DE102022106766A1

DE102022106766A1 - Verfahren zum Vorbehandeln einer Oberfläche eines Werkstücks

Info

Publication number: DE102022106766A1
Application number: DE102022106766.1A
Authority: DE
Inventors: Hans Julius Langeheinecke; Thomas Forstner
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2022-03-23
Filing date: 2022-03-23
Publication date: 2023-09-28
Also published as: WO2023180201A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vorbehandeln einer Oberfläche (2) eines Werkstücks (3) für ein auf das Vorbehandeln folgendes Fügeverfahren, bei welchem zum Vorbehandeln der Oberfläche (2) ein Energiestrahl (4) auf die Oberfläche (2) gestrahlt wird, wobei während der Energiestrahl (4) auf die Oberfläche (2) gestrahlt wird, mittels einer Erfassungseinrichtung (7) eine elektromagnetische Strahlung (8) erfasst und wenigstens ein die erfasste elektromagnetische Strahlung (8) charakterisierendes, elektrisches Signal bereitgestellt wird. Mittels einer Auswerteeinrichtung (9) wird in Abhängigkeit von dem elektrischen Signal das Vorbehandeln überwacht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vorbehandeln einer Oberfläche eines Werkstücks für ein auf das Vorbehandeln folgendes Fügeverfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Die EP 2 527 048 B1 offenbart ein Beschichtungsverfahren, bei welchem eine Mischung oder ein Reinstoff bereitgestellt wird. Der DE 603 02 901 T2 ist ein Verfahren zur photochemischen Behandlung einer Zielstelle als bekannt zu entnehmen. Des Weiteren offenbart die WO 2012/113787 A1 ein Verfahren zum Fügen von Substraten, bei dem eine Vorbehandlung mindestens einer Fügefläche eines zu fügenden Substrats in einem Sauerstoff-Niederdruckplasma vor dem eigentlichen Fügen durchgeführt wird. Außerdem ist aus der WO 2018/149574 A1 ein Verfahren zur Herstellung einer Klebeverbindung zwischen einem ersten Körper und einem zweiten Körper bekannt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Vorbehandeln einer Oberfläche eines Werkstücks zu schaffen, sodass das Vorbehandeln besonders vorteilhaft überwacht werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Vorbehandeln einer Oberfläche eines auch als Bauteil bezeichneten Werkstücks für ein auf das Vorbehandeln, insbesondere zeitlich, folgendes Fügeverfahren zum Vorbehandeln der Oberfläche des Werkstücks ein Energiestrahl auf die Oberfläche gestrahlt, das heißt aufgebracht, insbesondere derart, dass der Energiestrahl, insbesondere direkt, auf die Oberfläche trifft. Das Vorbehandeln der Oberfläche wird auch als Vorbehandlung bezeichnet und ist ein von einem Fügeverfahren zum Fügen, das heißt zum Verbinden des Bauteils mit einem weiteren Element unterschiedliches Verfahren. Dies bedeutet, dass bei dem Vorbehandeln kein Fügen, das heißt kein Verbinden des Werkstücks mit einem anderen Element erfolgt.
Um nun das Vorbehandeln besonders vorteilhaft überwachen und in der Folge beispielsweise eine besonders hohe Prozessqualität des dem Vorbehandeln zeitlich nachgelagerten Fügeverfahrens realisieren zu können, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass, während der Energiestrahl auf die Oberfläche gestrahlt wird und insbesondere, insbesondere direkt, auf die Oberfläche trifft, mittels einer Erfassungseinrichtung elektromagnetische Strahlung, insbesondere in zumindest einem vorgegebenen oder vorgebbaren Wellenlängenbereich, erfasst wird. Die Erfassungseinrichtung stellt wenigstens ein elektrisches Signal bereit, welches die mittels der Erfassungseinrichtung erfasste, elektromagnetische Strahlung charakterisiert. Somit ist beispielsweise das elektrische Signal ein Messergebnis, welches dadurch gewonnen oder erzeugt wird, das heißt insbesondere daraus resultiert, dass die Erfassungseinrichtung die elektromagnetische Strahlung erfasst. Die elektromagnetische Strahlung wird beispielsweise insbesondere infolge davon, dass der Energiestrahl auf die Oberfläche gestrahlt wird, von der Oberfläche reflektiert, und/oder die elektromagnetische Strahlung, welche auch einfach als Strahlung bezeichnet wird, resultiert beispielsweise daraus, dass der Energiestrahl, welcher auch einfach als Strahl bezeichnet wird, auf die Oberfläche aufgestrahlt wird und somit aufgebracht wird und somit insbesondere direkt auf die Oberfläche auftrifft. Insbesondere resultiert die elektromagnetische Strahlung aus einer Wechselwirkung des Energiestrahls mit der Oberfläche, wobei die Wechselwirkung dadurch erfolgt, dass der Energiestrahl, insbesondere direkt, auf die Oberfläche gestrahlt wird und somit insbesondere direkt, auf die Oberfläche trifft. Wieder mit anderen Worten ausgedrückt, Durch die Bestrahlung der Oberfläche mit dem Energiestrahl, insbesondere mit einer bestimmten, das heißt beispielsweise vorgebbaren oder vorgegebenen, ersten Wellenlänge, wird in das Bauteil beziehungsweise die Oberfläche Energie eingebracht, was z.B. zu Wärme führt. Diese Wärme des Bauteils sorgt für das Emittieren einer weiteren Strahlung insbesondere mit einer von der ersten Wellenlänge unterschiedlichen, zweiten Wellenlänge und ist entsprechend das Resultat der Wechselwirkung, sodass die weitere Strahlung die elektromagnetische Strahlung ist, die mittels der Erfassungseinrichtung erfasst wird. Neben der hier beschriebenen, erzeugten Strahlung, insbesondere Wärmestrahlung, kann es alternativ oder zusätzlich sein, dass der beispielsweise als Laserstrahl ausgebildete Energiestrahl nicht in das Werkstück einkoppelt, entsprechend nicht zu einer Wärmeentwicklung führt und die Oberfläche nicht verändert. Dann liegt es nahe, dass die nicht eingekoppelte Strahlung schlicht weg reflektiert wird, was ebenfalls durch die ober bei der Erfindung detektierbar ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es ferner vorgesehen, dass mittels einer Auswerteeinrichtung in Abhängigkeit von dem elektrischen Signal das Vorbehandeln überwacht, insbesondere geprüft, wird. Hierzu ist es insbesondere vorgesehen, dass die Auswerteeinrichtung das elektrische Signal empfängt. Da mittels der Erfassungseinrichtung die elektromagnetische Strahlung erfasst wird, während der Energiestrahl auf die Oberfläche gestrahlt, das heißt aufgebracht wird und somit die Oberfläche vorbehandelt wird, ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren eine auch als Prozessüberwachung bezeichnete Überwachung der Vorbehandlung, insbesondere in Echtzeit beziehungsweise online. Hierdurch ist die Überwachung der Vorbehandlung sozusagen in die eigentliche Vorbehandlung integriert, da sozusagen die Vorbehandlung und die Überwachung der Vorbehandlung gleichzeitig ablaufen. Die Erfindung ermöglicht es insbesondere, eine Prozessqualität (erste Qualität) der Vorbehandlung und beispielsweise auch eine Produktqualität (zweite Qualität) des die vorbehandelte Oberfläche aufweisenden Bauteils (Werkstück) zu ermitteln, insbesondere durch die Überwachung, und eine entsprechende Rückmeldung über den Status der jeweiligen Qualität zu geben. Diese Rückmeldung kann eine Basis für eine Reglung des Prozesses, das heißt der Vorbehandlung dienen, um die Vorbehandlung wie gewünscht, das heißt als „in-Ordnung-Prozess“ durchzuführen.
Der Erfindung liegen dabei insbesondere die Folgenden Erkenntnisse und Überlegungen zugrunde: Um hohe Qualitätsanforderungen an eine Fügeverbindung wie beispielsweise eine Klebeverbindung insbesondere eine hohe Qualität eines Prozesses, in dessen Rahmen Fügeverbindungen wie beispielsweise Klebeverbindungen beispielsweise im Rahmen einer Serienproduktion hergestellt werden, erfüllen zu können, kann eine der Herstellung der Fügeverbindung zeitlich vorgelagerte Vorbehandlung von Oberflächen von Werkstücken vorteilhaft sein, die nach der Vorbehandlung über die Oberflächen mit jeweiligen Fügepartnern verbunden und somit gefügt werden. Da das Werkstück beispielsweise nach der Vorbehandlung über die vorbehandelte Oberfläche mit einem weiteren Element gefügt und somit verbunden wird, wird die Oberfläche auch als Fügefläche bezeichnet. Es wurde gefunden, dass ein Zustand der Fügefläche, die den Zustand beispielsweise unmittelbar vor und während des Verbindens mit dem weiteren Element aufweist, in direkter Korrelation zu einer Qualität der insbesondere hergestellten Fügeverbindung steht. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine Integration der Überwachung des Vorbehandelns in das Vorbehandeln der Oberfläche an sich, sodass das Vorbehandeln zeit- und kostengünstig realisiert werden kann. Somit kann das erfindungsgemäße Verfahren besonders vorteilhaft in eine Serien- oder Massenproduktion, in deren Rahmen beispielsweise das Werkstück gefügt wird, integriert werden, wobei das Verfahren skalierbar auf andere, nachfolgende Füge-, Lackier- und anderweitige Verfahren ist. Eine anforderungsgerechte Fügbarkeit beziehungsweise eine resultierende Verbindungsfestigkeit ist stark von einer Beschaffenheit der Oberfläche des zu fügenden Werkstücks abhängig, insbesondere im Hinblick auf eine Topographie wie auch einer chemischen Beschaffenheit der Oberfläche, also insbesondere im Hinblick auf einer Rauheit und chemische Bestandteile, die eine Fügbarkeit bzw. Benetzbarkeit fördern. Das Phänomen der Adhäsion und Kohäsion, wie es beim Kleben genutzt wird, ist ein nicht vollständig erforschtes Gebiet, d.h. die Erklärung was Adhäsion und Kohäsion begünstigt, scheint weiterhin Teil anderer Forschung zu sein. Diese auch als Oberflächenbeschaffenheit bezeichnete Beschaffenheit wird durch das Vorbehandeln mithilfe des Energiestrahls modifiziert beziehungsweise sichergestellt oder soll modifiziert oder sichergestellt werden, wobei üblicherweise dann und nur dann ein gewünschtes Fügeergebnis realisiert werden kann, wenn die Vorbehandlung wie gewünscht oder vorgegeben durchgeführt wird und in der Folge zu einer gewünschten oder vorgegebenen Beschaffenheit der Oberfläche führt. Daher ist eine Überwachung der Vorbehandlung vorteilhaft, da durch die Überwachung ermittelt werden kann, ob die Vorbehandlung wie gewünscht oder vorgegeben durchgeführt wird oder aber von einer gewünschten oder vorgegebenen Durchführung abweicht. Insbesondere letzteres kann schließlich zu unerwünschten Eigenschaften und somit zu einer unzureichenden beziehungsweise unzureichend festen Fügeverbindung führen. Die Überwachung der Vorbehandlung ermöglicht somit eine Aussage über einen Zustand oder eine Qualität und somit über ein Ergebnis der Vorbehandlung und kann somit in der Folge eine risikobehaftete Fügung beziehungsweise Verbindung ersparen, da beispielsweise dann, wenn durch die Überwachung der Vorbehandlung ermittelt wird, dass die Vorbehandlung nicht wie gewünscht oder vorgegeben durchgeführt wird oder wurde, auf ein nachfolgendes Verbinden des Werkstücks verzichtet werden kann. Dadurch kann ein übermäßiger Ausschuss im nachgeschalteten, auch als Fügeprozess bezeichneten Fügen vermieden werden. Insbesondere ermöglicht es die Erfindung, die Oberfläche nach der Vorbehandlung nicht nur als gut oder schlecht einzuordnen oder zu kategorisieren, sondern generell Unterschiede in dem Vorbehandlungsresultat aufzuzeigen. Die Ursache für die jeweilige Abweichung der Vorbehandlungsqualität könnte ebenfalls mit Hilfe der Erfindung aufgezeigt werden. Darüber hinaus kann damit ein zerstörender Anteil an Qualitätskontrollen im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen reduziert werden, was eine deutliche Kostenminimierung mit sich bringen kann. Beispielsweise umfasst das Fügeverfahren ein Schweiß- und/oder Lötverfahren, beispielsweise mithilfe eines Laserstrahls, unter Schutzgas, ein Widerstandsschweißen etc. sodass sich das erfindungsgemäße Verfahren für zumindest nahezu jedes Fügeverfahren eignet.
Um die Vorbehandlung besonders vorteilhaft überwachen und somit eines besonders hohe Prozessqualität des anschließenden Fügeverfahrens gewährleisten zu können, ist es bei einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass mittels der Auswerteeinrichtung das elektrische Signal als Ist-Signal mit einem insbesondere vorgebbaren oder vorgegebenen Soll-Signal verglichen wird. Außerdem wird mittels der Auswerteeinrichtung in Abhängigkeit von dem Vergleich des Ist-Signals mit dem Soll-Signal das Vorbehandeln überwacht. Das Ist-Signal ist beispielsweise durch Ist-Daten gebildet. Das Soll-Signal ist beispielsweise durch Soll-Daten gebildet. Somit werden beispielsweise die Ist-Daten mit den Soll-Daten verglichen. Anhand dieses Vergleichs kann das Vorbehandeln präzise und aussagekräftig überwacht werden. Beispielsweise dann, wenn das Ist-Signal beziehungsweise die Ist-Daten von dem Soll-Signal beziehungsweise von Soll-Daten abweicht, insbesondere derart, dass eine Abweichung des Ist-Signals, insbesondere der Ist-Daten von dem Soll-Signal, insbesondere von den Soll-Daten an den vorgebbaren oder vorgegebenen Schwellenwert überschreitet, kann darauf rückgeschlossen werden, dass die Vorbehandlung nicht wie gewünscht oder vorgegeben durchgeführt wird oder wurde, sodass in der Folge aus dem Vorbehandeln der Oberfläche eine unerwünschte beziehungsweise unzureichende Qualität oder Beschaffenheit der Oberfläche resultiert, ansonsten, das heißt dann, wenn das Ist-Signal nicht von dem Soll-Signal abweicht oder wenn eine etwaige Abweichung des Ist-Signals von dem Soll-Signal kleiner oder gleich dem Schwellwert ist, kann darauf rückgeschlossen werden, dass die Vorbehandlung wie vorgegeben oder gewünscht durchgeführt wurde und in der Folge, resultierend aus der Vorbehandlung, die Oberfläche eine vorteilhafte, hinreichende Beschaffenheit aufweist, die in der Folge dazu führt, dass das Werkstück, insbesondere über die vorbehandelte Oberfläche, wie gewünscht oder vorgegeben mit einem weiteren Element verbunden werden kann.
Um die Vorbehandlung besonders vorteilhaft überwachen zu können, ist es in weitere Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass mittels einer Wiedergabeeinrichtung wenigstens ein von einer Person und somit von einem Menschen haptisch und/oder optisch und/oder akustisch wahrnehmbares Hinweissignal, insbesondere an eine Umgebung der Wiedergabeeinrichtung ausgegeben wird, wenn eine etwaige Abweichung des Ist-Signals von dem Soll-Signal den Schwellenwert überschreitet.
Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass eine auch als Erfassungsfrequenz bezeichnete Frequenz, mit welcher die elektromagnetische Strahlung mittels der Erfassungseinrichtung erfasst und zumindest vorübergehend, insbesondere in einem insbesondere elektrischen oder elektronischen Speicher beispielsweise die Erfassungseinrichtung, gespeichert wird, wenigstens ein Kilohertz, insbesondere wenigstens 10 Kilohertz und ganz insbesondere wenigstens 20 Kilohertz, beträgt. Ganz vorzugsweise beträgt die Erfassungsfrequenz wenigstens 30 Kilohertz, insbesondere wenigstens 50 Kilohertz und ganz insbesondere wenigstens 100 Kilohertz. Ganz vorzugsweise kann die Erfassungseinrichtung wenigstens oder genau 250 kHz betreiben. Hierdurch kann die elektromagnetische Strahlung mit einer besonders hohen Auflösung erfasst werden, sodass die Vorbehandlung äußerst präzise überwacht und aussagekräftig geprüft werden kann.
Als weiterhin besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn der Energiestrahl zum Vorbehandeln der Oberfläche gepulst auf die Oberfläche gestrahlt und somit aufgebracht wird, sodass insbesondere einzelne und somit zeitlich aufeinanderfolgende und insbesondere zeitlich voneinander beabstandete Pulse des Energiestrahls auf die Oberfläche aufgebracht werden. Somit trifft der Energiestrahlt, mithin die Pulse, insbesondere direkt auf die Oberfläche auf. Dadurch kann eine hohe Prozessqualität der Vorbehandlung an sich realisiert werden, so dass auch eine besonders hohe Prozesssicherheit des anschließenden Fügeverfahrens gewährleistet werden kann.
Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn eine auch als Pulsfrequenz bezeichnete Frequenz, mit welcher der Energiestrahl gepulst auf die Oberfläche gestrahlt wird, wenigstens 1 kHz, insbesondere wenigstens 10 kHz und ganz insbesondere wenigstens 20 kHz beträgt. Insbesondere beträgt die Pulsfrequenz beispielsweise wenigstens 30 kHz, insbesondere wenigstens 50 kHz und wenigstens oder genau 100 kHz. Dadurch kann die Oberfläche besonders vorteilhaft vorbehandelt werden, sodass eine besonders hohe Prozesssicherheit darstellbar ist. Insbesondere durch Verwendung einer hohen Pulsfrequenz kann die Vorbehandlung als kurzgepulster Energiestrahl vor dem auch als Fügeprozess bezeichneten Fügeverfahren durchgeführt werden, um auch besonders hohe Qualitätsmaßstäbe erfüllen zu können.
Um die Vorbehandlung besonders präzise überwachen zu können, ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass mittels eines ersten Sensors der Erfassungseinrichtung die elektromagnetische Strahlung in einem ersten Wellenlängenbereich erfasst wird, und das mittels eines zusätzlich zu dem ersten Sensor vorgesehenen, zweiten Sensors der Erfassungseinrichtung die elektromagnetische Strahlung in einem zumindest teilweise von dem ersten Wellenlängenbereich unterschiedlichen, zweiten Wellenlängenbereich erfasst wird. Somit ist es beispielsweise vorgesehen, dass der erste Sensor die elektromagnetische Strahlung, mithin elektromagnetische Wellen erfasst werden, deren jeweilige Wellenlängen in dem ersten Wellenlängenbereich liegen. Der zweite Sensor erfasst elektromagnetische Strahlung und somit elektromagnetische Wellen, deren jeweilige Wellenlängen in dem zweiten Wellenlängenbereich liegen. Unter dem Merkmal, dass die Wellenlängenbereiche zumindest teilweise voneinander unterschiedlich sind, ist insbesondere zu verstehen, dass sich beispielweise jeweilige, erste Teile der Wellenlängenbereiche gegenseitig überlappen, wobei jedoch jeweilige, zweite Teile der Wellenlängenbereiche überlappungsfrei zueinander sind. Ferner ist es denkbar, dass die Wellenlängenbereiche vollständig voneinander unterschiedliche sind, sodass sich die Wellenlängenbereiche nicht gegenseitig überlappen, sondern sich beispielsweise der erste Längenbereich, insbesondere direkt an den zweiten Längenbereich anschließt oder umgekehrt, oder es ist denkbar, dass sich die Wellenlängenbereiche nicht gegenseitig überlappen und dass die Wellenlängenbereiche voneinander beabstandet sind, sodass zwischen den Wellenlängenbereichen ein dritter Wellenlängenbereich liegt, welcher weder zu dem ersten Wellenlängenbereich noch zu dem zweiten Wellenlängenbereich gehört. Hintergrund dieser Ausführungsform ist die Erkenntnis, dass unterschiedliche Wellenlängenbereiche unterschiedliche Informationen über die Vorbehandlung enthalten, mithin das aus den unterschiedlichen Wellenlängenbereichen unterschiedliche Informationen über die Vorbehandlung gewonnen werden könne, und somit die Vorbehandlung besonders präzise überwachen und insbesondere prüfen zu können. Die auch als Sensorik bezeichnete Erfassungseinrichtung kann somit insbesondere mittels der Sensoren die elektromagnetische Strahlung in unterschiedlichen spektralen Bereichen erfassen, das heißt detektieren. Somit ist eine Beobachtung genau definierter Spektren, insbesondere Frequenzspektren, möglich. Dies bedeutet, dass beispielsweise elektromagnetische Strahlung in sichtbaren Bereich, Wärmestrahlung in infraroten Bereich, von der Oberfläche reflektierte, insbesondere rückreflektierte, Energiestrahlung in Spektrum des Energiestrahls und/oder zumindest nahezu jedes andere, weitere, beliebige Spektrum mittels der Erfassungseinrichtung, insbesondere über die Sensoren detektiert werden und insbesondere in das elektrische Signal umgewandelt werden kann. Dies erfolgt beispielsweise auf folgende Weise: Der jeweilige Sensor weist beispielsweise einen jeweiligen Erfassungsbereich auf. Unter dem jeweiligen Erfassungsbereich des jeweiligen Sensors ist zu verstehen, dass der jeweilige Sensor elektromagnetische Strahlung beziehungsweise elektromagnetische Wellen erfassen kann, deren Wellenlängen in dem jeweiligen Erfassungsbereich liegen. Dabei ist es denkbar, dass die Erfassungsbereiche der Sensoren gleich sind. Beispielsweise handelt es sich bei dem jeweiligen Sensor um eine Photodiode. Um nun beispielsweise mittels des ersten Sensors die elektromagnetische Strahlung in den ersten Wellenlängenbereich und mittels des zweiten Sensors die elektromagnetische Strahlung in den zweien Längenbereich zu erfassen, ist beispielsweise dem ersten Sensor ein erster, optischer, Filter zugeordnet, und im zweiten Sensor ist ein insbesondere zusätzlich zu dem ersten Filter vorgesehener, zweiter, insbesondere optischer, Filter zugeordnet. Der erste Filter hat beispielsweise einen ersten Durchlassbereich, sodass der erste Filter beispielsweise, insbesondere nur, elektromagnetische Wellen durchlässt, deren jeweilige Wellenlängen in dem ersten Durchgangsbereich liegen, und elektromagnetische Wellen, deren Wellenlängen außerhalb des ersten Durchlassbereiches liegen, da mittels des ersten Filters gefiltert, wobei beispielsweise der erste Sensor, insbesondere ausschließlich, über den ersten Filter die elektromagnetische Strahlung detektieren kann. Somit erhält der erste Sensor nur die elektromagnetische Strahlung beziehungsweise nur die elektromagnetischen Wellen, die von dem ersten Filter durchgelassen wird beziehungsweise werden. Entsprechend dazu weist der zweite Filter beispielsweise einen zweiten Durchlassbereich auf, sodass der zweite Filter nur solche elektromagnetische Wellen durchlässt, deren jeweilige Wellenlängen in dem zweiten Durchlassbereich liegen, wobei beispielsweise der zweite Filter elektromagnetische Wellen, deren Wellenlängen außerhalb des zweiten Durchlassbereiches liegen, nicht durchlässt sondern insbesondere herausfiltert. Dabei kann beispielsweise der zweite Sensor, insbesondere ausschließlich oder nur, die elektromagnetische Strahlung über den zweiten Filter detektieren. Somit erhält der erste Sensor nur die von dem ersten Filter durchgelassenen, elektromagnetischen Wellen der elektromagnetischen Strahlung, und der zweite Sensor enthält beispielsweise nur die von dem zweiten Filter durchgelassenen, elektromagnetischen Wellenlängen, elektrischen Strahlung. Der jeweilige Sensor kann beispielsweise ein jeweiliges, elektrisches Teilsignal bereitstellen, welches die jeweiligen, mittels des jeweiligen Sensors erfassten beziehungsweise detektieren elektromagnetischen Wellen charakterisiert. Das jeweilige Teilsignal kann beispielsweise das zuvor genannte, elektrische Signal sein, welches von der Erfassungseinrichtung bereitgestellt wird, oder die Teilsignale sind beispielsweise Teile des elektrischen Signals, welches von der Erfassungseinrichtung bereitgestellt wird, und bilden beispielsweise das von der Erfassungseinrichtung bereitgestellte, elektrische Signal. Somit kann beispielsweise mittels des ersten Sensors ein erstes Spektrum, insbesondere ein erstes Frequenzspektrum, mittels des zweiten Sensors ein zweites Spektrum, insbesondere ein zweites Frequenzspektrum, ermittelt und in der Folge beobachtet werden, um somit vorteilhafte, insbesondere unterschiedliche Informationen über die Vorbehandlung zu gewinnen. Somit ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere eine spektral spezifische, insbesondere hochauflösende, Überwachung der Vorbehandlung. Insbesondere ist der erste Durchlassbereich kleiner als der erste Erfassungsbereich, und ganz insbesondere ist der zweite Durchlassbereich kleiner als der zweite Erfassungsbereich, wodurch eine besonders vorteilhafte optische Filterung erfolgen kann.
Insbesondere ist der jeweilige, insbesondere optische, Filter ein physischer Filter, mithin ein körperlich vorhandenes Bauteil, wobei beispielsweise der jeweilige Sensor über den jeweiligen Filter, das heißt durch den jeweiligen Filter hindurch die elektromagnetische Strahlung erfasst.
Eine vorteilhafte Auslegung der optischen Filterungen der elektromagnetischen Strahlung ermöglicht eine genau Korrelation zwischen einem gewünschten, auch als Soll-Ergebnis bezeichnete Ergebnis der Vorbehandlung und einem tatsächlichen, auch als Ist-Ergebnis bezeichnete Ergebnis der Vorbehandlung. Dadurch, dass es sich bei der Vorbehandlung beispielsweise um einen Kurzgepulsten Laserprozess insbesondere mit hoher Repetitionsrate handelt, kann bei dem Verfahren eine überdurchschnittlich hohe Datenaufnahmerate insbesondere in einem mittleren kHz-Bereich nutzen, beispielsweise ermöglicht, jede einzelne entstandene Bearbeitungsstelle, an der der jeweilige, einzelne Puls auf die Oberfläche auftrifft oder aufgetroffen ist, zu beobachten und insbesondere zu überwachen und zu analysieren. Jeder Puls, der auf der Oberfläche auftrifft, ruft ein jeweiliges Signal beziehungsweise ein Teil der Strahlung, die mittels der Erfassungseinrichtung erfasst wird, hervor, wobei das jeweilige Signal beziehungsweise der jeweilige Teil entsprechend analysiert werden kann.Anhand von gewonnen Informationen insbesondere über eine Signallänge, eine Signalintensität beziehungsweise Amplitude, einen Signalkurvenverlauf insbesondere unter Berücksichtigung diverser Spektralbereiche und einer Positionierung der Sensorik kann eine genaue Aussage über eine Qualität der Vorbehandlung und/oder über eine Charakteristik der vorbehandelten Oberfläche getroffen werden. Dabei kann eine hohe Auflösungsmöglichkeit des Verfahrens darin bestehen, feinste Leistungsvariationen des Energiestrahls, Arbeitsabstandsveränderungen, eine Fokusveränderung, Frequenzveränderung, geometrische Bauteilveränderung (Kanten, Lötnähte, Schweißnähte, Dellen, Löcher etc.), Oberflächenunregelmäßigkeiten (Öl, Kratzer, Kegelbandrisse, Rauheiten, Verunreinigungen und/oder Rückstände vorangegangener Prozesse etc., z.B. Materialherstellung Trennmittel, Waschprozess Waschsubstanzen, Lagerung Umgebungsmaterie (Staub, Öl, etc.), Materialeigenschaftsveränderungen (Legierungsbestandteile etc.), insbesondere Echtheit zu detektieren und bei Bedarf eine Kategorisierung wie beispielweise das zuvor genannte Hinweissignal auszugeben.
Es ist denkbar, dass das Werkstück auf einem metallischen Werkstoff gebildet ist. Die Erfindung ist jedoch nicht auf einem metallischen Werkstoff beschränkt, sodass es denkbar ist, dass das Werkstück aus einem von einem metallischen Werkstoff unterschiedlichem Werkstoff wie beispielsweise aus einem Kunststoff gebildet sein kann.
Grundsätzlich ist denkbar, dass als der Energiestrahl ein Elektronstrahl oder ein anderer Energiestrahl verwendet wird.
Als besonders vorteilhaft hat es sich jedoch gezeigt, wenn als der Energiestrahl ein Laserstrahl verwendet wird, um dadurch eine besonders hohe Prozessqualität zu realisiere zu können.
Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass das Werkstück nach dem Vorbehandeln der Oberfläche mittels des zeitlich auf das Vorbehandeln folgenden Fügeverfahrens mit wenigstens einem weiteren Bauelement gefügt wird, in dem das Werkstück über die vorbehandelte Oberfläche mit dem weiteren Bauelement, insbesondere direkt, verbunden wird. Hierzu wird beispielsweise die vorbehandelte Oberfläche, insbesondere direkt, mit dem weiteren Bauelement, das heißt mit einer weiteren Oberfläche des weiteren Bauelements verbunden und somit gefügt. Hierdurch kann eine besonders hohe Qualität des Fügeverfahrens realisiert werden.
Schließlich hat es sich zur Realisierung einer besonders hohen Prozessqualität als vorteilhat gezeigt, wenn das Werkstück über die vorbehandelte Oberfläche, insbesondere direkt, mit dem weiteren Bauelement verklebt und dadurch mit dem weiteren Bauelement verbunden wird. Dies erfolgt insbesondere dadurch, dass ein Klebstoff, insbesondere direkt, auf die vorbehandelte Oberfläche aufgebracht und/oder auf die Oberfläche angeordnet und somit beispielsweise zwischen den Oberflächen angeordnet wird, sodass beispielsweise der Klebstoff die vorbehandelte Oberfläche direkt berührt.
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele mit den zugehörigen Zeichnungen. Dabei zeigt:

1 eine schematische Perspektivansicht einer Vorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens zum Vorbehandeln einer Oberfläche eines Werkstücks für ein auf das Vorbehandeln folgendes Fügeverfahren;
2 ein Diagramm zum Veranschaulichen des Verfahrens;
3 ein Diagramm zum weiteren Veranschaulichen des Verfahrens.

In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Vorrichtung 1, mittels welcher, wie im Folgenden noch genauer erläutert wird, ein Verfahren zum Vorbehandeln einer Oberfläche 2 eines auch als Bauteil bezeichneten oder als Bauteil ausgebildeten Werkstücks 3 für ein auf das auch als Vorbehandeln oder Vorbehandlungsprozess bezeichnete Vorbehandeln, insbesondere zeitlich, folgende Fügeverfahren. Bei dem Verfahren wird zum Vorbehandeln der Oberfläche 2 ein bei dem in den Fig. gezeigten Ausführungsbeispiel als Laserstrahl 4 ausgebildeter Energiestrahl mittels einer vorliegend als Laser 5 ausgebildeten Strahlungsquelle, insbesondere direkt, auf die Oberfläche 2 gestrahlt und somit auf die Oberfläche aufgebracht. Hierzu umfasst der Laser 5 einen einfach auch als Kopf oder Scansystem bezeichneten Scankopf 6, welcher auch als Abtastkopf oder Scanner bezeichnet wird. Mittels des Scankopfs 6 wird der Laserstrahl 4 an unterschiedlichen Stellen der Oberfläche 2, insbesondere direkt, auf die Oberfläche 2 gestrahlt. Mit anderen Worten wird mittels des Scankopfes 6 der Laserstrahl 4, insbesondere nacheinander, auf die jeweiligen, unterschiedlichen Stellen der Oberfläche 2, insbesondere direkt, gestrahlt und somit aufgebracht, sodass der Laserstrahl, insbesondere nacheinander auf die unterschiedlichen Stellen und somit auf die Oberfläche 2, insbesondere direkt, auftrifft. Beispielsweise umfasst der Laser 5, insbesondere der Scankopf 6, wenigstens einen oder mehrere Spiegel, über den oder die der Laserstrahl 4 auf beziehungsweise entlang der auch als Bauteiloberfläche bezeichneten Oberfläche 2 bewegt wird.
Durch das auch als Vorbehandeln bezeichnete Vorbehandeln der Oberfläche 2 wird beispielsweise eine Oberflächenmodifikation und/oder Oberflächenfunktionalisierung der Oberfläche 2, das heißt ein Modifizieren und/oder Funktionalisieren der Oberfläche 2 durchgeführt. Beispielsweise wird oder werden durch das Vorbehandeln einfach nur Schmutz oder Verunreinigungen von der Oberfläche 2 abgetragen. Ferner ist es denkbar, dass die Oberfläche insbesondere nach dem Vorbehandeln einen definierten Zweck oder eine definierte Funktion erfüllt. Das Fügeverfahren schließt sich zeitlich an die auch als Oberflächenvorbehandlung bezeichnete Vorbehandlung der Oberfläche 2 an, sodass die Oberfläche 2 zunächst vorbehandelt und daraufhin, das heißt insbesondere nach vollständigem Beenden der Vorbehandlung das Bauteil 3 bei dem oder durch das Fügeverfahren mit einem weiteren Element gefügt und somit verbunden wird. Dies erfolgt beispielsweise derart, dass das Werkstück nach dem Vorbehandeln der Oberfläche 2 mittels des zeitlich auf das Vorbehandeln folgenden Fügeverfahrens mit dem weiteren Bauteil gefügt, das heißt verbunden wird, indem das Werkstück 3 über die vorbehandelte Oberfläche 2 mit dem weiteren Bauelement, insbesondere direkt, verbunden und somit gefügt wird. Hierzu wird beispielsweise die Oberfläche 2, insbesondere direkt, mit einer weiteren Oberfläche des weiteren Bauelements verbunden. Dies kann insbesondere derart erfolgen, dass das Werkstück 3 über die vorbehandelte Oberfläche 2 mit dem weiteren Bauelement, insbesondere direkt, verklebt und dadurch mit dem weiteren Bauelement, insbesondere direkt, gefügt, das heißt verbunden wird. Hierzu wird beispielsweise ein Klebstoff zwischen die vorbehandelte Oberfläche 2 und die weitere Oberfläche des Bauelements angeordnet, insbesondere derart, dass der Klebstoff zumindest die vorbehandelte Oberfläche 2 und beispielsweise auch die weitere Oberfläche des weiteren Bauelements direkt berührt. Mittels des Klebstoffs wird das Werkstück 3 über die vorbehandelte Oberfläche 2, insbesondere direkt mit dem weiteren Bauelement, insbesondere der weiteren Oberfläche des Bauelements, verklebt.
Um nun die Vorbehandlung besonders präzise überwachen zu können, sodass in der Folge eine besonders hohe Prozesssicherheit des Fügeverfahrens realisiert werden kann, insbesondere dann, wenn das Fügeverfahren beispielsweise im Rahmen einer Serien- oder Massenproduktion verwendet wird, wird, während der Laserstrahl 4 auf die Oberfläche 2 bei dem Vorbehandeln gestrahlt wird, mittels einer Erfassungseinrichtung 7 der Vorrichtung 1 elektromagnetische Strahlung 8 erfasst. Die Erfassungseinrichtung 7 stellt wenigstens ein die mittels der Erfassungseinrichtung 7 erfasste, elektromagnetische Strahlung 8 charakterisierendes, elektrisches Signal bereit, welches an eine Auswerteeinrichtung 9 der Vorrichtung 1 übertragen und mittels der Auswerteeinrichtung 9 empfangen wird. Mittels der Auswerteeinrichtung 9 wird in Abhängigkeit von dem wenigstens einen, elektrischen Signal die Vorbehandlung überwacht. Aus 1 ist erkennbar, dass die Vorrichtung 1, insbesondere die auch als Auswerteeinrichtung bezeichnete Auswerteeinrichtung 9, eine auch als Bildschirm bezeichnete, elektronische Anzeige 10 aufweist. Auf der elektronischen Anzeige 10 wird beispielsweise eine Diagramm 11 mit einer Abszisse 12 und einer Ordinate 13 und einem Verlauf 14 angezeigt, wobei der Verlauf 14 beispielsweise das elektrische Signal ist oder das elektrische Signal veranschaulicht. Insbesondere umfasst das elektrische Signal Daten oder auch als Messwerte bezeichnete Werte, wobei die Daten beziehungsweise die Messwerte die mittels der Erfassungseinrichtung 7 erfasste, elektromagnetische Strahlung 8 charakterisieren. Beispielsweise bilden die Messwerte den Verlauf 14 und der Verlauf 14 umfasst die Messwerte und der Verlauf 14 veranschaulicht die Messwerte.
Mittels der Auswerteeinrichtung 9 wird beispielsweise das elektrische Signal beziehungsweise die Messwerte als Ist-Signal beziehungsweise als Ist-Werte mit einem Soll-Signal beziehungsweise mit Soll-Werten verglichen, wobei mittels der Auswerteeinrichtung 9 in Abhängigkeit von im Vergleich des Ist-Signals beziehungsweise der Ist-Messwerte mit dem Soll-Signal beziehungsweise den Soll-Messwerten das Vorbehandeln überwacht. Diesbezüglich ist insbesondere denkbar, dass das Signal die Daten beziehungsweise die Messwerte umfasst beziehungsweise dass die Daten beziehungsweise Messwerte das Signal bilden.
Die Erfassungseinrichtung 7 umfasst beispielsweise auch als Bündelungseinheiten oder collecting units bezeichnete Sammelelemente 15, mittels welchen beispielsweise die elektromagnetische Strahlung 8 gesammelt wird. Ferner kann beispielsweise die Erfassungseinrichtung 7, insbesondere je Sammelelement 15, ein Sensorelement aufweisen, wobei das jeweilige Sensorelement beispielsweise als eine einfach auch als Diode bezeichnete Fotodiode ausgebildet ist. Die Erfassungseinrichtung 7 kann dabei ein auch als Einhausung bezeichnetes Gehäuse 16 aufweisen, in welchem beispielsweise die Sensorelemente (Dioden) angeordnet sind. Die jeweilige, mittels des jeweiligen Sammelelements 15 gesammelte und somit erfasste elektromagnetische Strahlung 8 wird beispielsweise an das jeweilige, zu dem jeweiligen Sammelelement 15 gehörende, Sensorelement übertragen und/oder die jeweilige, mittels des jeweiligen Sammelelements 15 gesammelte und somit erfasste, elektromagnetische Strahlung 8 wird mittels des jeweiligen, zu dem jeweiligen Sammelelement 15 gehörenden Sensorelements erfasst und/oder ausgewertet, sodass in der Folge die Erfassungseinrichtung 7 das wenigstens eine, elektrische Signal, welches die erfasste, elektromagnetische Strahlung 8 charakterisiert, bereitstellt. Somit ist beispielsweise das jeweilige Sensorelement ein jeweiliger Sensor, oder das jeweilige Sensorelement wird auch als jeweiliger Sensor bezeichnet
Beispielsweise wird mittels einer Wiedergabeeinrichtung 17 der Vorrichtung 1 ein beispielsweise optisch akustisch wahrnehmbares Hinweissignal ausgegeben, wenn eine Abweichung des Ist-Signals beziehungsweise der Ist-Messwerte von dem Soll-Signal beziehungsweise den Soll-Messwerten einen insbesondere vorgebbaren Schwellenwert überschreitet. Beispielsweise wird das Hinweissignal auf der elektronischen Anzeige 10 angezeigt und somit optisch ausgegeben. Insbesondere ist es möglich, eine Ursache für die Abweichung aufgrund einer hohen Auflösung des Verfahrens ebenfalls anzugeben, insbesondere auszugeben und dabei insbesondere mittels der Wiedergabeeinrichtung 17 auszugeben, insbesondere derart, dass das Hinweissignal und/oder ein weiteres Signal auf der Anzeige 10 angezeigt wird und die Ursache charakterisiert, insbesondere anzeigt oder veranschaulicht.
Um die Vorbehandlung besonders präzise und aussagekräftig überwachen und insbesondere überprüfen zu können, ist insbesondere folgendes vorgesehen. Ein erster der Sensoren erfasst beispielsweise nur erste elektromagnetische Wellen der elektromagnetischen Strahlung 8, wobei die ersten elektromagnetischen Wellen jeweilige Wellenlängen aufweisen, die in einem ersten Wellenlängenbereich liegen. Dabei ist es denkbar, dass der erste Sensor einen ersten Erfassungsbereich aufweist, sodass der erste Sensor grundsätzlich elektromagnetische Wellen empfangen kann, deren jeweilige Wellenlängen in dem gegenüber dem ersten Wellenbereich größeren, ersten Erfassungsbereich liegen. Bei dem Verfahren ist es jedoch vorzugsweise vorgesehen, dass der erste Sensor nur die genannten ersten elektromagnetischen Wellen erfasst, deren jeweilige Wellenlängen in dem ersten Wellenlängenbereich liegen. Dies ist insbesondere derart realisiert, dass dem ersten Sensor ein erstes Durchlasselement zugeordnet ist, welches beispielsweise als physischer, das heißt physisch vorhandener, optischer, erster Filter 18 oder aber als erste Blende ausgebildet ist. Beispielsweise ist der erste Filter 18 in dem Gehäuse 16 angeordnet, in dem beispielsweise auch der erste Sensor angeordnet ist. Beispielsweise ist der erste Filter 18 genau vor dem ersten Sensor positioniert ist. Mit anderen Worten befindet sich beispielsweise genau vor dem ersten Sensor der erste Filter 18. Denkbar ist jedoch, dass der erste Filter 18, wie es in 1 gezeigt ist, außerhalb des Gehäuses 16 und beispielsweise vor dem zu dem ersten Sensor gehörenden Sammelelement 15 angeordnet ist. Es besteht an dieser Stelle die Möglichkeit u.a. anstelle eines optischen Filters wie beispielsweise des Filters 18, der Wellenlängen filtert, die genannte, erste Blende zu nutzen. Diese erste Blende ließe nur einen gewissen Teil der Strahlung 8 hindurch, bezogen auf ihre Intensität, nicht ihre Wellenlänge. Jedes Sammelelement 15 kann somit beispielsweise individuell mittels einer Blende oder eines Filters eingestellt werden. Die Ausrichtung der einzelnen Sammelelemente ist ebenfalls zu berücksichtigen. Dadurch ist die Aussagekraft über den Prozess ebenfalls bestimmt. D.h. die Positionierung und Ausrichtung der Bündelungseinheit relativ zum Ort des Auftreffens des Laserstrahls 4, insbesondere eines jeweilige Laserstrahlpulses ist, ebenfalls ein wichtiger Punkt. Optimiert ausgerichtet bekommt man so weitere Informationen des Vorbehandlungsprozesses wie z.B. die Richtung, in der das Laserstrahl auf der Oberfläche bewegt wird (z.b. in +x oder -x Richtung der Bauteilachse). Die erste Blende könnte insbesondere direkt vor dem ersten Sensor in dem Gehäuse 16 angeordnet sein.
Das vorliegend als der erste Filter 18 ausgebildete, erste Durchlasselement lässt nur die ersten elektromagnetischen Wellen der elektromagnetischen Strahlung 8 durch, wobei, wie zuvor beschrieben, die ersten elektromagnetischen Wellen der elektromagnetischen Strahlung 8 Wellenlängen aufweisen, die in dem ersten Wellenlängenbereich liegen. Mit anderen Worten lässt der erste optische Filter 18 nur die ersten elektromagnetischen Wellen durch sich hindurch, deren jeweilige Wellenlängen in einem ersten Durchlassbereich des ersten optischen Filters 18 liegen, wobei der erste optische Filter 18 alle anderen elektromagnetischen Wellen, deren jeweilige Wellenlängen außerhalb des ersten Durchlassbereichs liegen, filtert und somit nicht zu dem ersten Sensor durchlässt. Dabei erfasst der erste Sensor die elektromagnetische Strahlung 8 nur, das heißt ausschließlich, über den zugeordneten ersten optischen Filter 18, sodass der erste Sensor nur die ersten elektromagnetischen Wellen in dem ersten Wellenlängenbereich, das heißt nur die ersten elektromagnetischen Wellen erfasst, deren jeweilige Wellenlängen im ersten Wellenlängenbereich liegen. Somit entspricht der erste Wellenlängenbereich dem ersten Durchlassbereich, sodass der erste Sensor nur die ersten elektromagnetischen Wellen erfasst, die von dem ersten optischen Filter 18, der dem ersten Sensor zugeordnet ist, durchgelassen werden.
Ein zweiter der Sensoren erfasst nur zweite elektromagnetische Wellen der elektromagnetischen Strahlung 8, wobei die zweiten elektromagnetischen Wellen Wellenlängen aufweisen, die in einem zweiten Wellenlängenbereich liegen. Somit erfasst der zweite Sensor nur die zweiten elektromagnetischen Wellen, deren jeweilige Wellenlängen in dem zweiten Wellenlängenbereich liegen. Der erste Wellenlängenbereich und der zweite Wellenlängenbereich sind zumindest teilweise, insbesondere vollständig, voneinander unterschiedlich. Beispielsweise weist der zweite Sensor einen zweiten Erfassungsbereich auf, sodass der zweite Sensor grundsätzlich elektromagnetische Wellen erfassen kann oder könnte, deren jeweilige Wellenlängen in dem zweiten Erfassungsbereich liegen, welcher größer als der zweite Wellenlängenbereich ist. Jedoch ist beispielsweise dem zweiten Sensor ein zweites Durchlasselement zugeordnet ist, welches beispielsweise als physischer, das heißt physisch vorhandener, optischer, zweiter Filter 19 oder aber als zweite Blende ausgebildet ist. Der zweite Sensor erfasst die elektromagnetische Strahlung 8 nur beziehungsweise ausschließlich über den ihm zugeordneten, zweiten optischen Sensor 19. Der zweite optische Sensor 19 weist einen gegenüber dem zweiten Erfassungsbereich kleineren, zweiten Durchlassbereich auf, sodass der optische Filter 19 nur die zweiten elektromagnetischen Wellen durch sich hindurch lässt, deren jeweilige Wellenlängen in dem zweiten Durchlassbereich des zweiten optischen Sensors 19 liegen. Alle anderen elektromagnetischen Wellen, deren Wellenlängen außerhalb des zweiten Durchlassbereiches liegen, filtert der zweite optische Sensor 19, mithin lässt der zweite optische Sensor 19 nicht durch, sodass der erste Sensor nur die von dem ihm zugeordneten, ersten optischen Filter 18 durchgelassenen, ersten elektromagnetischen Wellen und der zweite Sensor nur die von dem ihm zugeordneten, zweiten optischen Filter 19 durchgelassenen, zweiten elektromagnetischen Wellen empfängt und somit erfasst. Somit entspricht der zweite Durchlassbereich dem zweiten Längenbereich, welcher zumindest teilweise von dem ersten Längenbereich unterschiedlich ist. Zusammengefasst ist somit vorzugsweise Folgendes vorgesehen: Der erste Sensor an sich, das heißt für sich alleine betrachtet ist grundsätzlich dazu ausgebildet und dazu in der Lage, elektromagnetische Wellen, deren jeweilige Wellenlängen in dem ersten Erfassungsbereich liegen, zu erfassen. Dementsprechend ist der zweite Sensor an sich, das heißt für sich alleine betrachtet grundsätzlich dazu ausgebildet und somit dazu in der Lage, elektromagnetische Wellen zu erfassen, das heißt zu detektieren, deren jeweilige Wellenlängen in dem zweiten Erfassungsbereich liegen, wobei es denkbar ist, dass der erste Erfassungsbereich und der zweite Erfassungsbereich gleich sind. Der erste Sensor kann die elektromagnetische Strahlung 8 ausschließlich über den ihm zugeordneten, ersten optischen Filter 18 erfassen, und der zweite Sensor kann die elektromagnetische Strahlung 8 ausschließlich über den ihm zugeordneten, zweiten optischen Filter 19 erfassen. Der erste optische Filter 18 weist den gegenüber dem ersten Erfassungsbereich geringeren, ersten Durchlassbereich auf, sodass der optische Filter 18 nur die ersten elektromagnetischen Wellen durch sich hindurchlässt und somit zu dem ersten Sensor durchlässt beziehungsweise vordringen lässt, wobei der erste optische Filter 18 alle anderen elektromagnetischen Wellen, deren Wellenlängen außerhalb des ersten Durchlassbereiches liegen, nicht durch sich hindurchlässt und somit nicht zu dem ersten Sensor durchlässt beziehungsweise vordringen lässt. Der zweite optische Filter 19 weist den gegenüber dem zweiten Erfassungsbereich geringeren, zweiten Durchlassbereich auf, sodass der optische Filter 19 nur die zweiten elektromagnetischen Wellen durch sich hindurchlässt und somit zu dem zweiten Sensor durchlässt beziehungsweise vordringen lässt, wobei der zweite optische Filter 19 alle anderen elektromagnetischen Wellen, deren Wellenlängen außerhalb des zweiten Durchlassbereiches liegen, nicht durch sich hindurchlässt und somit nicht zu dem zweiten Sensor durchlässt beziehungsweise vordringen lässt. Der jeweilige Durchlassbereich kann geringer als der jeweilige Erfassungsbereich sein. Insbesondere kann es grundsätzlich sein, dass sich der Durchlassbereich generell in der Durchlässigkeit der Strahlung von dem Erfassungsbereich unterscheidet. Der Durchlassbereich kann beliebig mittels üblicher, insbesondere optischer Filter eingestellt werden. Es können auch mehrere Filter übereinander gelegt werden, um den gewünschten Durchlassbereich zu erhalten (z.b. Filter 1 300-750 nm + Filter 2 cut off 600 nm + dann würde durch die Filter alles durchscheinen, was zwischen 300 und750 nm liegt, außer die 600 nm, die vom zweiten Filter nicht durchgelassen werden). Ein weiterer Durchlassbereich könnte alles ab 750 nm aufwärts durchlassen und z.B. 1030 nm nicht mehr durchlassen (auch Kombination zweier Filter).
Insbesondere ist es denkbar, dass sich die jeweilige Diode in der Einhausung (Gehäuse 16) befindet. Die Erfassungseinrichtung 7 umfasst die Sammelelemente 15. Bei den Sammelelementen 15 handelt sich beispielsweise um kleine optische Elemente oder die Sammelelemente 15 umfassen kleine optische Elemente, wobei die optischen Elemente beispielsweise die Filter 18 und 19 sein können, und wobei die optischen Elemente die Strahlung 8 sozusagen einfangen und beispielsweise über angeschlossene, optische Lichtleitkabel, ausgehend von den einzelnen Sammelelementen 15, zu einem großen Lichtleitkabel zusammenlenken, welches in das Gehäuse 16 verläuft. In dem auch als Sensorbox bezeichneten Gehäuse wird die Strahlung 8 dann wieder auf die jeweiligen Dioden aufgeteilt und wie gewünscht gefiltert in ein elektrisches Signal umgewandelt.
Somit erfasst bei der Vorrichtung 1 insgesamt und somit bei dem Verfahren insgesamt betrachtet der erste Sensor nur die ersten elektromagnetischen Wellen und der zweite Sensor nur die zweiten elektromagnetischen Wellen. Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass die ersten elektromagnetischen Wellen und die zweiten elektromagnetischen Wellen elektromagnetische Wellen und somit Teile der elektromagnetischen Strahlung 8 sind. Sensoren wie zum Beispiel die genannten Sensoren können natürlich auch ohne Filter betrieben werden, damit hätte man das gesamte Wellenlängen Spektrum, welches die jeweilige Diode auflösen kann.
Das elektrische Signal charakterisiert beispielsweise sowohl die erfassten, ersten elektromagnetischen Wellen als auch die erfassten, zweiten elektromagnetischen Wellen. Hintergrund ist, dass aus unterschiedlichen Wellenlängenbereichen, das heißt anhand von elektromagnetischen Wellen, deren Wellenlängen in den unterschiedlichen Wellenlängenbereichen liegen, unterschiedliche Informationen über die Vorbehandlung gewonnen werden können, sodass auf Basis der Informationen die Vorbehandlung präzise und aussagekräftig überwacht und insbesondere geprüft werden kann.
Der erste Wellenlängenbereich korrespondiert mit einem ersten Spektralbereich eines Spektrums der elektromagnetischen Strahlung 8, wobei die Strahlung 8 und somit deren Spektrum mittels der Erfassungseinrichtung 7 erfasst werden. Der zweite Wellenlängenbereich korrespondiert mit einem insbesondere zumindest teilweise von dem ersten Spektralbereich unterschiedlichen, zweiten Spektralbereich des Spektrums der elektromagnetischen Strahlung 8. Somit umfasst das genannte Signal die Spektralbereiche oder das Signal charakterisiert die Spektralbereiche. Es ist somit möglich, die Vorbehandlung anhand der insbesondere zumindest teilweise voneinander unterschiedlichen Spektralbereich, das heißt anhand beziehungsweise in Abhängigkeit von den Spektralbereichen zu überwachen. Somit ist eine spektralspezifische Überwachung der Vorbehandlung möglich.
Um die Vorbehandlung besonders präzise überwachen zu können, beträgt beispielsweise eine auch als Erfassungsfrequenz bezeichnete Frequenz, mit welcher die elektromagnetische Strahlung 8 mittels der Erfassungseinrichtung 7 erfasst und zumindest vorübergehend gespeichert wird, wenigstens 10 Kilohertz, insbesondere wenigstens 20 Kilohertz und ganz insbesondere wenigstens oder genau 30 Kilohertz. Die Erfassungsfrequenz wird auch als Abtastrate oder Datenerfassungsfrequenz bezeichnet, mit welcher Informationen beziehungsweise elektrische Signale der Dioden, das heißt von den Dioden bereitgestellte Informationen beziehungsweise Signale, welche die erfasste Strahlung 8 charakterisieren, aufgezeichnet und analysiert werden.
Des Weiteren ist es bei dem Verfahren vorzugsweise vorgesehen, dass der Laserstrahl 4 zum Vorbehandeln der Oberfläche 2 gepulst auf die Oberfläche 2 gestrahlt wird, sodass an den jeweiligen, zuvor genannten Stellen der Oberfläche 2 jeweilige, einfach auch als Pulse bezeichnete Laserpulse des Laserstrahls 4, insbesondere direkt, auftreffen. Vorzugsweise beträgt eine auch als Pulsfrequenz bezeichnete Frequenz, mit welcher der Laserstrahl 4 gepulst auf die Oberfläche 2 gestrahlt wird und somit die Pulse auf die Oberfläche 2 an den Stellen auftreffen, wenigstens ein Kilohertz, insbesondere wenigstens 10 Kilohertz und ganz insbesondere wenigstens oder genau 20 Kilohertz. Die Pulsfrequenz des Lasers 5 wird auch Repetitionsrate des Lasers 5 oder als Laserfrequenz bezeichnet und ist eine Frequenz, mit der ein jeweiliger Puls durch die Strahlquelle bereitgestellt wird.
2 zeigt ein Diagramm mit einer Abszisse 20, eine Ordinate 21 und einem Verlauf 22, welcher beispielsweise das zuvor genannte, elektrische Signal ist oder veranschaulicht. Auf der Abszisse 20 ist die Zeit aufgetragen, und auf der Ordinate 21 sind beispielsweise Werte aufgetragen. 3 zeigt das Diagramm gemäß 2 jedoch in einer größeren Auflösung. Aus 3 ist erkennbar, dass der Verlauf 22 Stufen aufweist, was insbesondere dadurch der Fall ist, dass der Verlauf 22 ein insbesondere digital gefilterter Verlauf beziehungsweise ein digital gefiltertes Signal wie beispielsweise das zuvorgenannte, elektrische Signal ist. Jede Stufe des Verlaufs 22 entspricht einem der auf die Oberfläche 2 aufgetroffenen Pulse. Mit anderen Worten veranschaulicht jede Stufe des Verlaufs 22 einen der auf die Oberfläche 2 aufgetroffenen Pulse. Es ist nun möglich, anhand des Verlaufs 22 und somit anhand des elektrischen Signals die Vorbehandlung besonders präzise zu überwachen. Insbesondere kann die Vorbehandlung anhand einer Anzahl der Stufen und/oder anhand einer Signallänge und/oder anhand von unterschiedlichen Signallängen überwacht werden. Unter der jeweiligen Signallänge ist insbesondere eine insbesondere zeitliche Länge einer jeweiligen Amplitude des Signals beziehungsweise Verlaufs 22 zu verstehen. Mit anderen Worten, die auch als Gesamtsignallänge bezeichnete Signallänge, also die Summe aller Zeiten entspricht dann der Prozesszeit, wie lange ein Prozess andauert. Insbesondere korreliert die zeitliche Länge der Amplitude mit einer Anzahl der die Amplitude bildenden Messwerte korreliert.
Bei dem in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiel ist es somit vorgesehen, dass die auch als optische Bündelungseinheiten bezeichneten oder als optische Bündelungseinheiten ausgebildeten Sammelelementen 15, insbesondere extern und/oder lateral, an den auch als Bearbeitungskopf bezeichneten Scankopf 6 angebracht und entsprechend auf eine Prozesszone justiert sind, in der der Laserstrahl 4 auf die Oberfläche 2 gestrahlt wird und somit auftrifft. Weitere Entkopplungsvarianten die koaxial über einen Kameraport des Bearbeitungskopfes wie auch über eine Strahlquellenweiche selbst sind grundsätzlich möglich, jedoch erfolgen dadurch Hohlverluste des Strahloxinats und somit Einbußen in der Beobachtungsqualität. Mit anderen Worten, die Erfassung der elektromagnetischen Strahlung 8 über die bezüglich des Bearbeitungskopfes externen Sammelelemente 15 ist vorteilhaft, da die elektromagnetische Strahlung 8 nicht über eine Optik, das heißt unter Umgehung einer vorliegend als Laseroptik ausgebildeten Optik erfolgt, mittels welcher der Laserstrahl 4 auf die Oberfläche 2 gestrahlt wird. Wieder mit anderen Worten ausgedrückt erfolgt die Erfassung der elektromagnetischen Strahlung 8 unter vollständiger Umgehung der Optik, mittels welcher der Laserstrahl 4 auf der Oberfläche 2 aufgebracht wird, wodurch die elektromagnetische Strahlung besonders vorteilhaft erfasst und in der Folge die Vorbehandlung präzise überwacht werden kann. Die während der Vorbehandlung, insbesondere an der laufenden Vorbehandlung, emittierte, elektromagnetische Strahlung 8 mit unterschiedlichen Wellenlängen wird durch beziehungsweise über die Bündelungseinheiten zu den Sensorelementen geführt und dort beziehungsweise mittels dieser auf die jeweiligen Spektralbereiche aufgeschlüsselt, insbesondere unter Zuhilfenahme der optischen Filter 18 und 19. Die optischen Filter 18 und 19 und somit die Erfassung der elektromagnetischen Wellen mittels der Sensoren beziehungsweise der Sensorelemente über die optischen Filter 18 und 19 ermöglichen somit die zuvor beschriebene Erzeugung der unterschiedlichen Spektralbereiche, die beispielsweise Bestandteile des elektrischen Signals sind oder durch das elektrische Signal gebildet oder charakterisiert werden oder die das elektrische Signal bilden. Beispielsweise wird das elektrische Signal beziehungsweise werden die Spektralbereiche insbesondere mittels eines Datenaufzeichners und insbesondere im Kilohertz-Bereich aufgenommen, das heißt zumindest vorübergehend insbesondere in einem elektronischen Speicher beispielsweise der Auswerteeinheit 9 gespeichert. Eine insbesondere optische Darstellung des Signals beziehungsweise der Spektren, insbesondere auf der elektronischen Anzeige 10, und eine Auswertung des Signals beziehungsweise der Spektren wie beispielsweise durch einen Algorithmus realisiert. Insbesondere ist eine Kategorisierung des Signals beziehungsweise der Spektren in verschiedene Stadien möglich. Somit ist es insbesondere denkbar, dass die Auswerteeinheit 9 die Vorbehandlung in Abhängigkeit von den insbesondere unterschiedlichen Spektralbereichen überwacht. Dabei werden beispielsweise die unterschiedlichen Spektren auf der elektronischen Anzeige 10 angezeigt.
Der jeweilige Spektralbereich ist beispielsweise durch Ist-Werte charakterisiert, und beispielsweise wird der jeweilige Spektralbereich als Ist- Spektralbereich beziehungsweise werden die Ist-Werte mit einem Soll- Spektralbereich beziehungsweise mit Soll-Werten verglichen. Ist beispielsweise eine Abweichung des Ist- Spektralbereiches beziehungsweise der Ist-Werte von dem Soll- Spektralbereich beziehungsweise von den Soll-Werten übermäßig groß, sodass die Abweichung ein insbesondere vorgebbaren oder vorgegebenen Grenzwert überschreitet, so wird beispielsweise ein Hinweissignal ausgegeben. In der Folge kann darauf rückgeschlossen werden, dass die Vorbehandlung nicht wie gewünscht oder nicht wie vorgegeben durchgeführt wird oder wurde, sodass beispielsweise auf das anschließende Fügeverfahren verzichtet werden kann. Zusätzlich kann durch die hohe Auflösung des Verfahrens auf eine Ursache der Abweichung geschlossen werden.
Es ist erkennbar, dass die elektromagnetische Strahlung 8 während des eigentlichen Vorbehandelns aber für die zwei und somit in Echtzeit und/oder online durchgeführt wird, sodass das Verfahren besonders vorteilhaft ist für eine Massen- oder Serienproduktion.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Oberfläche
3: Werkstück
4: Laserstrahl
5: Laser
6: Scankopf
7: Erfassungseinrichtung
8: elektromagnetische Strahlung
9: Auswerteeinrichtung
10: elektronische Anzeige
11: Diagramm
12: Abszisse
13: Ordinate
14: Verlauf
15: Sammelelement
16: Gehäuse
17: Wiedergabeeinrichtung
18: erster Filter
19: zweiter Filter
20: Abszisse
21: Ordinate
22: Verlauf

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 2527048 B1 [0002]
DE 60302901 T2 [0002]
WO 2012/113787 A1 [0002]
WO 2018/149574 A1 [0002]

Claims

Verfahren zum Vorbehandeln einer Oberfläche (2) eines Werkstücks (3) für ein auf das Vorbehandeln folgendes Fügeverfahren, bei welchem zum Vorbehandeln der Oberfläche (2) ein Energiestrahl (4) auf die Oberfläche (2) gestrahlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass: - während der Energiestrahl (4) auf die Oberfläche (2) gestrahlt wird, mittels einer Erfassungseinrichtung (7) eine elektromagnetische Strahlung (8) erfasst und wenigstens ein die erfasste elektromagnetische Strahlung (8) charakterisierendes, elektrisches Signal bereitgestellt wird, - mittels einer Auswerteeinrichtung (9) in Abhängigkeit von dem elektrischen Signal das Vorbehandeln überwacht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Auswerteeinrichtung (9) das elektrische Signal oder wenigstens ein aus dem elektrischen Signal erzeugtes Auswertesignal als Ist-Signal mit einem Soll-Signal verglichen und in Abhängigkeit von dem Vergleich des Ist-Signals mit dem Soll-Signal das Vorbehandeln überwacht wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Wiedergabeeinrichtung (17) wenigstens ein haptisch und/oder optisch und/oder akustisch wahrnehmbares Hinweissignal ausgegeben wird, wenn eine Abweichung des Ist-Signals von dem Soll-Signal einen Schwellenwert überschreitet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Frequenz, mit welcher die elektromagnetische Strahlung (8) mittels der Erfassungseinrichtung (7) erfasst und zumindest vorübergehend gespeichert wird, wenigstens 10 kHz beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiestrahl (4) zum Vorbehandeln der Oberfläche (2) gepulst auf die Oberfläche (2) gestrahlt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Frequenz, mit welcher der Energiestrahl (4) gepulst auf die Oberfläche (2) gestrahlt wird, wenigstens 1 kHz beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass: - mittels eines ersten Sensors der Erfassungseinrichtung (7) die elektromagnetische Strahlung (8) in einem ersten Wellenlängenbereich erfasst wird, und - mittels eines zusätzlich zu dem ersten Sensor vorgesehenen, zweiten Sensors der Erfassungseinrichtung (7) die elektromagnetische Strahlung (8) in einem zumindest teilweise von dem ersten Wellenlängenbereich unterschiedlichen, zweiten Wellenlängenbereich erfasst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als der Energiestrahl (4) ein Laserstrahl (4) verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (3) nach dem Vorbehandeln der Oberfläche (2) mittels des zeitlich auf das Vorbehandeln folgenden Fügeverfahrens mit wenigstens einem weiteren Bauelement gefügt wird, indem das Werkstück (3) über die vorbehandelte Oberfläche (2) mit dem weiteren Bauelement verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (3) über die vorbehandelten Oberfläche (2) mit dem weiteren Bauelement verklebt und dadurch mit dem weiteren Bauelement verbunden wird.