhaft ist, wenn eine relative Drehung der Laser-Lichtquelle und des Stützelements so erfolgt, dass der Stift während Schritt a) und Schritt b) aus unterschiedlichen Richtungen mit Laser-Licht aus der Laser-Lichtquelle bestrahlt wird. Gemäß einer ersten Ausführungsvariante erfolgt hierbei eine Drehung des Stiftes bzw. des elektrisch isolierten Stützelementes. Gemäß einer zweiten Ausführungsvariante erfolgt eine Drehung des Lasers.
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Außerdem vorteilhaft ist, wenn in den Schritten a) und b) die Laserbearbeitung insgesamt für eine Zeitspanne zwischen 1 Sekunde und 5 Sekunden erfolgt. Diese Gesamtzeitspanne kann eine Mehrzahl von einzelnen Laserbearbeitungsvorgängen (bzw. einzelne Durchführungen der Schritte a) und b) umfassen.
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Außerdem vorteilhaft ist, wenn während der Schritte a) und b) eine Absaugung von verdampftem Material von der Oberfläche des metallischen Stützstiftes erfolgt.
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Bevorzugt verdampft hier metallisches Material. Ggf. werden Metalloxide selbst nicht verdampft, sondern nur gelöst und mit verdampftem metallischem Material dann gemeinsam abgesaugt.
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Besonders vorteilhaft ist, wenn eine einzelne Laserbearbeitung zwischen 0,05 Sekunden und 2 Sekunden lang durchgeführt wird. Dabei erfolgt bevorzugt eine Laserbearbeitung von zwischen und 0,8 cm2 bis 5,5 cm2 Metalloberfläche des Stiftes pro Sekunde. Mit einer einzelnen Laserbearbeitung ist hier eine Bearbeitung der metallischen Oberfläche des Stiftes von einer Seite aus gemeint. Bevorzugt erfolgen für eine Laserbearbeitung des gesamten Umfangs des Stiftes mehrere Laserbearbeitung aus mehreren Richtungen mit mehrmaliger Durchführung der Schritte a) und b) (bspw. Laserbearbeitungen aus drei Richtungen mit drei Durchführungen der Schritte a) und b), wobei der Stift jeweils um 120° um seine Achse weiter gedreht wird. Wenn der Stift zwei Bearbeitungsbereiche aufweist, die jeweils Umfangsflächen bilden ist es bspw. auch bevorzugt, dass insgesamt sechs Laserbearbeitungen (drei Laserbearbeitungen für jeden der Bearbeitungsbereiche) erfolgen. Hieraus ergibt sich die weiter oben beschriebene bevorzugte Gesamtprozesszeit der Laserbearbeitung bevorzugt zwischen 1 Sekunde und 5 Sekunden.
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Besonders vorteilhaft ist, wenn das Verfahren zur Bearbeitung einer metallischen Umfangsfläche des Stifts eingesetzt wird.
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Besonders vorteilhaft ist weiterhin, wenn der Stift einen Bearbeitungsbereich hat, in welchem die Laserbearbeitung durchgeführt wird, welcher einen Durchmesser zwischen 0,5 mm und 5 mm aufweist. Hiermit ist sowohl der (größere) Durchmesser des Mantels als auch der (kleinere) Durchmesser des metallischen Stützstiftes im Inneren des Mantels gemeint.
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Besonders vorteilhaft ist, wenn der Stift einen ersten Bearbeitungsbereich und einen zweiten Bearbeitungsbereich hat und die Laserbearbeitung in beiden Bearbeitungsbereichen durchgeführt wird.
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Der Begriff „Stift“ beschreibt hier insbesondere das elektrisch isolierte Stützelement als Ganzes. Ein erster Bearbeitungsbereich ist beispielsweise an einem inneren Stützstift angeordnet. Ein zweiter Bearbeitungsbereich ist beispielsweise außen an einem Mantel angeordnet.
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Besonders vorteilhaft ist in diesem Zusammenhang also, wenn der Stift einen inneren Stützstift und einen Mantel aufweist, die durch eine mineralische Isolierung voneinander getrennt sind, wobei ein erster Bearbeitungsbereich an dem inneren Stützstift in einem Bereich angeordnet ist, in welchem der Mantel und die mineralische Isolierung entfernt sind und wobei der zweite Bearbeitungsbereich an einer Außenfläche des Mantels angeordnet ist.
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Besonders vorteilhaft ist, wenn zur Durchführung der Laserbearbeitung die Einspannung des Stiftes in einem Mehrspindeldrehautomat erfolgt, wobei der Mehrspindeldrehautomat dazu eingerichtet ist, den Stift in verschiedenen Bearbeitungsbereichen zu halten, wobei mehrere Laserbearbeitungen des Stiftes erfolgen, wobei während einer ersten Laserbearbeitung in einem ersten Bearbeitungsbereich der Stift in einem zweiten Bearbeitungsbereich gehalten wird, wobei in einer zweiten Laserbearbeitung in einem zweiten Bearbeitungsbereich der Stift in einem ersten Bearbeitungsbereich gehalten wird.
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Besonders vorteilhaft ist, wenn eine Drehung des Stiftes um seine Stiftachse erfolgt, wobei mindestens drei einzelne Laserbearbeitungen mit den Verfahrensschritten a) und b) erfolgen und der Stift zwischen den Laserbearbeitungen jeweils weitergedreht wird, um die Laserbearbeitung auf der gesamten Umfangsfläche des Stiftes zu erreichen.
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Das Verfahren mit den Schritten a) und b) ist bevorzugt Teil eines übergeordneten Verfahrens zur Herstellung eines elektrisch isolierten Stützelements bzw. eines als Abstandhalter einsetzbaren Stiftes mit einem metallischen Mantel, und einem von dem Mantel umgebenen Innenbereich mit einem metallischen Stützstift, der gegenüber dem metallischen Mantel mit einer mineralischen Isolierung isoliert ist:
- A) Auftrennen des metallischen Mantels mit einem Trennverfahren, so dass mindestens ein abgetrennter Mantelabschnitt entsteht,
- B) Entfernen des mindestens einen abgetrennten Mantelabschnitts und Freilegen des inneren Stützstifts im Innenbereich,
- C) Reinigen von metallischen Oberflächen des elektrisch isolierten Stützelementes bzw. des Stiftes mit einem Laser-Reinigungsverfahren, um Rückstände der mineralischen Isolierung und/oder Oxide an einer metallischen Oberfläche des elektrisch isolierten Stützelementes bzw. des Stiftes zu entfernen, wobei die Reinigung mit einer Laserbearbeitung des elektrisch isolierten Stützelementes bzw. des Stiftes gemäß den Schritten a) und b) erfolgt.
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Besonders bevorzugt ist, wenn Schritt A) mit einem Strahlschneider durchgeführt wird und folgende Unterschritte umfasst:
- i) Positionieren des elektrisch isolierten Stützelements relativ zu dem Strahlschneider, so dass ein Schneidstrahl eine Mantelfläche) des metallischen Mantels tangiert;
- ii) Aktivieren des Strahlschneiders; und
- iii) Relativer Vorschub des elektrisch isolierten Stützelements und des Strahlschneiders zueinander, so dass der metallische Mantel von dem Schneidstrahl entlang einer zumindest teilweise axialen Trennlinie aufgetrennt wird.
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Außerdem vorteilhaft ist, wenn als Teil von Schritt A) nach Schritt iii) noch folgender weiterer Unterschritt ausgeführt wird:
- iv) Drehen des elektrisch isolierten Stützelements um seine Achse, wobei eine umlaufende Trennlinie des Mantels und damit ein abgetrennter Mantelabschnitt entsteht.
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Weiterhin vorteilhaft ist, wenn mindestens zwei axiale Trennlinien und mindestens zwei abgetrennte Mantelabschnitte erzeugt werden.
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Außerdem vorteilhaft ist, wenn Schritt A) mit einem mechanischen Schneidwerkzeug durchgeführt wird.
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Die Erfindung sowie das technische Umfeld der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen bevorzugte Ausführungsbeispiele, auf welche die Erfindung nicht beschränkt ist. Es ist insbesondere darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die in den Figuren dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Es zeigen:
- 1: einen beschriebenen Stift;
- 2: einen Ausschnitt eines Abgassystems;
- 3: einen Stift im Querschnitt während der Bearbeitung; und
- 4 einen Mehrspindeldrehautomat.
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1 zeigt einen Stift 1, der mit dem hier beschriebenen Verfahren bearbeitet werden kann und der ein elektrisch isoliertes Stützelement 2 bildet. Der Stift 1 ist mit einem inneren Stützstift 13 und einem Außenmantel 14 ausgeführt, die beide aus Metall bestehen und die durch eine mineralische Isolierung 15 voneinander getrennt sind. Der innere Stützstift 13 hat einen ersten Durchmesser 11 und an dem inneren Stützstift 13 ist ein erster Bearbeitungsbereich 9 angeordnet auf den das beschriebene Verfahren angewendet wird. Der Mantel 14 hat einen zweiten Durchmesser 12 und an dem Mantel 14 ist ein zweiter Bearbeitungsbereich 10 angeordnet, auf den das beschriebene Verfahren angewendet werden kann. Sowohl der erste Bearbeitungsbereich 9 als auch der zweite Bearbeitungsbereich 10 erstrecken sich um den kompletten Umfang des Stiftes herum und bilden somit jeweils eine Umfangsfläche 8.
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Der Stift 1 hat eine Metallstiftlänge 26 (Gesamtlänge). Im Bereich des ersten Bearbeitungsbereichs 9 ist der Außenmantel 14 entfernt, so dass der innere Stützstift 13 auf einer freigelegten Länge 27 freiliegt und der Außenmantel 14 nur noch eine Außenmantellänge 28 hat, die der Metallstiftlänge 26 abzüglich der freigelegten Länge 27 entspricht. Der erste Bearbeitungsbereich 9 befindet sich im Bereich der freigelegten Länge 27. Der zweite Bearbeitungsbereich 10 befindet sich im Bereich der Außenmantellänge 28. Der Außenmantel 14 hat eine Manteldicke 25, die zusammen mit dem zweiten Durchmesser 12 einen Mantelinnendurchmesser 29 definiert. Der Raum zwischen dem Mantelinnendurchmesser 29 und dem ersten Durchmesser 11 gibt die Isolierungsdicke 30 der mineralischen Isolierung 15 vor.
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Durch die Laserbearbeitung in dem ersten Bearbeitungsbereich 9 und dem zweiten Bearbeitungsbereich 10 wird erreicht, dass die metallische Oberfläche 5 eine Strukturierung 6 erhält.
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2 zeigt, wie mit dem Verfahren bearbeitete Stifte 1 in einem Abgassystem 3 eingesetzt sein können, welches hier abschnittsweise gezeigt ist. Das Abgassystem 3 weist hier einen Trägerwabenkörper 22 auf, an welchem mit den Stiften 1 ein Heizwabenkörper 23 elektrisch isoliert gehalten ist. Der Heizwabenkörper 23 hat bevorzugt elektrische Kontakte 24 über die der Heizwabenkörper 23 mit einem Heizstrom beaufschlagt werden kann. Der Heizwabenkörper 23 ist bevorzugt durch die mineralische Isolierung 15 gegenüber dem Trägerwabenkörper 22 elektrisch isoliert, so dass der Heizstrom nicht in den Trägerwabenkörper 22 übertreten kann. Der Trägerwabenkörper 22 und der Heizwabenkörper 23 sind bevorzugt aus metallischen Folien aufgebaute Wabenkörper, wie sie im Bereich der Abgasreinigung üblich sind und die normalerweise aus gewellten Blechfolien und glatten Blechfolien bestehen, wobei jeweils in Wellungen der gewellten Blechfolien Kanäle gebildet sind, die durch den Wabenkörper hindurch verlaufen und für Abgas durchströmbar sind. Die hier beschriebenen Stifte 1 sind bevorzugt in solche Kanäle eingesetzt und hier befestigt. Dies ist bevorzugt dadurch realisiert, dass die Bearbeitungsbereiche 9, 10, die mit dem hier beschriebenen Verfahren bearbeitet wurden, in den Kanälen der Wabenkörper 22, 23 mit einem Lotmaterial 7 eingelötet sind. Die Strukturierung 6 der metallische Oberflächen 5 der Stifte 1 bewirken, dass die Verbindung zwischen den Wabenkörpern 22, 23 und den Stiften bzw. der metallischen Oberfläche der Stifte 5 gut ausgebildet ist.
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3 zeigt die Bearbeitung eines Stiftes 1 mit dem beschriebenen Verfahren. Zu sehen ist eine Querschnittsfläche durch den Stift 1, so dass der innere Stützstift 13, der Außenmantel 14 und die mineralische Isolierung 15 zu sehen sind. Die Bearbeitung erfolgt hier mit den Lasern 4, wobei hier beispielhaft drei Laser 4 dargestellt sind, die jeweils um einen Winkel von 120° versetzt zueinander angeordnet sind, um als Umfangsfläche 8 ausgebildete Bearbeitungsbereiche 9 ,10 vollständig mit dem Laser 4 zu bearbeiten. Die Verwendung von drei Lasern 4, die im Winkel von 120° versetzt zueinander ausgerichtet sind, ist ein Beispiel für das beschriebene Verfahren, bei welchem mehrere Bearbeitungen parallel ausgeführt werden können. In weiteren Ausführungsvarianten können auch mehrere Durchführungen der Schritte a) und b) hintereinander ausgeführt werden, wobei zwischen den einzelnen Durchführungen der Schritte a) und b) der Stift 1 jeweils um die Stiftachse 17 um einen Winkel von beispielsweise 120° weitergedreht wird. Durch die Verwendung von mehreren Lasern 4 oder mehreren Durchführungen der Schritte a) und b) unter Drehung des Stiftes 1 um einen Winkel zwischen den Durchführungen, kann erreicht werden, dass eine den Stift vollständig umfangende Umfangsfläche 8 bearbeitet wird. Bevorzugt haben der Laser 4 bzw. die mehreren Laser 4 eine Arbeitsbreite 31 in welcher sie die zur Bearbeitung und Strukturierung 6 der Oberfläche 5 vorgesehene Laserstrahlung aussenden. Die Arbeitsbreite 31 ist dabei bevorzugt größer als der jeweilige Durchmesser 11, 12 des Bearbeitungsbereichs 9, 10, so dass eine vollständige Laserbearbeitung des Bearbeitungsbereichs 9, 10 mit dem Laser 4 in einem Schritt erfolgen kann.
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4 zeigt einen Mehrspindeldrehautomaten 16 mit einer ersten Hauptspindel 20 und einer zweiten Hauptspindel 21, die auf einer Spindelachse 18 einander gegenüberliegend angeordnet sind. Beide Hauptspindeln 20, 21 tragen jeweils einen, zwei oder mehr drehbare Stifthalter 19, die Stifte 1 halten. Durch Laser 4 kann eine Laserbearbeitung der Stifte 1 bzw. der Bearbeitungsbereiche 9, 10 der Stifte 1 erfolgen. Die Stifte 1 können zwischen den Stifthaltern 19 der einander gegenüberliegenden Hauptspindeln 20, 21 wechseln, so dass die Stifte 1 mal im ersten Bearbeitungsbereichen 9 und mal im zweiten Bearbeitungsbereichen 10 gehalten sind und in dem jeweils anderen Bearbeitungsbereich 9, 10 dann eine Laserbearbeitung erfolgen kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stift
- 2
- elektrisch isoliertes Stützelement
- 3
- Abgassystem
- 4
- Laser
- 5
- metallische Oberfläche
- 6
- Strukturierung
- 7
- Lotmaterial
- 8
- Umfangsfläche
- 9
- erster Bearbeitungsbereich
- 10
- zweiter Bearbeitungsbereich
- 11
- erster Durchmesser
- 12
- zweiter Durchmesser
- 13
- innere Stützstift
- 14
- Außenmantel
- 15
- mineralische Isolierung
- 16
- Mehrspindeldrehautomat
- 17
- Stiftachse
- 18
- Spindelachse
- 19
- Stifthalter
- 20
- erste Hauptspindel
- 21
- zweite Hauptspindel
- 22
- Trägerwabenkörper
- 23
- Heizwabenkörper
- 24
- elektrischer Kontakt
- 25
- Manteldicke
- 26
- Metallstiftlänge
- 27
- freigelegte Länge
- 28
- Außenmantellänge
- 29
- Mantelinnendurchmesser
- 30
- Isolierungsdicke
- 31
- Arbeitsbreite
