DE102021208882A1

DE102021208882A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Ausbildung von Funktionselementen an und/oder in Bauteilen

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Publication number: DE102021208882A1
Application number: DE102021208882.1A
Authority: DE
Inventors: Moritz Frauendorf; Nataliia Matvieieva; Philipp Dobeleit; Christian Vedder; Jonas Mertin
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2021-08-13
Filing date: 2021-08-13
Publication date: 2023-02-16
Also published as: WO2023017030A1

Abstract

Die Vorrichtung zur Ausbildung von Funktionselementen auf und/oder in Bauteilen ist mit mindestens einer Druckeinrichtung (1), mindestens einer Aushärteeinrichtung (2) und einer elektronischen Steuer- und Regeleinheit (GS) gebildet. Dabei ist die Druckeinrichtung (1) so ausgebildet, dass mit mindestens einem Druckkopf (2.1), mit dem eine ein Funktionselement bildende, plastisch verformbare Masse auf eine Oberfläche eines Bauteils lokal definiert aufgebracht wird. Die Aushärteeinrichtung (2) ist dabei auch so ausgebildet, dass durch einen Energieeintrag eine Aushärtung der plastisch verformbaren Masse, mit der ein Funktionselement ausgebildet ist, dauerhaft erreicht wird, und die elektronische Steuer- Regeleinheit (GS) ist derart ausgebildet, dass unter Nutzung von mit Sensoren (3, 4) erfassten Messsignalen das Drucken und Aushärten der jeweiligen plastisch verformbaren Masse beeinflusst wird. Dazu sind mindestens der einen Druckeinrichtung (1) und der Aushärteeinrichtung (2) Sensoren (3, 4) zugeordnet, deren Messsignale für eine Regelung des Druckens und Aushärtens nutzbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und Verfahren zur Ausbildung von Funktionselementen an und/oder in Bauteilen. Bei Funktionselementen kann es sich insbesondere um elektrische Leiterbahnen, Sensoren, Heizelemente, Antennen oder Aktoren handeln. Bei der Herstellung von Funktionselementen werden plastisch verformbare Massen eingesetzt, die zumindest nach einem Aushärten funktional (z.B. elektrisch leitend oder elektrisch isolierend) sind. Plastisch verformbare Massen kann man dazu in Form von Suspensionen oder Polymeren mit geeigneter Viskosität einsetzen. In der jeweiligen plastisch verformbaren Masse sind häufig ein Binder und mindestens ein elektrisch leitender Stoff, wie z.B. ein Metall oder ein elektrisch leitfähiges Polymer mit einem Anteil, bei dem die Perkolationsschwelle des Werkstoffs mit dem das jeweilige Funktionselement gebildet ist überschritten ist, enthalten. Eine plastisch verformbare Masse kann auch mit einem Stoff gebildet sein, der piezoelektrische oder isolierende (dielektrische) Eigenschaften aufweist. Bei Bauteilen kann es sich auch um entsprechende Halbzeuge handeln.
Die Erfindung kann für die Herstellung von (nicht-) und elektrisch leitfähigen Strukturen/Linien/Punkte auf und in 2D/3D Bauteilen/Körpern, die man als Leiterbahnen, Sensorstrukturen/-schichten, Isolationsstrukturen/-schichten, Aktoren (z.B. Piezopaste) nutzen kann, verwendet werden. Dabei können Funktionselemente mit unterschiedlichster angepasster geometrischer Gestaltung und Dimensionierung aus bzw. mit mindestens einem jeweils geeigneten Werkstoff herstellen.
Funktionsdruck beschreibt eine innovative additive Fertigungstechnologie, welche mittels (digitaler) Druckverfahren Funktionsfluide (bspw. Paste) ohne zusätzlichen Werkzeug-, Schablonen- und Montageaufwand flexibel und ortsvariabel auf planare oder 3D-Oberflächen auftragen kann. Je nach aufgebrachter Struktur bzw. Muster lassen sich damit Funktionselemente, wie Leiterbahnen, Sensoren, Antennen, Heizelemente oder Aktoren an einemherkömmlich hergestellten Bauteil realisieren.
Diese Technologie birgt somit das Potential, die aus den gesellschaftlichen Trends nach erhöhtem Funktionsumfang und individualisierten Produkten resultierenden Herausforderungen der Produktion in Bezug auf eine wirtschaftliche Funktionsverdichtung und eine Flexibilisierung der Produktion zu lösen.
Beim Funktionsdruck existieren momentan folgende Nachteile, die stark das Anwendungsgebiet begrenzen und das Produktionsvolumen reduzieren:

Der Aufwand zum Einfahren des Druckprozesses limitiert die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens. Reproduzierbare Eigenschaften gedruckter Strukturen können noch nicht in ausreichendem Maß erreicht werden (aktuell tritt z.B. eine Leitfähigkeitsvarianz bis 20 % auf). Dies erlaubt derzeit nur die Realisierung einfacher Funktionalitäten. Es ist eine Druckprozessregelung notwendig um reproduzierbare Produktqualität zu erreichen.

Aufgrund des Einsatzes eines Ofens zur Nachbehandlung ist die maximale Abmessung der Bauteile limitiert und der Nachbehandlungsprozess sehr zeit- und energieintensiv. Die Gefahr von Bauteilverzug und/oder der Schädigung des Werkstoffes im Ofen erfordern die Verwendung von temperaturstabilen technischen Kunststoffen mit eventuell zusätzlicher struktureller Verstärkung. Daher sind lokale Nachbehandlungen erforderlich, welche eine Schädigung des Substrats wesentlich reduzieren können. Momentan ist die Anwendung dieser sehr limitiert, weil solche Technologien sehr komplex und aufwändig sind.
Die Qualitätskontrolle von gedruckten Strukturen wird momentan meistens visuell (Kamera, Optische Laser Systeme), mittels Röntgen Verfahren oder konventionell (berührend: 2/4 Leitermessung des Widerstands) durchgeführt. Eine Korrektur gedruckter Strukturen mit einem Defekt ist momentan nicht möglich. Daher ist eine Inline Druck- und Sinterqualitätskontrolle (Sensorik) sowie eine Korrektur von Defekten erforderlich.
Üblicherweise werden bekannte digitale Drucktechnologien, die man auch als Funktionsdruck bezeichnen kann (insbesondere additive Fertigungstechnologien), bereits erfolgreich zur Fertigung von gedruckten Elektroniken benutzt. Trotz der zahlreichen Vorteile des digitalen Funktionsdrucks, wie Druckflexibilität, Druckzeit und Funktionalität, ist die ganze Produktionskette momentan sehr energie- und ressourcenineffizient. Zudem wird die Qualitätskontrolle der gedruckten Strukturen noch manuell durchgeführt. Im Falle eines festgestellten Defekts können die Defekte nur in geringem Umfang behoben werden. Meistens werden die Bauteile in diesem Fall einfach entsorgt.
Momentan werden alle funktionalen Prozesse (Drucken, Nachbehandeln, Qualitätskontrolle, Defektkorrektur) im Funktionsdruck voneinander getrennt durchgeführt.
Die Bauteilgröße ist typischerweise im Bereich von ca. 300 mm x 300 mm x 200 mm aufgrund der Ofenabmaße begrenzt.
Bei den herkömmlichen Druckverfahren erfolgt zuerst ein Drucken eines Funktionselements durch sukzessiv lokal definiertes Auftragen von einzelnen Tropfen oder Strängen. Nach Abschluss des Druckens erfolgt ein Transport des nach dem Drucken erhaltenen Halbzeugs in einen Ofen oder es wird eine andere Form einer Wärmebehandlung bzw. eines Energieeintrags in den jeweiligen Werkstoff durchgeführt. Im Nachgang dazu wird eine Qualitätskontrolle am jeweiligen Bauteil und daran anschließend ggf. eine Korrektur von Defekten durchgeführt.
Momentan existiert keine Hardwareeinheit (alle Fertigungsprozesse in einem einzelnen Prozess-Kopf), die Druck- und Sinterprozessregelung gleichzeitig ermöglicht.
So ist es bekannt UV aushärtende Tinte über ein Inkjet-Verfahren zu einem Bauteil zu drucken. Im Druckkopf kann eine UV-Quelle integriert sein, die über Spiegel die UV-Strahlung auf die Tinte leitet und diese aushärtet. Dabei erfolgen jedoch keine selektiv einstellbare Aushärtung und eine Inline-Messung.
Es ist auch bekannt, wie sich geeignete konstruktive Eigenschaften für den Jet-Dispens- Druck von elektrisch leitfähigen Strukturen finden lassen. Dabei werden vor allem der Düsen-Durchmesser, die Düsen-Länge, der Stößeldurchmesser, der Stößel-Hub, der Behälter-Druck, die Fluidviskosität und die Fluidtemperatur im Zusammenhang mit den Druckeigenschaften berücksichtigt. Die charakteristischen Zeit-Parameter der Bewegung des Jet-Stößels, wie die Hubzeit, Öffnungszeit, Senkzeit, Verzögerungszeit oder Schussfrequenz bleiben dabei unerwähnt. Die vorwiegend beschriebenen konstruktiven Parameter eignen sich nicht für die Einflussnahme innerhalb einer Prozessregelung, da diese nicht steuerungstechnisch verändert werden können. Des Weiteren wird keine Sensorik zur aktiven Regelung eingesetzt.
Es ist auch ein Verfahren zum Bedrucken von bereits gebogenen Oberflächen u.a. von gewölbten Glasscheiben hinsichtlich Dekor- und Funktionsdruck bekannt. Das Verfahren zur Bedruckung und/oder farblichen Behandlung dreidimensional gebogener Glas- und/oder Kunststoffscheiben ist dadurch gekennzeichnet, dass bei der bereits dreidimensional geformten Glasscheibe der Druck- bzw. Farbauftrag für Funktions- bzw. Dekordrucke mittels InkJet-Verfahren und Laser-Verfahren und/oder fotolithografischen Verfahren erfolgt. Als Anwendungsgebiete werden zum Beispiel Heizelemente in den Scheiben aufgeführt, wobei kein Einsatz von Sensorelementen vorgesehen ist.
Es gibt momentan keine Inline Fertigungskette in der Funktionsdruckfertigungstechnologie, bei der Druck, Sintern, Qualitätskontrolle und Defektkorrektur alle inline realisiert werden und durch einen Regelkreis verbunden sind. Im Ergebnis treten bis zu ca. 20% Abweichungen bei Qualitätskenngrößen (z.B. elektrischer Widerstand) bei gedruckten Strukturen auf.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten für eine Ausbildung von Funktionselementen mittels Druckeinrichtung(en) anzugeben, mit denen zumindest nahezu der gesamte Fertigungsprozess überwacht und eine direkte Regelung während der Ausbildung von Funktionselementen zur Verbesserung der Qualität und Reproduzierbarkeit bei der Fertigung erreicht werden können.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Vorrichtung, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Anspruch 6 definiert ein Verfahren. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen können mit in abhängigen Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
Die Vorrichtung ist mit mindestens einer Druckeinrichtung, mindestens einer Aushärteeinrichtung und einer elektronischen Steuer- und Regeleinheit gebildet. Dabei ist die Druckeinrichtung so ausgebildet, dass mit mindestens ein Druckkopf, mit dem eine ein Funktionselement bildende plastisch verformbare Masse auf eine Oberfläche eines Bauteils lokal definiert aufgebracht wird. Die Aushärteeinrichtung ist dabei so ausgebildet, dass durch einen Energieeintrag eine Aushärtung der plastisch verformbare Masse mit der ein Funktionselement ausgebildet ist, dauerhaft erreicht wird. Die elektronische Steuer-Regeleinheit ist ausgebildet das Drucken und Aushärten der jeweiligen plastisch verformbare Masse mittels mit Sensoren erfassten Messsignalen zu beeinflussen. Dazu sind der mindestens einen Druckeinrichtung und der Aushärteeinrichtung Sensoren zugeordnet, deren Messsignale für eine Regelung des Druckens und Aushärtens nutzbar sind.
Dabei kann die jeweilige plastisch verformbare Masse bei der additiven Fertigung von Bauteilen zur Ausbildung von Funktionselementen auf eine Oberfläche während der Herstellung des jeweiligen Bauteils aufgebracht werden, wodurch ein Funktionselement in einem Bauteil hergestellt werden kann, wenn nachfolgend die additive Fertigung mit mindestens einem anderen Werkstoff weiter durchgeführt wird. Ein Funktionselement kann aber auch auf eine Oberfläche eines bereits fertigen, herkömmlich hergestellten Bauteils oder einem so genannten Grünkörper aufgebracht werden.
An der Druckeinrichtung kann mindestens ein Sensor vorhanden sein, der ausgewählt ist aus den Sensoren für die Geometrieerfassung, z.B. optische Messsysteme wie Kameras, Laser, Weißlichtinterferometer und Mikroskopie, Röntgenverfahren, Ultraschall, einen Temperatursensor, einen Geschwindigkeitssensor, einen Abstandssensor und einer Tropfendetektion.
An der Aushärteeinrichtung kann mindestens ein Sensor vorhanden sein, der ausgewählt ist aus Sensoren für ein Geometrieerfassung (z.B. optische Messsysteme wie Kameras, Laser und Mikroskopie, Röntgenverfahren, Ultraschall), Sensoren für die elektrische Leitfähigkeitsermittlung, wie z.B. Wirbelstromsensor, ein optisches Reflektometersystem, insbesondere zurTrocknungs- bzw. Aushärtungszustandsbestimmung. Dort kann auch eine Erfassung physikalischer Eigenschaften, z.B. Wirbelstrom für die lokale elektrische Leitfähigkeitserfassung oder eine Laser speckle Reflektometrie für die Trocknungsgrad- bzw. Aushärtezustandserfassung durchgeführt werden.
Vorteilhaft kann mindestens ein Sensor zur Bestimmung der momentanen Relativbewegungsgeschwindigkeit der Druckeinrichtung in Bezug zur jeweiligen Oberfläche des Bauteils vorhanden sein. Dies kann z.B. ein entsprechender Sensor, mit dem die momentane Geschwindigkeit bzw. Beschleunigung mit der eine Druckeinrichtung entlang eines Weges über die jeweilige Oberfläche bewegt wird, sein. Diese momentane Geschwindigkeit kann auch an einem Manipulator, z.B. einem Roboter bestimmt werden, mit dem die jeweilige Druckeinrichtung relativ zur Bauteiloberfläche bewegt wird.
Die Druckeinrichtung und/oder die Aushärteeinrichtung sollten mit einem Manipulator mit mindestens zwei, bevorzugt mindestens drei Freiheitsgraden bewegbar sein. Dies kann mindestens eine translatorische, eine Drehbewegung oder eine Verschwenkung um mindestens eine Achse sein. Dadurch kann man die gesamte für ein Funktionselement erforderliche Oberfläche erreichen und ggf. auch eine dreidimensionale Oberflächenkontur berücksichtigen.
Die Druckeinrichtung kann mit mindestens einer digital betreibbaren Druckeinrichtung, einer Aerosol-Jet-Druckeinrichtung, eine Ink-Jet-Druckeinrichtung, einer Plasmaspritzeinrichtung, eines Zeit-Druck-Dispeners, eines Schneckendispensers, eines Verdränger-Dispensers oder eines Jet-Dispensers gebildet sein.
Die Aushärteeinrichtung kann mit mindestens einer elektromagnetische Strahlung emittierenden Quelle (Mikrowellen, Infrarot- oder UV-Strahlung), einer Einrichtung zur Generierung elektrischer Wirbelströme, einem Heißgasstrahler, einem Laser, Infrarot-Punktstrahler oder einem Ultraviolett-Punktstrahler gebildet sein.
Bei dem Verfahren wird so vorgegangen, dass eine ein Funktionselement bildende plastisch verformbare Masse auf eine Oberfläche eines Bauteils lokal definiert aufgebracht wird. Im Anschluss daran wird mit einem Energieeintrag eine Aushärtung der plastisch verformbaren Masse mit der ein Funktionselement ausgebildet ist, dauerhaft erreicht und mit Sensoren werden während des Aufbringens der plastisch verformbaren Masse und während des Aushärtens Messsignale erfasst und der elektronischen Steuer- Regeleinheit übermittelt. Mit diesen Messsignalen werden mit der elektronischen Steuer- und Regeleinheit das Aufbringen und Aushärten während der Ausbildung eines jeweiligen Funktionselements geregelt.
Mit den erfassten Messsignalen können während des Aufbringens und/oder des Aushärtens Abweichungen von vorgegebenen Werten oder Defekte erkannt und beim weiteren Aufbringen und/oder Aushärten mit der Steuer- und Regeleinheit bei der Regelung berücksichtigt werden. Dadurch können Abweichungen oder Defekte korrigiert werden.
Zur Regelung der Druckeinrichtung können mit Sensoren erfasste Temperaturen, Viskosität der plastisch verformbaren Masse, die momentane Menge an gedrucktem Fluid, die geometrische Form und/oder Dimensionierung eines Funktionselements, die lokale elektrische Leitfähigkeit der aufgedruckten plastisch verformbaren Masse, Relativgeschwindigkeit und Abstand des Druckkopfs, während des Aufbringens der plastisch verformbaren Masse und während des Aushärtens zur Regelung der Aushärteeinrichtung können mit Sensoren die Temperatur der Aushärteeinrichtung und gedruckten Struktur, die geometrische Form und/oder Größe des Brennflecks eines Strahls elektromagnetischer Strahlung (z.B. Laser oder Infrarotstrahl), der zum Aushärten eigesetzt wird, die elektrische Leitfähigkeit und Geometrie des Funktionselements bevorzugt ortsaufgelöst, erfasst und/oder berücksichtigt oder eine orts- und spektralaufgelöste Erfassung von an der Oberfläche reflektierter elektromagnetischer Strahlung (HSI- Hyper Spectral Imaging) durchgeführt wird/werden.
Unter „während“ kann man ein Zeitintervall verstehen, dass vom Beginn des Aufbringens oder Aushärtens bis kurz nach Beendigung dieser Vorgehensweisen verläuft.
Bei einem Aushärten kann eine Trocknung, eine Vernetzung von Polymeren, eine zumindest teilweise Entfernung von in dem Fluid enthaltenen organischen Komponenten bis hin zu einer Sinterung verstehen.
Das Verfahren kann mittels mindestens einem Knickarm-Roboter (oder anderen Bewegungssystemen) als einem geeigneten Manipulator inline durchgeführt werden, der die benötigten Einzeleinheiten (Druckeinheit, Aushärteeinheit, Inline-Sensoren) mit Druck-, Aushärte-, Mess-, Regelungs- und Defektkorrekturfunktionen gemeinsam tragen kann.
Mit Hilfe einer solchen Funktionseinheit wird es möglich, einen Produktionskreis von funktionalem Druck inline zu realisieren, den Produktionsprozess zu kontrollieren und zu regeln.
Eine Druckeinrichtung kann einen oder mehrere Druckköpfe (z.B. für Materialienkombinationen), die durch verschiedene Drucktechnologien, z.B. Schneckendispensen, Ink -Jet-, Aerosol-Jet, Jet-Dispensen, realisiert werden können, aufweisen. Mittels dieser Technologien können unterschiedliche funktionale Strukturen (Leiterbahnen, Sensoren, Aktoren, Isolation) auf 2D- und 3D-Flächen lokal definiert als Funktionselemente ausgebildet werden.
Um einen Ofenprozess zur thermischen Nachbehandlung zu ersetzen, können selektive Nachbehandlungsverfahren integriert werden. Hierfür sind folgende Verfahren verfügbar: photonische (UV-Licht, IR-Licht, Laserstrahlung, Blitzlampen/IPL, usw...), konvektive (Heißluft, usw.), elektromagnetische Mittel, wie z.B. Wirbelstrom, Induktion bzw. Mikrowellen eingesetzt werden.
Die oben genannten Aushärtungsmöglichkeiten können auch verwendet werden, um Abweichungen von Vorgaben von einzuhaltenden Eigenschaften (z. B. von einer gewünschten elektrischen Leitfähigkeit) und/oder Defekte selektiv in gedruckten und ausgehärteten Funktionselementen zu korrigieren.
Mit Hilfe von verschiedenen eingebauten Sensoren können die Druck- und Aushärtequalität gemessen werden. Die Geometrie, Dimensionierung und Oberflächenqualität kann z.B. mit einem Lasermesssystem, einer Kamera, der Trocknungsgrad kann z.B. mittels Reflektometrie, oder Wirbelstrom und elektrische Informationen, wie insbesondere Widerstand können mit einem Wirbelstrom-Messsystem ermittelt werden. Weiterhin kann die momentane Relativgeschwindigkeit der Achsen eines genutzten Manipulators in Bezug zur jeweiligen Oberfläche bzw. dem momentan bearbeiteten Oberflächenbereich auf den die plastisch verformbare Masse aufgebracht oder dort eine Aushärtung durchgeführt wird, erfasst und berücksichtigt werden.
Auf Basis von eingebauten Sensoren können die unterschiedlichen Regelungskreise entwickelt und programmiert werden, um die Produktqualität zu gewährleisten.
Eine Prozessregelung kann die Druck- und Aushärteprozess stabil halten und ein Abdriften vom definierten Prozessfenster verhindern. Damit kann verhindert werden, dass durch verändernde Prozessbedingungen (z.B. Fluidviskosität) oder schwankende Umgebungseinflüsse die vorgegebenen Toleranzen nicht eingehalten werden. Die Inline-Messung kann direkt während bzw. nach dem Druck-, respektive nach der Aushärtung durchgeführt werden, so dass Stellsignale den Einzelprozessen verzögerungsarm zugeführt werden können. Mit erfassten Messsignalen kann eine Parameteranpassung sowohl für das Drucken, wie auch das Aushärten durch eine Regelung erreicht werden, wenn bestimmte Vorgaben durch die jeweiligen Messungen nicht erreicht oder Messwerte außerhalb einer vorgegebenen Toleranz festgestellt worden sind. Dann kann durch die Regelung gezielt Einfluss auf den Druck- oder Aushärteprozess genommen werden, indem von der elektronischen Steuer- und Regeleinrichtung entsprechende Steuersignale an eine Druck- bzw. Aushärteeinrichtung gegeben werden, um diese so zu beeinflussen, dass die jeweiligen Vorgaben eingehalten und die gewünschten Eigenschaften eines Funktionselements erreicht werden.
Vorteilhaft ist außerdem ein tiefgreifendes Verständnis der Einzelprozesse, die in mathematischer, modellbasierter Form genutzt werden können. Dadurch können die Prozessparameter anhand einer gemessenen Eingangsgröße gezielt angepasst werden, um die Lücke zwischen IST- (Messung) und SOLL-Wert (Zielgröße) zu schließen. Fehlen solche Modelle für die Einzelprozesse, ist nicht oder nur schwer ersichtlich, inwiefern die einzelnen Prozessparameter angepasst werden müssen, um einem SOLL-Wert näher zu kommen.
Abhängig von mittels Inline-Sensorik registrierten Defekten und/oder Abweichungen können Verfahrensparameter des jeweiligen Druck- und Aushärteverfahren regelungstechnisch derart angepasst werden, dass die notwendigen Struktureigenschaften (elektrische, geometrische) erreicht werden. Es kann auch eine Korrektur detektierter Abweichungen von Vorgaben und Defekten vorgenommen werden. Dabei wirkt sich eine ortsaufgelöste Erfassung von Messwerten besonders vorteilhaft aus, da Abweichungen von Vorgaben oder Defekte dann lokal gezielt berücksichtigt werden können.
Mit der Erfindung ergeben sich folgende Vorteile für den Fertigungsprozess:

Die Aushärtung der plastisch verformbaren Masse_kann lokal und inline auf dem jeweiligen Bauteil durchgeführt werden, was die Fertigung energie- und zeiteffektiver macht (im Gegensatz dazu findet die Aushärtung aktuell meistens global und „offline“ in einem Ofen statt).

Durch die Inline-Messung (Leiterbahneigenschaften z.B. Geometrie + Leitfähigkeit) kann das Endprodukt gleichzeitig qualitativ bewertet und geprüft werden. Mit dem Ansatz der Inline-Prozessregelung können die Fertigungsprozesse stabiler durchgeführt werden, was die Ausschussrate verringert und die Qualität der Produkte erhöht. Es ist eine Skalierung auch auf großflächigen Bauteilen möglich, wie dies z.B. eine Fahrzeugstoßstange mit Funktionselementen sein kann.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
Dabei zeigen:

1 in perspektivischer Darstellung ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und
2 ein Beispiel eines Ablaufschemas, wie das Verfahren durchgeführt werden kann.

Das Beispiel, wie es in 1 dargestellt ist, besteht aus einer Jet-Dispens Druckeinrichtung 1, Laser-Aushärteeinrichtung 2, in die eine Defektkorrektureinheit integriert ist (Druck und Aushärtedefekt), einem Laserprofilscanner als einen Sensor 3, dessen Messsignale zur Regelung der Druckeinrichtung 1 und einen Wirbelstromsensor als Sensor 4 zur Regelung der Aushärteeinrichtung 2 und bei diesem Beispiel auch zur Qualitätskontrolle (Inline Sensorik).
Auf Basis dieses Beispiels ist ein möglicher Regelungskreis schematisch in 2 gezeigt.
Auf Basis von Geschwindigkeitssensoren im Bewegungssystem (nicht gezeigt), auf dem die Druckeinrichtung 1 befestigt ist, wird die aktuelle momentane Relativgeschwindigkeit Vmom der Druckeinrichtung 1 vorgegeben. Danach wird jeder einzelne Jet-Schuss der eingesetzten zu druckenden plastisch verformbaren Masse durch die elektronische Steuer- und Regeleinheit GS bzw. den Teilregelungsdruck TR Druck als Impuls dem Jet-Dispenser als Bestandteil der Druckeinrichtung 1 vorgegeben. Das Ziel ist es eine konstante Jet-Schuss-Dichte JSD zu erzeugen. Ein Tropfendetektionssystem (nicht gezeigt) wird dafür benutzt, um zum einen zu ermitteln, ob ein Jet-Schuss tatsächlich erfolgt ist, und zum anderen ob die Jet-Düse noch frei von Fluidrückständen ist. Wird ein Jet-Düsen-Zustand JDZustand als verschmutzt detektiert, muss die Jet-Düse gereinigt werden. Die Druckeinrichtung 1 bildet eine Bahn mit einem definierten Volumen VFluidbahn der plastisch verformbaren Masse aus. Ein Laserprofilscanner als ein Sensor 3 kann die Fluid-Bahn-Breite FBB sowie die Dicke der jeweiligen Bahn FBD ermitteln. Diese Messgrößen werden in eine Teilregelung Druck TR Druck zurückgespeist, sowie der Teilregelung Laser TR Laser als Vorsteuerung übergeben. Die Aushärtung der mit plastisch verformbaren Masse gebildeten Bahn erfolgt in dieser Aufstellung mit einem Laser als Bestandteil der Aushärteeinrichtung 2. Mit einem Temperatursensor sowie einer Brennfleckvermessung (ebenfalls nicht gezeigt) als Bestandteil der Aushärteeinrichtung 2 können die Temperatur sowie der Durchmesser bzw. die Größe der Fläche des Brennflecks des dazu eingesetzten Laserstrahls bestimmt werden. Durch die Aushärtung wird eine Leiterbahn ausgebildet, die nach der Aushärtung mit einem Wirbelstromsensor als Sensor 4 auf deren Leiter-Bahn-Leitfähigkeit LBL respektive Leiter-Bahn-Widerstand LBW überprüft werden kann. Durch das aktive Ausmessen der elektrischen Leitfähigkeit kann am Ende des Fertigungsprozesses der elektrische Widerstandswert des jeweiligen gedruckten und ausgehärteten Funktionselements direkt ermittelt und bei einer Regelung berücksichtigt werden. Sollten gewisse Positionen der elektrischen Leiterbahn eine abweichende elektrische Leitfähigkeit aufweisen, so kann im Anschluss eine zweite Aushärtung mit dem Laser diesen Fehler korrigieren. Mit diesem Ablauf ist es möglich, den First-Part-Right-Ansatz umzusetzen.

Claims

Vorrichtung zur Ausbildung von Funktionselementen auf und/oder in Bauteilen, wobei die Vorrichtung mit mindestens einer Druckeinrichtung (1), mindestens einer Aushärteeinrichtung (2) und einer elektronischen Steuer- und Regeleinheit (GS) gebildet ist. Dabei ist die Druckeinrichtung (1) so ausgebildet, dass mit mindestens einem Druckkopf (2.1), mit dem eine ein Funktionselement bildende, plastisch verformbare Masse auf eine Oberfläche eines Bauteils lokal definiert aufgebracht wird. Die Aushärteeinrichtung (2) ist dabei so ausgebildet, dass durch einen Energieeintrag eine Aushärtung der plastisch verformbaren Masse, mit der ein Funktionselement ausgebildet ist, dauerhaft erreicht wird, und die elektronische Steuer- Regeleinheit (GS) ist derart ausgebildet, dass unter Nutzung von mit Sensoren (3, 4) erfassten Messsignalen das Drucken und Aushärten der jeweiligen plastisch verformbaren Masse beeinflusst wird. Dazu sind mindestens der einen Druckeinrichtung (1) und der Aushärteeinrichtung (2) Sensoren (3, 4) zugeordnet, deren Messsignale für eine Regelung des Druckens und Aushärtens nutzbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an der Druckeinrichtung mindestens ein Sensor (3) vorhanden ist, der ausgewählt ist aus den Sensoren für die Geometrieerfassung, Temperaturbestimmung, Geschwindigkeitsbestimmung, Abstandsbestimmung und Tropfendetektion, und an der Aushärteeinrichtung (2) mindestens ein Sensor (4) vorhanden ist, der ausgewählt ist aus den Sensoren für Temperaturbestimmung, Geometrieerfassung, elektrische Leitfähigkeitsermittlung und optische Reflektometrie.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Sensor (3) zur Bestimmung der momentanen Relativgeschwindigkeit der Druckeinrichtung (1) in Bezug zur jeweiligen Oberfläche des Bauteils vorhanden ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckeinrichtung (1) und die Aushärteeinrichtung (2) mit einem Manipulator mit mindestens zwei, bevorzugt mindestens drei Freiheitsgraden bewegbar sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckeinrichtung (1) mit mindestens einer digital betreibbaren Druckeinrichtung in Form einer Aerosol-Jet-Druckeinrichtung, einer Ink-Jet-Druckeinrichtung, einer Plasmaspritzeinrichtung, eines Zeit-Druck-Dispensers, eines Schneckendispensers, eines Verdränger-Dispensers oder eines Jet-Dispensers und die Aushärteeinrichtung (2) mit mindestens einer elektromagnetischer Strahlung emittierenden Quelle, einer Einrichtung zur Generierung elektrischer Wirbelströme, einem Heißgasstrahler, einem Laser, einem Infrarot-Punktstrahler oder einem Ultraviolett-Punktstrahler gebildet ist.
Verfahren zur Ausbildung von Funktionselementen an und/in Bauteilen, bei dem mit einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche eine ein Funktionselement bildende, plastisch verformbare Masse auf eine Oberfläche eines Bauteils lokal definiert aufgebracht, im Anschluss daran mit einem Energieeintrag eine Aushärtung der plastisch verformbaren Masse, mit der ein Funktionselement ausgebildet ist, dauerhaft erreicht wird, und mit Sensoren (3, 4) während des Aufbringens der plastisch verformbaren Masse und während des Aushärtens erfasste Messsignale der elektronischen Steuer- Regeleinheit (GS) übermittelt werden, und mit diesen Messsignalen mit der elektronischen Steuer- und Regeleinheit (GS) das Aufbringen und Aushärten während der Ausbildung eines jeweiligen Funktionselements geregelt werden.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass mit den erfassten Messsignalen während des Aufbringens und/oder des Aushärtens Abweichungen von vorgegebenen Werten oder Defekte erkannt und beim weiteren Aufbringen und/oder Aushärten mit der Steuer- und Regeleinheit (GS) bei der Regelung berücksichtigt werden.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass Abweichungen oder Defekte mittels Druck- oder Aushärteeinheit korrigiert werden.
Verfahren nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Regelung der Druckeinrichtung (1) während des Aufbringens der plastisch verformbaren Masse mit Sensoren (3) die Temperatur, Viskosität der jeweiligen plastisch verformbaren Masse, die momentan gedruckte Menge an plastisch verformbarer Masse, die Geometrie der aufgedruckten Form an plastisch verformbarer Masse, Dimensionierung eines Funktionselements, die elektrische Leitfähigkeit, eine Geschwindigkeit und/oder ein Abstand eines Druckkopfs der Druckeinrichtung (1) und während des Aushärtens zur Regelung der Aushärteeinrichtung (2) mit Sensoren (4) die elektrische Leitfähigkeit, Geometrie des Funktionselements, die Temperatur der Aushärteeinrichtung, durch die Aushärteeinheit erzeugten Temperatur in einer Prozesszone, die geometrische Form und/oder Größe des Brennflecks eines Strahls elektromagnetischer Strahlung, der zum Aushärten eigesetzt wird, ortsaufgelöst erfasst und/oder eine orts- und spektralaufgelöste Erfassung von an der Oberfläche reflektierter elektromagnetischer Strahlung (HSI) durchgeführt und die entsprechenden Messsignale bei der Regelung berücksichtigt werden.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand eines Druckkopfs der Druckeinrichtung (1) und/oder die geometrische Form und/oder Größe des Brennflecks des Strahls elektromagnetischer Strahlung ortsaufgelöst erfasst wird/werden.