DE10257112A1 - Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung zum Fügen und/oder Beschichten von Kunststoffen - Google Patents

Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung zum Fügen und/oder Beschichten von Kunststoffen Download PDF

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Dirk Haensch
Thomas Ebert
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Abstract

Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung zum Fügen und/oder Beschichten von Werkstoffen, wobei die Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung ein Handgerät ist, das ein Gehäuse mit einer Fokussieroptik umfaßt, wobei entweder an das Gehäuse eine Lichtleitfaser ankoppelbar ist, die von einer externen Laserstrahlquelle Laserstrahlung in das Handgerät einkoppelt, oder eine interne Laserstrahlquelle in dem Gehäuse angeordnet ist, und wobei das Gehäuse auf der dem Füge- und Beschichtungsbereich zugewandten Seite ein die Laserstrahlung gegenüber der Umwelt abschirmendes Schutzmittel aufweist, wobei das Schutzmittel ein Führungskegel (7) ist, der konusförmig zuläuft und eine Austrittsöffnung (8) für die Laserstrahlung aufweist, die eine gleitfähige Oberfläche (9) trägt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung zum Fügen und/oder Beschichten von Kunststoffen gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Anspruches 1.
  • Derartige Vorrichtungen sind beispielsweise aus der DE 19817629 C2 bekannt. In dieser Druckschrift ist eine Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung für Werkstoffe beschrieben, bei der ein Bearbeitungskopf auf den zu bearbeitenden Werkstoff aufgesetzt wird. Durch eine mittels Schlitten verschiebbare Fokussieroptik innerhalb des Bearbeitungskopfes wird ein Laserstrahl über einen von der Geometrie des Bearbeitungskopfes festgelegten Bereich der Werkstückoberfläche geführt. Danach wird der Bearbeitungskopf entlang der Bearbeitungsstrecke um den Abschnitt verschoben, der der bereits durch die Laserstrahlung bearbeiteten Strecke entspricht, worauf sich wiederum ein weiterer Schweißvorgang anschließt. Der Schweißprozeß ist diskontinuierlich und somit zum Verschweißen von Folien, bei denen eine Dichtigkeit der Schweißnaht erforderlich ist, nicht geeignet. Eine Dichtigkeit kann bei einer solchen Prozeßfolge nicht garantiert werden. Das Einsatzgebiet dieser Art der Laserbearbeitung liegt vor allem im Bereich der Blechbearbeitung.
  • Die DE 19817629 C2 offenbart zwei Ausführungsformen der Bearbeitungsköpfe, zum einen weist der Bearbeitungskopf an seiner der Werkstückoberfläche zugewandten Seite höhenverstellbare Füße zum Abstellen des Bearbeitungskopfes in einem optimalen Bearbeitungsabstand auf, zum anderen sind anstelle der Füße Rollen vorgesehen, die eine Verschiebung des Arbeitskopfes erleichtern sollen. Diese Methode ist sehr zeitaufwendig, da Verschieben des Bearbeitungskopfes und Bearbeitung selbst alternierend ausgeführt werden. Des weiteren kann die Bewegung des Bearbeitungskopfes auf dem Werkstück gerade bei der Folienbearbeitung zu einer Beschädigung der Folie führen. Ein weiteres Problem ist die Zugänglichkeit der Bearbeitungsstelle. Ebene Flächen lassen sich mit diesem Bearbeitungskopf zwar bearbeiten, Schwerer zugängliche Geometrien wie Winkel, Eck- oder Endbereiche hingegen, die beispielsweise beim Verschweißen von Dachfolien auftreten können, lassen sich mit diesem Bearbeitungskopf nur schwer oder gar nicht bearbeiten. Auch Höhenunterschiede innerhalb der von der Geometrie des Bearbeitungskopfes vorgegebenen Bearbeitungsstrecke werden nicht berücksichtigt, was gerade bei der Kunststoffbearbeitung unweigerlich zu einer unregelmäßigen Schweißnaht führt.
  • Die übliche Verschweißung von Folien im Baustellenbereich erfolgt durch ein Erhitzen der Folien mittels eines Heißluftverfahrens. In der EP 0949057 B1 ist eine solche Vorrichtung beschrieben. Sie zeigt einen mittels Heißluft betriebenes Handschweißgerät mit einem Fahrgestell und Transportrollen sowie einer Andruckrolle. Die einzelnen Elemente sind so angeordnet, daß zunächst die im Handschweißgerät erzeugte Heißluft zwischen die zu verschweißenden Folien, die überlappend angeordnet sind, eingeleitet wird, die Folien dadurch aufgeschmolzen werden und abschließend die Andruckrolle die beiden Folien mit Hilfe des Gewichtes des Handschweißgerätes zusammenpreßt, um eine dichte Schweißnaht zu erreichen. Da für diesen Zusammenpressvorgang ein bestimmter Mindestanpreßdruck angelegt werden muß, um eine dichte Schweißnaht zu erhalten, ist das Handschweißgerät entsprechend schwer ausgeführt, was gleichbedeutend mit einem geringen Komforts bezüglich der Handhabung ist. Weiterhin nachteilig ist, daß die Folien undefiniert aufgeschmolzen werden und dadurch eine breite unregelmäßige Schweißnaht entsteht. Der Prozeß erweist sich als relativ instabil und anfällig beispielsweise in Bezug auf witterungsbedingte Einflüsse. So kann dieses Verfahren nur bei einer Mindestaußentemperatur angewendet werden, was gerade im Baustellenbereich zu Verzögerungen des Bauprojektes und damit zu erheblichen Kosten führen kann.
  • Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung bereitzustellen, die bei einfacher Handhabung für das abdichtende Verschweißen von Kunststoffolien geeignet ist.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung zum Verschweißen von Kunststoffolien gemäß den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist ein Schutzmittel in Form eines Führungskegels auf, der konusförmig zuläuft. In dem der Bearbeitungsoberfläche zugewandten Endabschnitt des Führungskegels befindet sich eine Austrittsöffnung für die Laserstrahlung, die eine gleitfähige Oberfläche trägt. Durch diese Formgebung kann der Benutzer der Vorrichtung einfach und komfortabel selbst schwerer zugängliche Abschnitte verschweißen. Die an der Austrittsöffnung angeformte Oberfläche und bildet die Auflagefläche auf dem zu bearbeitenden Werkstoff. Aufgrund der guten Gleiteigenschaften der Oberfläche sind keine zusätzlichen Bauteile wie beispielsweise Führungsrollen notwendig, die Verschweißung erfolgt durch einfache Bewegung der Vorrichtung entlang der Bearbeitungsstelle. Somit wird ein Beschädigen der Folie durch Führungsrollen bzw. Verschmutzungen, die sich in die Führungsrollen eingelagert haben und so scharfkantige Elemente bilden, vermindert.
  • Als besonders vorteilhaft für die gleitfähige Oberfläche erweisen sich Kunststoffe, wie beispielsweise PTFE. Dabei kann die Oberfläche verschiedenartig, beispielsweise rund, eckig, ringförmig oder mit Rücksprüngen ausgeführt sein. Dadurch kann die Vorrichtung vorteilhaft an den entsprechenden Arbeitsprozeß angepaßt werden. Der Führungskegel kann vorteilhaft austauschbar ausgeführt sein, so daß ein und dieselbe Vorrichtung für verschiedene Anwendungen eingesetzt werden kann.
  • Um den Auflagen der Arbeitssicherheit gerecht zu werden kann die Vorrichtung Shuttermittel zur Unterbrechung der Laserstrahlung, Sensoren, die die während des Laserstrahlbearbeitungsprozeßes austretende Laserstrahlung sowie Streustrahlung detektieren und bei Detektion die Shuttermittel betätigen, bzw. die Abschaltung der Laserstrahlquelle veranlassen sowie Drucksensoren, die bei der Bearbeitung fehlendem Anpreßdruck des Handgerätes auf die Bearbeitungsfläche ebenfalls die Shuttermittel betätigen, oder die Abschaltung der Laserstrahlquelle veranlassen.
  • Weiterhin als vorteilhaft erweist es sich, die Vorrichtung mit einer Anzeigevorrichtung auszustatten, die über eine online-Prozeßüberwachung, insbesondere mittels Pyrometer, dem Benutzer der Vorrichtung kontinuierlich eine Bearbeitungsgeschwindigkeit, insbesondere durch Anzeige von Pfeilen oder durch schneller, langsamer und OK-Anzeige, vorgibt. Somit wird ein stabiler Schweißprozeß mit einer gleichmäßigen und dichten Schweißnaht erreicht. So kann die Vorrichtung auch von weniger geübtem oder erfahrenem Personal auch ohne aufwendige und kostenintensive Schulungsmaßnahmen bedient werden.
  • Als vorteilhaft für die einzusetzende Schweißquelle erweist sich aufgrund der geringen Wärmeeinflußzone und des sehr gleichmäßigen Schweißergebnisses der Einsatz von Laserstrahlung. Um die Schweißvorrichtung möglichst leicht zu halten, um so den Komfort bezüglich der Handhabung zu steigern werden vorzugsweise Diodenlaser eingesetzt. Ein weiterer Vorteil der Diodenlaser sind die verhältnismäßig geringen Anschaffungskosten, sowie die entfallenden Wartungskosten. Je nach Einsatzgebiet ist aber auch der Einsatz anderer Laserstrahlung denkbar.
  • Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung anhand der Zeichnungen näher erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1: eine schematische Darstellung der Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung;
  • 2: ein Ausführungsbeispiel für eine an den Bearbeitungsprozeß angepaßten gleitfähigen Oberfläche.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung 1. In einem Gehäuse 2 ist zur Bündelung der Laserstrahlung eine Fokussieroptik 3 angeordnet. Die Fokussieroptik 3 ist dauerhaft im Gehäuse 2 fixiert, ein Austausch der Fokussieroptik 3 kann beispielsweise zur Anpassung an den Bearbeitungsprozeß ermöglicht werden. Über einen Anschluß 4 wird die Laserstrahlung mittels einer in dem Schlauchpaket 5 geführten Lichtleitfaser aus einer in diesem Ausführungsbeispiel externen Laserstrahlquelle 6 in die Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung 1 eingekoppelt. In das Gehäuse 2 ist ein konisch zulaufender Führungskegel 7 eingesetzt. Der Führungskegel 7 ist in diesem Ausführungsbeispiel in dem Gehäuse 2 fixiert. Durch einfache Clip- oder Schraubverbindungen kann der Führungskegel 7 auch auswechselbar ausgeführt sein. Der Führungskegel 7 weist eine Austrittsöffnung 8 für die Laserstrahlung auf. In dem Bereich der Austrittsöffnung 8 für die Laserstrahlung ist eine gleitfähige Oberfläche 9 in Form eines PTFE-Ringes auf den Führungskegel 7 aufgesetzt. Außerdem trägt der Führungskegel 7 Drucksensoren 10, die im Bereich unmittelbar hinter dem Führungskegel 7 angeordnet sind. Eine Anordnung in anderen Bereichen ist ebenfalls denkbar. Weiterhin weist die Laserbearbetungsvorrichtung Shuttermittel 11 auf. Die Drucksensoren 10 dienen dazu, ein Austreten der Laserstrahlung zu unterbrechen, sobald der Führungskegel 7 von der Bearbeitungsfläche abgehoben wird. Fehlt der Kontakt zur Bearbeitungsfläche, werden durch die Drucksensoren 10 die Shuttermittel 11 betätigt, oder die Abschaltung der Laserstrahlquelle 6 veranlaßt. Weitere Sensoren 12 zur Detektion von eventueller Streustrahlung sind außerhalb des Gehäuses 2 angeordnet. Des weiteren weist das Gehäuse 2 eine Anzeigevorrichtung 13 auf, die über eine in einer Steuereinheit realisierte online-Prozeßüberwachung dem Benutzer der Vorrichtung während der Bearbeitung kontinuierlich eine Bearbeitungsgeschwindigkeit, insbesondere durch Anzeige von Pfeilen oder durch schneller, langsamer und OK-Anzeige, vorgibt.
  • In 2 ist ein Ausführungsbeispiel für einen Führungskegel 7 mit einer an den Bearbeitungsprozeß angepaßten gleitfähigen Oberfläche 9 dargestellt. Folienartige Werkstücke 14 sollen mittels Laserstrahlung im Überlapp geschweißt werden, die für diesen Bearbeitungsprozeß auf ein Steckmodul 15 des Führungskegels 7 aufgesteckte gleitfähige Oberfläche weist dazu einen Rücksprung 16 auf, der die Laserstrahlung durch die Formgebung in die für den Schweißprozeß optimale Position bringt. Wird die Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung 1 für das Verschweißen anderer Geometrien benötigt, kann die gleitfähige Oberfläche 9 einfach gegen eine andere für diesen Schweißprozeß geeignete gleitfähige Oberfläche ausgetauscht werden. Während des kontinuierlichen Schweißprozesses wird die gleitende Oberfläche 9 manuell über die zu bearbeitenden Werkstücke 14 geführt. So wird ein kontinuierlicher und sicherer Füge- bzw. Beschichtungsprozeß mit einfacher, benutzerfreundlicher Handhabung gerade auch im mobilen Bereich bereitgestellt, wie er beispielsweise bei Füge- und Beschichtungsbearbeitungen im Baustellenbereich benötigt wird und einem qualitativ hochwertigen Füge bzw. Beschichtungsergebnis. Da die Laserbearbeitungsvorrichtung 1 sehr leicht ist, treten auch keine vorzeitigen Ermüdungserscheinungen beim Benutzer auf.
    • 1
    Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung
    2
    Gehäuse
    3
    Fokussieroptik
    4
    Anschluß Schlauchpaket
    5
    Schlauchpaket mit Lichtleitfaser
    6
    Laserstrahlquelle mit Versorgungseinheit
    7
    Führungskegel
    8
    Austrittsöffnung für Laserstrahlung
    9
    gleitfähige Oberfläche
    10
    Drucksensor
    11
    Shuttermittel
    12
    Sensor für Streustrahlung
    13
    Anzeigevorrichtung
    14
    Werkstück
    15
    Modul
    16
    Rücksprung der gleitfähigen Oberfläche

Claims (10)

  1. Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung zum Fügen und/oder Beschichten von Werkstoffen, wobei die Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung ein Handgerät ist, das ein Gehäuse mit einer Fokussieroptik umfaßt, wobei entweder an das Gehäuse eine Lichtleitfaser ankoppelbar ist, die von einer externen Laserstrahlquelle Laserstrahlung in das Handgerät einkoppelt, oder eine interne Laserstrahlquelle in dem Gehäuse angeordnet ist, und wobei das Gehäuse auf der dem Füge- und Beschichtungsbereich zugewandten Seite ein die Laserstrahlung gegenüber der Umwelt abschirmendes Schutzmittel aufweist, dadurch gekennzeichnet , daß das Schutzmittel ein Führungskegel (7) ist, der konusförmig zuläuft und eine Austrittsöffnung (8) für die Laserstrahlung aufweist, die eine gleitfähige Oberfläche (9) trägt.
  2. Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gleitfähige Oberfläche (9) ein Kunststoff, insbesondere ein PTFE-Ring, ist.
  3. Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gleitfähige Oberfläche (9) mit Rücksprüngen (16) versehen ist.
  4. Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die gleitfähige Oberfläche (9) eine Auflagefläche auf dem zu bearbeitenden Werkstoff (14) bildet.
  5. Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Führungskegel (7) und/oder die Fokussieroptik (3) austauschbar ist.
  6. Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung Shuttermittel (11) zur Unterbrechung der Laserstrahlung aufweist.
  7. Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung Sensoren (12) umfaßt, die dazu eingerichtet sind, während des Laserstrahlbearbeitungsprozeßes austretende Laserstrahlung sowie Streustrahlung zu detektieren und die bei Detektion die Shuttermittel (11) betätigen, oder die Abschaltung der Laserstrahlquelle (6) veranlassen.
  8. Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserbearbeitungsvorrichtung (1) Drucksensoren (10) aufweist, die bei fehlendem Anpreßdruck der Laserbearbeitungsvorrichtung auf die Bearbeitungsfläche die Shuttermittel (11) betätigen, oder die Abschaltung der Laserstrahlquelle (6) veranlassen.
  9. Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserbearbeitungsvorrichtung (1) eine Anzeigevorrichtung (13) aufweist, die über eine online-Prozeßüberwachung, insbesondere mittels Pyrometer, dem Benutzer der Laserbearbeitungsvorrichtung (1) kontinuierlich eine Bearbeitungsgeschwindigkeit, insbesondere durch Anzeige von Pfeilen oder durch schneller, langsamer und OK-Anzeige, vorgibt.
  10. Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserstrahlquelle (6) ein Diodenlaser ist.
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