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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft eine Anlage und ein Verfahren zum Bearbeiten eines Bauteils.
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STAND DER TECHNIK
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Vor dem Beschichten eines Bauteils wird in einem vorgelagerten Prozess dessen Oberfläche gereinigt und/oder aktiviert, was in der vorliegenden Offenbarung als Vorbehandlung bezeichnet wird. Nach der Vorbehandlung sollte die zu beschichtende Oberfläche des Bauteils möglichst frei von Verunreinigungen und Fremdpartikeln sein, um eine hohe, insbesondere saubere Beschichtungsqualität an der Bauteiloberfläche zu erreichen.
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Auf die zu beschichtenden Bauteile werden nach der Vorbehandlung in einer anderen Station, der Beschichtungsvorrichtung, mit verschiedenen Dosierkomponenten vorgegebene Mengen eines bestimmten Substrats aufgetragen.
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Zur qualitativen Auswertung des Beschichtungsprozesses und -ergebnisses werden zumeist optische Prüfsysteme verwendet. Während des Beschichtens oder nach dem Beschichten werden dabei z.B. Kamerasysteme, Lichttriangulationsmethoden etc. verwendet, um die beschichtete Oberfläche in Echtzeit oder im Nachgang zu überprüfen.
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Es ist bekannt, die drei oben genannten Prozessschritte teilweise oder vollständig mittels autarker Systeme wie computergesteuerten Maschinen und/oder Robotern zu realisieren.
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Die oben erwähnte Beschichtungsvorrichtung umfasst oft eine CNC-Maschine oder einen Roboterarm, die ein Dosierventil oder eine Dosierpumpe mit einer Beschichtungsdüse führen. Die Beschichtungsvorrichtung trägt beispielsweise nach einem volumetrischen oder einem Druck-/Zeitbeschichtungsprinzip eine definierte Menge Material auf das zu beschichtende Bauteil auf. Zur Sicherung der Beschichtungsqualität, insbesondere z.B. zur Herstellung einer einheitlichen Schichtdicke auf dem Bauteil, ist es zumeist notwendig, das zu beschichtende Bauteil senkrecht zur Beschichtungsdüse zu stellen. Hierzu wird die CNC-Maschine bzw. der Roboterarm angesteuert und gegenüber dem zu beschichtenden Bauteil ausgerichtet. Um beispielsweise komplex geformte, nicht ebene, oder auch hinterschnittene Bauteile zu beschichten, müssen die CNC-Maschine bzw. der Roboterarm aufwendige 3D-Manöver ausführen können. Dies bringt hohe Investitionskosten für die Anschaffung geeigneter Maschinen mit sich und bedeutet auch, dass die CNC-Maschine bzw. der Roboterarm einen großen Raum für die Durchführung derartiger Manöver benötigen.
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Im Stand der Technik sind außerdem Planarmotorantriebssysteme bekannt. Planarmotorantriebssysteme umfassen einen Planarmotor, der wie herkömmliche Drehmotoren aus mehreren ortsfesten, bestromten Spulen (Statoren) und ortsveränderlichen Permanentmagneten (Movern) besteht. Im Gegensatz zum Drehmotor sind sowohl die Spulen als auch die Permanentmagneten planar, also flächig in einer Ebene, angeordnet. Hierdurch realisieren Planarmotorantriebssysteme eine Magnetschwebetechnologie zwischen den Statoren und den Movern. Den elektrisch aktiven Teil des Planarmotorantriebssystems bildet die sogenannte Kachel. Ein robustes Gehäuse der Kachel enthält alle Komponenten, die für das kontrollierte Schweben eines Movers notwendig sind. Die Stromregelung der in den Kacheln enthaltenen Spulen lässt den Mover über den Kacheln schweben. Die Mover selbst sind elektrisch passiv und daher auch besonders unempfindlich. Eine externe Positionserfassung des Movers oder zusätzliche Netzteile sind im Allgemeinen nicht erforderlich.
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EP 2 907 585 B1 ,
US 10,763,733 B2 ,
US 10,707,738 B2 ,
US 10,116,195 B2 ,
US 10,819,205 B2 ,
US 10,554,110 B2 und
US 2020/0030995 A1 beschreiben derartige Planarmotorantriebssysteme mit Movern, welche x-, y- und auch z-Achsbewegungen über einer Kachelfläche realisieren können. Die Mover können, mittig zu den Statoren gestellt, auch Rotationsbewegungen ausüben und 360°-Drehbewegungen durchführen. Die Mover und Statoren sind zwar in der xy-Ebene sehr flexibel und auch in der Z-Achse bis zu einem bestimmten Winkel drehbar. Eine volle Umdrehungsfunktion ist aber nur bei Fluchtung der xz- und yz-Ebenen des Movers und Stators zueinander gegeben. Insbesondere bei zu bearbeitenden Bauteilen, die mit einen oder mehreren Movern abgestützt werden, ist eine volle Umdrehungsfunktion um die z-Achse, unter beliebiger Positionierung der Mover auf der xy-Ebene, nicht möglich.
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Bei komplexen und unterschiedlichen Bauteilen in verschiedenen Industriezweigen, wo Bauteile vorbehandelt, z. B. gereinigt, beschichtet und optisch ausgewertet werden müssen, um eine gleichzeitige Ausführung der Prozesse zu realisieren, können Planarmotorantriebssysteme als integriertes Maschinenkonzept bisher nicht eingesetzt werden.
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine platzsparende Anlage und ein Verfahren zum Bearbeiten eines Bauteils zu schaffen, welche den Einsatz einfacher CNC-Maschinen oder Roboterarme, insbesondere mit weniger Freiheitsgraden in der Bewegung, und zugleich die Bearbeitung beliebig komplex geformter, z.B. nicht ebener, oder auch hinterschnittener Bauteile ermöglichen.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, die Bearbeitungsschritte für ein Bauteil so zu gestalten, dass Bearbeitungs- bzw. Taktzeiten für das Bauteil reduziert werden, somit mehr Bauteile in einem bestimmten Zeitabschnitt zu produzieren.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Anlage und ein Verfahren zum Bearbeiten eines Bauteils mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Nach einem ersten Aspekt der Erfindung umfasst eine Anlage zum Bearbeiten eines Bauteils eine Bearbeitungsvorrichtung, eine Recheneinheit, und einen zumindest teilweise beweglich, insbesondere zumindest teilweise drehbar gelagerten Tisch, auf dem eine oder mehrere auf Movern gelagerte Bauteilstützen positionierbar sind, wobei der Tisch als ein Statortisch mit bestrombaren Spulen ausgeführt ist, sodass die auf Movern gelagerten Bauteilstützen in einer Tischebene mithilfe von elektromagnetischen Kräften beweglich sind, wobei die Anlage einen oder mehrere Positionssensoren umfasst, welche eingerichtet sind, um Positionswerte, d.h. den Ort, der Bauteilstützen zu ermitteln.
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Dabei ist vorgesehen, dass die Recheneinheit ein erstes Rechenmodul umfasst, das eingerichtet ist, um die Mover anhand der von den Positionssensoren ermittelten Positionswerte der Bauteilstützen zu steuern, um ein auf den Bauteilstützen positioniertes Bauteil und die Bearbeitungsvorrichtung zueinander auszurichten.
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Im Gegensatz zu den bekannten Planarmotorantriebssystemen werden die Positionswerte der Bauteilstützen, und damit auch der Mover, im Rahmen der vorliegenden Erfindung zusätzlich von externen Positionssensoren erfasst. Während es bei bisherigen Anwendungen von Planarmotorantriebssystemen ausreichte, die relative Position der Mover zu den Kacheln zu kennen, ist es bei dem zumindest teilweise beweglich, insbesondere zumindest teilweise drehbar gelagerten Tisch vorteilhaft, auch die absolute Position der Mover im Raum zu kennen, um das auf den Bauteilstützen positionierte Bauteil und Bearbeitungsvorrichtung zueinander auszurichten.
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Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung wird im Folgenden im Zusammenhang mit der Tischebene auch von einer xy-Ebene gesprochen. Die Tischebene wird in bevorzugten Ausführungsformen durch die Oberfläche der Statoren bzw. Kacheln gebildet. Die Tischebene ist typischerweise, aber nicht einschränkend horizontal ausgerichtet.
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Nach einer Ausführungsform erfassen die Positionssensoren eine Lage des Tisches und eine relative Lage der Mover, wobei die Recheneinheit hieraus die Position der Bauteilstützen errechnet. Die Positionssensoren können alternativ hierzu direkt die Position der Bauteilstützen erfassen, beispielsweise unter Einsatz von Kameras.
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Die Bearbeitungsvorrichtung ist in bevorzugten Ausführungsformen nicht einstückig mit dem Tisch verbunden und jedenfalls vom beweglichen Teil des Tisches mechanisch entkoppelt. Vorteilhaft kann mit den Maßnahmen der Erfindung eine Bearbeitungsvorrichtung eingesetzt werden, die weniger als volle Freiheitsgrade der Bewegung aufweist. Da der zumindest teilweise beweglich gelagerte Tisch und die Recheneinheit nach Positionserfassung eine Ausrichtung des zu bearbeitenden Bauteils zur Bearbeitungsvorrichtung ermöglichen, ist eine Bearbeitungsvorrichtung mit weniger als vollen Freiheitsgraden der Bewegung einsetzbar, sodass diese weniger Raum einnimmt, als wenn sie aufwendige 3D-Manöver ausführen müsste.
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Die Positionierung des zu bearbeitenden Bauteils zur Bearbeitungsvorrichtung erfolgt erfindungsgemäß mittels der Steuerung durch die Recheneinheit. Im Falle einer Beschichtungsvorrichtung wird zum Beispiel, aber nicht einschränkend für die Erfindung, das Bauteil senkrecht zur Beschichtungsdüse gestellt. Hierbei kann vorteilhaft eine synchrone und präzise Bewegungsausführung der Mover auf der xy-Ebene erfolgen.
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Die Anlage umfasst im Betrieb eine oder mehrere Bauteilstützen, welche jeweils auf einem oder mehreren Movern gelagert bzw. befestigt sind.
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Die Bauteilstützen sind mittels der Mover in der xy-Ebene beweglich. Außerdem ist ein Teil oder die gesamte Tischebene in der xy-Ebene beweglich. Vorteilhaft sind die Bauteilstützen der Höhe nach einstellbar, beispielsweise manuell. Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Bauteilstützen mittels Linearantrieben in z-Richtung beweglich gelagert sind. Zusätzlich oder alternativ kann vorgesehen sein, dass der Tisch eine Höhenverstellbarkeit in z-Richtung aufweist.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Tisch oder ein Teil des Tisches um eine Drehachse rotierbar. Die Drehachse ist beispielsweise durch eine vertikale Mittelachse des Tisches gebildet.
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Die Rotation des Tischs oder des Teils des Tisches erfolgt bevorzugt um eine z-Achse, die senkrecht zur xy-Ebene, der Tischebene steht. Vorteilhaft kann die Bauteilbearbeitung entlang einer Umdrehungslinie um die z-Achse durchgeführt werden.
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Die Drehfunktion des Tisches kann manuell ausgeübt werden. Bevorzugt umfasst die Anlage aber einen Motor, eine Daten- und Leistungsübertragungseinheit und einen Drehgeber zur Rotation des Tisches oder des Teils des Tisches um die Drehachse.
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Der Motor und der Drehgeber kann von einer externen Steuereinheit gesteuert sein. Bevorzugt ist die Steuerung des Motors und des Drehgebers aber in die Recheneinheit der Anlage integriert. Dabei umfasst die Recheneinheit der Anlage ein zweites Rechenmodul, das eingerichtet ist, um die Rotation des Tisches oder des Teils des Tisches zu steuern.
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Der Tisch kann als Ganzes beweglich ausgebildet sein, beispielsweise auf Rollen stehen, auf einer linearen Schienenführung oder in einem ringförmigen Kugellager gelagert. In vorteilhaften Ausführungsformen weist der Tisch aber zumindest einen ersten Tischbereich und zweiten Tischbereich auf, wobei der erste Tischbereich um die Drehachse rotierbar ist und der zweite Tischbereich unbeweglich ist, und wobei die auf Movern gelagerten Bauteilstützen zumindest im ersten und zweiten Tischbereich mithilfe von elektromagnetischen Kräften beweglich sind. Der zweite Tischbereich bietet dabei eine optionale Parkposition für die Mover.
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Zwischen dem rotierbaren ersten Tischbereich und dem stationären zweiten Tischbereich ist ein Spalt vorgesehen, der bevorzugt eine Spaltbreite von 0,05 mm bis 10 mm, weiter bevorzugt von 0,1 mm bis 5 mm, insbesondere bevorzugt von 0,5 mm bis 2 mm aufweist. Die Spaltbreite ist vorteilhaft so festgelegt, dass die Steuerung den Spaltübergang der Mover zwischen beiden Tischbereichen ermöglichen kann.
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Der drehbare Teil des Tisches kann an den unbeweglichen Teil des Tisches anschließen oder teilweise von diesem eingefasst sein. Auch kann der unbewegliche Teil des Tisches vom drehbaren Teil teilweise eingefasst oder vollständig von diesem umgeben sein. Bevorzugt ist allerdings, wenn der erste Tischbereich ein innerer Tischbereich und der zweite Tischbereich ein den inneren Tischbereich umschließender äußerer Tischbereich ist. Hierbei ergibt sich eine anwendersichere Anordnung des Tisches mit einem drehbaren Innenbereich und einem stationären Außenbereich, welcher in kompakter Form in einen Industriebetrieb, z.B. in eine Fertigungskette integriert werden kann. Besonders bevorzugt ist der erste Tischbereich im Wesentlichen kreisrund ausgebildet. Weiterhin besonders bevorzugt weist der zweite Tischbereich eine im Wesentlichen quadratische oder rechteckige Form auf.
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Die Positionssensoren können beispielsweise eine relative Lage des drehbaren Teils des Tisches zum unbeweglichen Teil des Tisches erfassen, beispielsweise im Winkelmaß, und eine relative Lage der Mover, wobei die Recheneinheit hieraus die Position der Bauteilstützen errechnet.
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Die Anlage ist also ausgestattet mit linear bewegbaren Movern integriert auf einem flexiblen Statortisch, aufgebaut aus einem rotierenden und einem stationären Teil, mit der Möglichkeit zur Umdrehung in der Z-Achse von 360° (x < 360° oder x > 360°) entlang einer Polylinie auf einer Bauteiloberfläche sowie einer 360° Rotation des Bauteils unter Beibehaltung der beliebigen Positionierung der Mover auf dem Stator in der xy-Ebene.
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Die Erfindung ist dabei nicht auf die gleichzeitige Bearbeitung eines einzigen Bauteils beschränkt. In vorteilhaften Ausführungsformen können zugleich mehrere Bauteile auf den Bauteilstützen angeordnet und bearbeitet werden. Die z-Rotationsachse ermöglicht den auf den Movern positionierten Bauteilen, sich synchron zur xy-Achspositionierung zu drehen. Mit den Maßnahmen der Erfindung wird also die Bearbeitung der Bauteile in einem sehr kleinen Bearbeitungsraum realisiert.
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In einer beispielhaften Ausführungsform kann ein auf einem oder mehreren Movern positioniertes Bauteil mittels der Mover entlang einer Beschichtungslinie bewegt und dabei von einer Beschichtungsvorrichtung beschichtet werden. Unabhängig davon kann der Rotationstisch das Bauteil positionsgenau 360° drehen.
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Mit den Maßnahmen der Erfindung können viele unterschiedliche Bauteile ohne gro-ßen konstruktiven Aufwand bearbeitet werden. Anwendungen der Erfindung finden sich in vielen Industriebereichen, insbesondere in der Elektro-, Auto-, Haushaltindustrie etc., z.B. bei Dosierungs-, Vergieß-, Kleb- und Abdichtungsverfahren von Bauteilen. Die Erfindung ermöglicht, den hohen konstruktiven Aufwand bei Bauteilbearbeitungsanlagen zu reduzieren und auch die Kosten für Maschinenkomponenten der Bearbeitungsvorrichtung zu senken, insbesondere aufgrund des Einsatzes von weniger Achsen und Motoren. Weitere Vorteile sind Gewichtsreduzierung und Verringerung der Transportkosten.
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Vorteilhaft ist dabei die leichte Anbindungsmöglichkeit an existierende Planarmotorantriebsysteme. Eine Integration in bestehende oder geplante Produktionslinien am Markt vorhandener Kacheln/Mover kann durch Nachrüstung existierender Planarmotorantriebsysteme erfolgen.
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Weitere Vorteile sind die Reduzierung der Maschinenrüstungszeiten, Reduzierung von mechanischen Schwingungen, Reduzierung von Lärm- und Geräuschemission gegenüber mechanischen Systemen, verbesserte Maschinensicherheit durch ergonomische Maschinengestaltung, und eine Verringerung des Komponentenverschlei-ßes mit der Planarmotortechnologie durch Verhinderung der dynamischen Belastungen von Kabeln und Schläuchen, die mit komplexen 3D-Bewegungen der Bearbeitungsvorrichtung verbunden sind. Bei Anwendung des Planarmotorantriebssystems sind eine hohe Dosierqualität, niedrige Durchlaufzeiten, hohe Verfahrensgenauigkeiten und geringer Materialverbrauch erzielbar.
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Besonders vorteilhaft ist die Erfindung einsetzbar in Industrien, bei welchen mehrere Prozessschritte rund um eine Beschichtung eines Bauteils mit Vor- und Nachbehandlungsverfahren der Beschichtungsoberfläche verbunden sind. Die Bewegungsfreiheit der Mover und die zusätzliche z-Drehachse erlaubt es, nicht nur den Beschichtungsprozess sehr effizient und raumsparend entlang komplexer Beschichtungskonturen durchzuführen, sondern auch aufwendige Drehdurchführungen für Reinigungs- und Auswertungskomponenten zu vermeiden.
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Eine Bearbeitungsvorrichtung im Rahmen der vorliegenden Offenbarung kann beispielsweise eine Vorrichtung zum Auftragen eines Beschichtungsfluids auf eine Bauteiloberfläche umfassen, die im Folgenden als Beschichtungsvorrichtung bezeichnet wird. Die Beschichtungsvorrichtung umfasst beispielsweise eine CNC-Maschine oder einen Roboterarm, welche ein Dosierventil oder eine Dosierpumpe mit einer Beschichtungsdüse führen und beispielsweise nach einem volumetrischen oder einem Druck-/Zeitbeschichtungsprinzip eine definierte Menge Material auf das zu beschichtende Bauteil auftragen.
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Eine Bearbeitungsvorrichtung im Rahmen der vorliegenden Offenbarung kann zusätzlich oder alternativ hierzu eine Vorrichtung zum Aktivieren oder zum Reinigen der Bauteiloberfläche umfassen, welche im Rahmen der vorliegenden Offenbarung auch als Vorbehandlungsvorrichtung bezeichnet wird. Mit den Maßnahmen der vorliegenden Erfindung ist die Vorrichtung zum Aktivieren oder zum Reinigen der Bauteiloberfläche kompakt in die Anlage integrierbar.
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Die Vorbehandlungsvorrichtung kann beispielsweise, aber nicht einschränkend für die Erfindung, eine Vorrichtung zur Plasmaoberflächenaktivierung, insbesondere Atmosphärendruckplasmaaktivierung umfassen. Atmosphärendruckplasma wird auch als AD-Plasma oder Normaldruckplasma bezeichnet. Der Druck entspricht ungefähr dem der umgebenden Atmosphäre, also dem sogenannten Normaldruck. Im Gegensatz zum Niederdruckplasma oder Hochdruckplasma benötigt die Vorrichtung kein Reaktionsgefäß, das zur Aufrechterhaltung des unterschiedlichen Druckniveaus zum Atmosphärendruck dient. Atmosphärendruckplasma wird hauptsächlich bei geringer Stromdichte zur Oberflächenaktivierung und Feinstreinigung von Kunststoff, Metall oder anorganischen Materialien verwendet. Die Plasmabehandlung dient im industriellen Bereich vor allem der Vorbehandlung der Oberflächen vor Klebe-, Druck- und Lackierprozessen. Im Medizinbereich kommt Atmosphärendruckplasma zur Desinfektion und Sterilisation zum Einsatz. Atmosphärendruckplasmaaktivierungsvorrichtungen können beispielsweise mit einem Roboter oder linearen Achssystemen (CNC-Maschine) ausgestattet und unabhängig von der Beschichtungsanlage separat aufgestellt sein. Die Plasmadüse oder das auf den Movern angeordnete Bauteil fährt entlang der vorgesehenen Beschichtungslinie, so dass die Oberfläche des Beschichtungsobjekts aktiviert und fein gereinigt wird.
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Eine Bearbeitungsvorrichtung im Rahmen der vorliegenden Offenbarung kann alternativ oder zusätzlich hierzu eine Vorrichtung zum Bestimmen der Qualität einer Beschichtung umfassen, die im Folgenden auch als Auswertevorrichtung bezeichnet wird. Mit den Maßnahmen der vorliegenden Erfindung ist die Vorrichtung zum Bestimmen der Qualität der Beschichtung kompakt in die Anlage integrierbar.
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Die Auswertevorrichtung umfasst beispielsweise, aber nicht einschränkend für die Erfindung, eine Vorrichtung mit Mitteln zur Durchführung von 2D-Bildverarbeitungstechnologie oder eines Lasertriangulationsverfahrens, wie beispielsweise in
DE 10 2012 009 859 B4 oder
DE 10 2008 039 838 B4 beschrieben.
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Beispielsweise wird die Qualität der Bauteile vor oder nach der Beschichtung mittels eines Lasertriangulationsverfahren ausgewertet. Die bearbeitende Fläche des Objekts wird in Höhe (bei Lasertriangulationsverfahren) und Breite bemessen, um eine qualitative Auswertung in der Produktion zu erleichtern. Die Laserlinie wird in schrägem Winkel auf die Oberfläche gerichtet. Dort trifft sie auf die Oberfläche und erzeugt eine sichtbare Linie. In Bereichen nebenan, wo das Objekt niedriger ist, trifft der Strahl etwas versetzt auf. Mit Hilfe einer Kamera kann dieser Linienversatz im Bild bestimmt werden. Ist der Winkel zwischen Kamera und Laser und dem Linienversatz bekannt, kann mit einfachen trigonometrischen Formeln (rechtwinkliges Dreieck) die Bauteilhöhe berechnet werden. Trifft der Laser sehr flach auf das Objekt, erzeugen schon kleinste Höhenunterschiede einen starken Versatz der Linien. Schon Zehntelmillimeter Differenz sind in der Praxis ohne besonderen Aufwand detektierbar. Bei steilem Winkel ist die Messgenauigkeit gering, dafür sind große Höhendifferenzen erfassbar. Das Prinzip der Lasertriangulation wird bei 3D-Triangulationskameras und Lasern eingesetzt, und kann vorteilhaft von verschiedenen Herstellern in den Maschinen integriert werden. Dabei wird das beschichtete Bauteil kontinuierlich unter einem Kamera-Laser-System fortbewegt und eine Vielzahl von Triangulations-Profilen erzeugt. Aus der Auslenkung der einzelnen Linienprofile kann dann mit Hilfe von Softwarealgorithmen ein dreidimensionales Bild des beschichteten Bauteils errechnet werden. Während bei der 2D-Bildverarbeitung nur die Breite und Lage erfasst werden, Höhenangaben also nicht erfasst werden, können bei Lasertriangulationsverfahren vorteilhaft die Höhe, Breite und Lage sowie der Beschichtungsverlauf des beschichteten Bauteils auswertet werden.
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Nach einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung zum Bestimmen der Qualität einer Beschichtung einen Profilsensor zur Erfassung von Beschichtungsmesswerten. Die Recheneinheit weist dabei bevorzugt ein drittes Rechenmodul auf, welches eingerichtet ist, um die Beschichtungsvorrichtung anhand der vom Profilsensor ermittelten Beschichtungsmesswerte zu steuern, insbesondere um die Beschichtungsmesswerte bei der Erkennung von Fehlern miteinzubeziehen.
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Die vor und nach dem Beschichtungsprozess eingesetzten Technologien, wie Oberflächenreinigung und optische Auswertungsverfahren, können in vorteilhaften Ausführungsformen zeitgleich mit dem Beschichtungsverfahren durchgeführt werden. Vorbehandlungsprozesse, insbesondere Reinigungsprozesse, und die Beschichtungs- und Auswertungsprozesse, die nach dem Stand der Technik manuell oder automatisch getrennt voneinander ausgeführt werden, können mit den Mitteln der vorliegenden Erfindung integriert und idealerweise sogar zeitüberlappend an einem Bauteil ausgeführt werden, so dass die Takt- und Bearbeitungszeit für das Bauteil drastisch gesenkt werden können.
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In einem an sich bekannten Setting mit magnetisch bewegbaren Movern, die als Abstützungen eines zu bearbeitenden Bauteils auf dem Tisch linear beweglich angeordnet sind, und mit einem Bauteilbearbeitungsaufbau mit bevorzugt zueinander in fester Lage positionierter Vorbehandlungsvorrichtung, Bearbeitungsvorrichtung, insbesondere Beschichtungsvorrichtung, und Auswertevorrichtung, ist also entweder der ganze Tisch oder ein Teil des Tisches beweglich, insbesondere drehbar in Bezug auf den Bauteilbearbeitungsaufbau gelagert. Eine Kamera kann optional vorhanden sein und der Qualitätskontrolle dienen. Die Zustellung des Bauteils erfolgt vorteilhaft über die Mover. Die Rotationsachse des Tisches erfüllt zusätzlich die Drehdurchführungsfunktion, die z.B. für Plasma und 3D-Profilsensoren erforderlich sind, um eine winklige Zustellung entlang der Beschichtungslinie zu ermöglichen.
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Der Rahmen der Erfindung kann die Bearbeitungsvorrichtung raumfest angeordnet sein. Durch die Drehbarkeit des Tisches ist es nicht mehr zwingend nötig, die Bearbeitungsvorrichtung komplex 3D-steuerbar auszulegen. Mit den Maßnahmen der vorliegenden Erfindung ist die Bearbeitungsvorrichtung kompakt in die Anlage integrierbar und nimmt wenig Raum ein. Die leichte Bauweise reduziert die Schwingungsmechanik der gesamten Konstruktion und damit die gesamte Halterung und den Maschinenrahmen. Dies trägt zur deutlichen Verschlankung der Konstruktion bei. Die Reduzierung der Maschinenkomponenten im gesamten x-, y- und z-Achsen Bereich verbessert, in Betracht auf Verschleißminderung, den gesamten Maschinenumfang. Auch die dynamische Beanspruchung der Bauteilbearbeitungskomponenten wird durch die konstruktive Bauweise senkrecht zu der Beschichtungsoberfläche deutlich reduziert.
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Alternativ ist vorgesehen, dass die Bearbeitungsvorrichtung ein- oder zweidimensional beweglich gelagert ist. Dabei kann die Bearbeitungsvorrichtung x-, y-, z-Achsen, oder auch A- und/oder B-Achsen der Bewegung aufweisen. Die Bewegbarkeit der Bearbeitungsvorrichtung kann sowohl translatorisch vertikal, horizontal, aber auch rotatorisch sein. Die zusätzlichen Achsen können pneumatisch, elektrisch, aber auch hydraulisch oder in einer Kombination davon angetrieben sein.
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Bei winkliger Zustellungsanforderung wird die Bearbeitungsvorrichtung beispielsweise auf eine zusätzliche B-Achse integriert, um eine Schwenkfunktion zu realisieren. Hierdurch werden komplexe Bewegungsabläufe möglich und komplexe, etwa unebene und hinterschnittene Bauteile bearbeitbar.
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Auch kann die Bearbeitungsvorrichtung beispielsweise eine Höhenverstellbarkeit in z-Richtung aufweisen.
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Noch weiter alternativ kann die Bearbeitungsvorrichtung 3D-beweglich gelagert sein.
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Beispielsweise kann die Bearbeitungsvorrichtung eine parallelkinematische Maschine umfassen, insbesondere beispielsweise eine hexapodal gestützte parallelkinematische Maschine. Die Kombination einer hexapodal gestützten parallelkinematischen Maschine mit Movern und Drehtisch ermöglicht im Prinzip eine beliebige Zustellung des Bauteils zur Bearbeitungsvorrichtung.
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Die oben beschriebene Anlage eignet sich insbesondere zur Verwendung in einem der im folgenden beschriebenen Verfahren. Demzufolge ist auch eine Verwendung der Vorrichtung in einem der folgenden beschriebenen Verfahren vorgesehen. Merkmale der Erfindung, die mit Bezug auf die Anlage beschrieben wurden, sollen auch in Bezug auf das Verfahren als offenbart gelten und umgekehrt.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung weist ein Verfahren zum Bearbeiten eines Bauteils folgende Schritte auf:
- • Positionieren zumindest eines Bauteils auf einer oder mehreren Bauteilstützen, welche auf einem oder mehreren Movern gelagert sind;
- • Ermitteln der Positionswerte der Bauteilstützen mittels Positionssensoren;
- • Ansteuern und Bewegen der Mover anhand der ermittelten Positionswerte mittels einer Recheneinheit, um das Bauteil zu einer Bearbeitungsvorrichtung auszurichten.
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Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass flexible Anordnungsmöglichkeiten der Mover bei unterschiedlichen Bauteilen ohne großen Umrüstaufwand möglich sind, und somit Rüstungs- und Umrüstungszeiten deutlich verkürzt werden können.
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Neben der sich dadurch ergebenden Produktionsflexibilität, die auch eine Bearbeitung von geometrisch komplexen Bauteilen erlaubt, kann durch eine Verschmelzung von Prozessschritten eine hohe Taktzeit erzielt werden, mithin hohe Stückzahlen von bearbeiteten Bauteilen in kurzer Zeit.
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Weitere Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden mit Bezug auf die Figuren beschrieben.
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Figurenliste
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Es zeigt:
- 1 eine Anlage zum Bearbeiten eines Bauteils nach einer Ausführungsform der Erfindung.
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AUSFÜHRUNGSBEISPIELE DER ERFINDUNG
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1 zeigt eine Anlage 10 zum Bearbeiten eines Bauteils 12 nach einer Ausführungsform der Erfindung. Die Anlage 10 umfasst eine Bearbeitungsvorrichtung 14, eine Recheneinheit 16 und einen teilweise drehbar gelagerten Tisch 18, auf dem eine oder mehrere auf Movern 20 gelagerte Bauteilstützen 22 positioniert sind. Auf weiteren Movern 20 können Hilfsvorrichtungen oder Kalibrierungskomponenten für weitere Verfahrenskomponenten installiert sein (nicht dargestellt).
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Der Tisch 18 ist als Statortisch mit bestrombaren Spulen ausgeführt, sodass die auf Movern 20 gelagerten Bauteilstützen 22 in einer Tischebene (xy-Ebene) mithilfe von elektromagnetischen Kräften beweglich sind. Die Mover 20 weisen hierzu Permanentmagnetenanordnungen auf, wie aus dem o.g. Stand der Technik bekannt.
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Die Anlage 10 umfasst einen oder mehrere Positionssensoren 24, welche eingerichtet sind, um Positionswerte der Bauteilstützen 22 zu ermitteln. Die Recheneinheit 16 umfasst ein erstes Rechenmodul, das eingerichtet ist, um die Mover 20 anhand der von den Positionssensoren 24 ermittelten Positionswerte der Bauteilstützen 22 zu steuern, um das auf den Bauteilstützen 22 positionierte Bauteil 12 und die Bearbeitungsvorrichtung 14 zueinander auszurichten.
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Der Tisch 18 ist der elektrisch aktive Teil der Anlage 10 und besteht in der dargestellten Ausführungsform, aber nicht einschränkend für die Erfindung, aus zwei Teilen. Der Tisch 18 weist einen ersten Tischbereich 26 und zweiten Tischbereich 28 auf, wobei der erste Tischbereich 26 um eine Drehachse (z-Achse) rotierbar ist, welche im dargestellten Ausführungsbeispiel durch eine vertikale Mittelachse des Tisches 18 gebildet ist. Der zweite Tischbereich 28 ist statisch, d.h. unbeweglich, was aber nicht einschränkend für die Erfindung ist. Der zweite Tischbereich 28 kann von Tischbeinen (nicht dargestellt) abgestützt sein. Der erste Tischbereich 26 ist kreisrund ausgebildet und bildet einen inneren Tischbereich, welcher vom zweiten Tischbereich 28 als äußeren Tischbereich umschlossen wird. Der zweite Tischbereich 28 ist hier rein beispielhaft quadratisch ausgebildet.
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Der erste Tischbereich 26 steht auf einem Sockel 30, der einen Motor, eine Daten- und Leistungsübertragungseinheit und einen Drehgeber zur Rotation des ersten Tischbereichs 26 einhaust (nicht dargestellt). Ein Rotationsachsenaufbau umfasst dabei den rotierbaren ersten Tischbereich 26 sowie eine Antriebseinheit mit dem Drehmotor und die Daten- und Leistungsübertragungseinheit, welche im Sockel 30 angeordnet sind. Ein in die Direktantriebseinheit integrierter lagerloser Drehgeber ermittelt die Lage des rotierbaren ersten Tischbereichs 26, z.B. einen Drehwinkel, in Bezug zum unbeweglichen zweiten Tischbereich 28. Die Daten- und Leistungsübertragungseinheit übermittelt die erforderlichen Daten einer Mastersteuerung, welche beispielsweise in der Recheneinheit 16 integriert ist, und überträgt die benötigte (elektrische) Leistung zur Drehung des Rotationsachsenaufbaus. Die Komponenten übernehmen die Rotationsbewegung der z-Achse.
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Die Bauteilbearbeitung kann sowohl auf dem rotierenden ersten Tischbereich 26 als auch auf dem stehenden zweiten Tischbereich 28 durchgeführt werden, erfolgt aber typischerweise auf dem rotierenden ersten Tischbereich 26. Die Positionierungs-, Abstützungs-, Bewegungs- und Transportaufgaben des Bauteils 12 werden von den Movern 20 übernommen. Die Platzierung des Bauteils 12 kann manuell durch Arbeitskräfte oder automatisch durch das Planarmotorantriebssystem, Förderband, Maschinengreifsystem, Roboter etc. erfolgen.
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Zwischen dem rotierbaren ersten Tischbereich 26 und dem stationären zweiten Tischbereich 28 ist ein Spalt 38 vorgesehen, der bevorzugt eine Spaltbreite von 0,05 mm bis 10 mm aufweist. Der Spalt 38 verhindert den Verschleiß der beiden Statoren. Nach der Bearbeitung, welche auf dem rotierbaren ersten Tischbereich 26 erfolgt, wird das Bauteil 12 über die Spaltfläche zum stationären zweiten Tischbereich 28 bewegt. Der stationäre zweite Tischbereich 28 dient dabei typischerweise als passive Fläche, zum Beispiel als Parkposition für unbenutzte Mover 20 oder für Mover 20 mit Hilfsvorrichtungen oder Kalibrierungskomponenten.
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Eine Leistungselektronik und ein damit verbundenes Computerprogramm unterstützen die genaue Positionierung der Mover 20 auf der Tischebene. An den Seiten des zweiten Tischbereichs 28 können weitere Statoreinheiten der Planarmotorantriebstechnologie angeschlossen werden. Anschlussmöglichkeiten sind an beliebiger Stelle am Tisch 18 vorhanden und über die Steuerung und Elektronik können verschiedene Aufgaben wie Positionierung, Bewegung etc. ausgeführt werden.
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Die Bearbeitungsvorrichtung 14 umfasst im dargestellten Ausführungsbeispiel eine Vorrichtung zum Vorbehandeln, hier beispielhaft zum Aktivieren oder zum Reinigen einer Bauteiloberfläche, eine Vorrichtung zum Beschichten eines Bauteils und eine Vorrichtung zum Bestimmen der Qualität einer Beschichtung. Je nach Anforderung ist der Bearbeitungsaufbau in der Anlage angepasst.
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Zur Erleichterung der Übersicht ist in 1 von der Vorrichtung zum Aktivieren oder zum Reinigen der Bauteiloberfläche lediglich eine Reinigungsdüse 32 dargestellt und von der Vorrichtung zum Beschichten des Bauteils lediglich eine Dosierdüse 34. Die Vorrichtung zum Bestimmen der Qualität der Beschichtung ist rein beispielhaft als eine Kamera 36 dargestellt. Diese Vorrichtungen umfassen im Allgemeinen wesentlich mehr Komponenten, welche der Person des Fachs bekannt sind.
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Die Vorrichtungen zum Aktivieren oder zum Reinigen der Bauteiloberfläche, zum Beschichten des Bauteils und zum Bestimmen der Qualität der Beschichtung können einzeln oder starr miteinander verbunden gelagert sein und sind im Allgemeinen senkrecht, waagerecht oder winklig zur Tischebene positioniert. Sie können raumfest angeordnet oder beweglich gelagert sein. Die Steuerung der Vorrichtungen kann beispielsweise durch die Recheneinheit 16 erfolgen, welche hierfür entsprechende Anschlüsse aufweist.
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Bei einem beispielhaften Anwendungsfall Reinigen - Bearbeiten - Auswerten wird z.B. eine Punkt-, Linien- oder Flächenauftragung von Material auf das vorgesehene Bauteil 12 appliziert.
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Dabei wird zunächst das Bauteil 12, hier ein zu beschichtendes Bauteil 12, auf einen oder mehreren Movern 20 abgestützt, wobei die Bauteilstützen 22 hierzu, wie aus dem Stand der Technik bekannt, gerade und auch angeschrägte Flächen, Abstützstifte und Auflageteile aufweisen können. Vorteilhaft ergibt sich eine niedrige Rüstungszeit für die Bauteilbearbeitung durch die schnelle Anordnung der Mover 20 an den jeweils vorgesehenen Abstützpunkten. Außerdem wird durch die Auswahl der vorprogrammierten Anordnung der Mover 20 eine ergonomische und leichte Bedienung der Anlage möglich. Das Bauteil 12 wird beim Absetzen nicht verkantet. Abhängig von auftretenden physikalischen Kräften kann das Bauteil 12 optional auch auf den Movern 20 fixiert werden. Nach Enthebung des Bauteils 12 werden die Abstützstifte- und Auflagen der Bauteilstützen 22 rückgestellt.
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Die Kalibrierung des Bauteils 12 in der xy-Ebene wird in einem bestimmten Intervall mit dem 3D-Profilsensor/Kamera überprüft, um die Korrekturen an der Mastersteuerung durchzuführen. Dabei werden Höhen-, Winkel- und/oder Positionskorrekturen an den Movern 20 vorgenommen. Die Kalibrierung des rotierbaren ersten Tischbereichs 26 zum stationären zweiten Tischbereich 28 erfolgt beispielsweise über Laserabtaster. Es erfolgt gleichzeitig eine Ausrichtung und Kontrolle der Dosierdüse 34, die an dem Beschichtungsapparat befestigt ist.
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Das Bauteil 12 wird vor der Reinigungsdüse 32 platziert. Die Bewegung des Bauteils 12 in der xy-Ebene und optional auch die z-Achszustellung wird dabei über die Mover 20 realisiert. Die Reinigungsdüse 32 reinigt bzw. aktiviert die Oberfläche des Bauteils 12 entlang einer vorgesehenen Linie oder Fläche. Dabei kann die Vorrichtung mit der Reinigungsdüse 32 und/oder das Bauteil 12 auf den Movern 20 entlang einer vorgegebenen Linie oder Fläche verfahren werden.
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Abhängig von der Gewichtskraft werden eventuell freigesetzte Partikel auf dem Bauteil 12 mit Hilfe einer Absaugvorrichtung entfernt. Einige Komponenten der Absaugvorrichtung können z.B. oberhalb oder unterhalb des Bauteilbearbeitungsaufbaus angeordnet sein. Weitere Komponenten der Absaugvorrichtung können beispielsweise in einem abgeschirmten Maschinenraum untergebracht sein, um die Prozesssicherheit gegen Gesundheitsschäden zu erhöhen.
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Der gereinigte Bereich des Bauteils 12 wird vor der Dosierdüse 34 der Beschichtungsvorrichtung positioniert. Diese trägt punktuell, linienförmig oder flächig ein Substrat auf das vorgesehene Bauteil unmittelbar nach dem Reinigungsapparat auf. Dabei kann die Vorrichtung mit der Dosierdüse 34 und/oder das Bauteil 12 auf den Movern 20 entlang einer vorgegebenen Linie oder Fläche verfahren werden.
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Der beschichtete Bereich des Bauteils 12 wird vor der Kamera 36 oder vor einem 3D-Profilsensor positioniert. Die Kamera 36 ist nach der Beschichtungsvorrichtung angeordnet und erfasst das aufgetragene Substrat in seiner Form optisch. Die Recheneinheit 16 wertet die Qualität der Beschichtung auf Basis der Kameradaten aus. Dabei wird zusätzlich zu Daten wie Höhe und Breite bzw. Form des Substrates auch die Lage und der Bezug zum Bauteil 12 erfasst, im Computerprogram ausgewertet und ggf. Korrekturen oder Ausschussmeldungen an eine übergeordnete Steuerung gesendet. Die statische Auswertung des Prozessparameters ergänzt das Prozessoptimierungsverfahren.
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Somit ermöglicht die Erfindung kurze Takt- und Bearbeitungszeiten rund um das Beschichten eines Bauteils. Die Erfindung ermöglicht mit geringem Konstruktionsaufwand durch Kombination von Prozessschritten vor und nach dem Beschichtungsverfahren bzw. durch eine zeitgleiche Durchführung von Prozessschritten, alle Prozessschritte ohne wesentlich Zeitverluste durchzuführen.
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Die Aufteilung und Anordnung der Magnetspulen und Sensoren für die Positionserfassung am rotierenden Tischbereich 26 und die mechanische, elektrische bzw. softwareseitige Anbindung der Mechanik und Elektronik sind dabei eine wichtige Voraussetzung, um die Rotationsbewegung um die z-Achse zu gewährleisten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2907585 B1 [0008]
- US 10763733 B2 [0008]
- US 10707738 B2 [0008]
- US 10116195 B2 [0008]
- US 10819205 B2 [0008]
- US 10554110 B2 [0008]
- US 2020/0030995 A1 [0008]
- DE 102012009859 B4 [0041]
- DE 102008039838 B4 [0041]
