DE19801346C1 - Vorrichtung und Verfahren zum Formprägen eines schmelzfähigen Materials - Google Patents
Vorrichtung und Verfahren zum Formprägen eines schmelzfähigen MaterialsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Formprägen eines schmelzfähigen Ma
terials, die mindestens eine Prägeeinheit mit mindestens einem Formprägewerk
zeug aufweist, dem die zum Schmelzen des Materials benötigte Energie zuführ
bar ist, sowie ein derartiges Verfahren.
Für eine Vielzahl von Anwendungsfällen ist es erforderlich, daß zwei Materialbe
reiche dauerhaft zu verbinden sind, indem ein das zweite Material durchdringen
der Stift des ersten Materials zu einem Prägekopf umgeformt wird. Bei den be
kannten Vorrichtungen ist hierzu vorgesehen, daß die zum Schmelzen des zum
Prägekopf umzuformenden Bereichs des aus dem zweiten Material hervorstehen
den Stiftes des ersten Materials erforderliche Energie in Form von
Ultraschallschwingungen zugeführt wird. Eine derartige Maßnahme besitzt den
Nachteil, daß die hochfrequenten Ultraschallschwingungen zu einer hohen me
chanischen Belastung der zu verbindenden Materialien führt, was insbesondere
bei stoßempfindlichen Bauteilen Probleme mit sich bringt. Zum Beispiel ist es mit
den bekannten Vorrichtungen und den bekannten Verfahren nicht oder nur äu
ßerst schwierig möglich, einen Schwingquarz eines elektronischen Uhrwerks auf
der dazugehörigen Platine zu befestigen, da die beim Formprägen auftretende
Ultraschall-Einwirkung auf den Schwingquarz zu dessen Zerstörung führen kann.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren der
eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß beim Formprägen eine mög
lichst geringe mechanische Belastung des oder der dem Prägevorgang zu unter
werfenden Bauteile erzielbar ist.
Diese Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch gelöst,
daß dem mindestens einen Prägewerkzeug diese Schmelzenergie durch eine von
einem Lasergenerator erzeugte Laserstrahlung zuführbar ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht zur Lösung obiger Aufgabe vor, daß bei dem
Formprägewerkzeug einer Prägeeinheit die zum Schmelzen des formzuprägen
den Materials erforderliche Schmelzenergie
in Form von Laserstrahlung derart zugeführt
wird, daß die Laserstrahlung in einem Schmelz/Prägeraum des Prägewerkzeugs
konzentriert wird.
Die erfindungsgemäßen Maßnahmen besitzen den Vorteil, daß durch die erfin
dungsgemäß vorgesehene Zuführung der Schmelzenergie durch eine Laserstrah
lung ein weitgehend vibrationsfreier Formprägevorgang erzielbar ist, so daß es
mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren
vorteilhafter Art und Weise auch möglich ist, vibrationsempfindliche und/oder
filigrane Bauteile zu bearbeiten, die einer bekannten Ultraschall-Formprägung
nicht zugänglich sind.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Maßnahmen besteht darin, daß das
Formprägewerkzeug nach der Beendigung des formgebenden Vorgangs unter
Druck auf dem formgeprägten Material verweilen kann, so daß in vorteilhafter Art
und Weise ein Auskühlen der geprägten Form und somit ihre Verfestigung unter
Einwirkung von Druck erzielbar ist. Dies führt in vorteilhafter Art und Weise zu ei
ner höheren Verarbeitungsquaiität als sie mit den bekannten Vorrichtungen und
Verfahren erzielbar ist.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß das Formprägewerk
zeug und ein die Laserstrahlung erzeugender Lasergenerator durch einen Licht
wellenleiter verbunden sind. Diese Maßnahme besitzt den Vorteil, daß hierdurch
besonders einfach eine Aufteilung des Laserstrahls durch einen in den Lichtleiter
eingesetzten Strahlenteiler erzielbar ist, so daß in vorteilhafter Art und Weise
mehrere Formprägewerkzeuge gleichzeitig mit der von einem einzigen Laserge
nerator erzeugten Laserstrahlung versorgbar sind.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß die Formprä
gewerkzeuge einer mehrere Formprägewerkzeuge aufweisenden Prägeeinheit
der Vorrichtung auf einem unterschiedlichen Höhenniveau angeordnet sind, so
daß in vorteilhafter Art und Weise auch ein eine nicht-ebene Oberfläche aufwei
sendes Material bearbeitbar ist.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der
Unteransprüche.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind dem Ausführungsbeispiel zu
entnehmen, das im folgenden anhand der Figuren beschrieben wird. Es zeigen:
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Formprägen eines
schmelzfähigen Materials
und
Fig. 2 eine weitere Ausführungsform eines Formprägestempels des
Ausführungsbeispiels.
Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel einer allgemein mit 1 bezeichne
ten Vorrichtung weist ein Formprägewerkzeug 11 auf, welches dazu dient, einen
ein Einlegeteil 3 durchdringenden Bolzen 4a-c eines Trägerwerkstücks 5, mit
welchem das Einlegeteil 3 fest verbunden werden soll, derart umzuformen, daß
der aus dem Einlegeteil 3 herausragende Bereich des Bolzens 4a zu einem Prä
gekopf 4a' umgeformt wird, so daß das Einiegeteil 3 sicher am Trägerwerkstück
5 befestigt ist. Dem Fachmann ist klar ersichtlich, daß es nicht zwingend erforder
lich ist, daß die beschriebene Vorrichtung 1 gleichzeitig die in Fig. 1 linke erste
Formprägeeinheit 10 mit einem einzigen Formprägewerkzeug 11 und die in Fig.
1 rechte zweite Prägeeinheit 20, die einen Satz von drei Formprägewerkzeugen
21a-21c besitzt, aufweist. Die in Fig. 1 dargestellte Konfiguration der Vorrich
tung 1 dient nur dazu, innerhalb eines einzigen Ausführungsbeispiels mehrere
Ausführungsvarianten beschreiben zu können. Da die folgenden Erläuterungen
der das einzige Formprägewerkzeug 11 aufweisenden ersten Prägeeinheit 10 - soweit
explizit nichts anderes ausgeführt wird - auch für die den Satz von drei
Formprägewerkzeugen 21a-21c aufweisenden zweite Prägeeinheit 20 gelten,
konzentriert sich die nachfolgende Beschreibung im wesentlichen auf den Aufbau
und die Funktionsweise der ersten Prägeeinheit 10.
Dem Formprägewerkzeug 11 ist über einen Lichtwellenleiter 12 eine von einem
Lasergenerator 6 erzeugte Laserstrahlung zuführbar, wobei die Verwendung
eines Lichtwellenleiters 12 gegenüber anderen möglichen, an und für sich be
kannten und daher nicht näher beschriebenen Methoden zur Verbindung des La
sergenerators 6 mit dem Formprägewerkzeug 11 den Vorteil besitzt, daß hier
durch in besonders einfacher Art und Weise eine Verbindung geschaffen wird,
die eine Bewegung des Formprägewerkzeugs 10 durch eine Positioniereinheit 15
relativ zu den zu verbindenden Materialien 3, 4 erlaubt.
Der Lichtwellenleiter 12 mündet im Formprägewerkzeug 11 in eine Fokussieroptik
16, welche dazu dient, die durch den Lichtwellenleiter 12 zugeführte Laserstrah
lung derart zu bündeln, daß das Laserlicht möglichst verlustfrei in einem
Schmelz/Prägeraum 13 eines Formprägestempels 14 des Formprägewerkzeugs
11 konzentriert wird. Der Formprägestempel 14 des Formprägewerkzeugs 11 ist
als ein transparenter, vorzugsweise warmfester Formstempel ausgebildet, der
das von der Fokussieroptik 16 empfangene Laserlicht zum Schmelz/Prägeraum
13 weiterleitet.
Um nun mit der Vorrichtung 1 aus dem das Einlegeteil 3 durchdringende Bolzen
4b in einen den Prägekopf 4a' des Bolzens 4a entsprechenden weiteren Präge
kopf umzuformen, wird das Formprägewerkzeug 11 durch die Positioniereinheit
15 in Richtung des Bolzens 4b bewegt, bis die Spitze 4b' des Bolzens 4b in den
Schmelz/Prägeraum 13 eintritt. Spätestens dann wird dem Formprägewerkzeug
11 über den Lichtwellenleiter 12 die vom Lasergenerator 6 erzeugte Laserstrah
lung zugeführt, welche bewirkt, daß der aus schmelzfähigem Material bestehende
Bolzen 4b zu schmelzen beginnt. Das Formprägewerkzeug 11 wird dann so lange
weiterbewegt, bis es die zur Erzeugung des gewünschten Profils des Prägekopfs
erforderliche Position erreicht hat. Dann wird die Laserstrahlung abgeschaltet.
Optional kann noch vorgesehen sein, daß das Formprägewerkzeug 11 nach dem
Schmelzen/Prägen des Bolzens 4b zum Prägekopf durch eine in der Figur nicht
gezeigte Kühleinrichtung gekühlt wird, um das Auskühlen zu beschleunigen.
Die in Fig. 1 rechte, zweite Prägeeinheit 20 unterscheidet sich von der ersten
Prägeeinheit 10 - wie bereits erwähnt - im wesentlichen dadurch, daß sie nicht
nur ein, sondern drei Prägewerkzeuge 21a-21c aufweist, die wie das Prägewerk
zeug 11 aufgebaut und daher nicht mehr näher beschrieben sind. Um nun das
von einem dem Lichtwellenleiter 12 entsprechenden Lichtwellenleiter 22 zuge
führte Laserlicht gleichzeitig allen dreien Prägewerkzeugen 21a-21c zuführen zu
können, ist ein Strahlenteiler 25 vorgesehen, der die ihm zugeführte Laserstrah
lung in drei Teilstrahlen aufspaltet, die dann über weitere Lichtwellenleiter
23a-23c den Formprägewerkzeugen 21a-21c zuführbar sind. Die vorzugsweise in
einem gemeinsamen Halter 30 angeordneten Formprägewerkzeuge 21a-21c der
zweiten Prägeeinheit 20 erlauben es dann, daß gleichzeitig drei Bolzen 4a-4c
formgeprägt werden können, wodurch eine Erhöhung der Taktzeit erzielbar ist.
Um nun auch Werkstücke mit einer nicht-ebenen Oberflächengeometrie formprä
gen zu können, kann optional vorgesehen sein, daß die einzelnen Prägewerk
zeuge 21a-21c in ihrer Vorschubrichtung entsprechend der Oberflächengeome
trie des Werkstücks zueinander versetzt angeordnet sind.
Zum Formprägestempel 14 des Formprägewerkzeugs 11, 21a-21d ist noch aus
zuführen, daß dieser derart transparent für die verwendete Wellenlänge der La
serstrahlung ausgeführt sein muß daß es möglich ist, die Laserstrahlung von der
Fokussieroptik 16 zum Schmelz/Prägeraum 13 zu leiten. Dies kann z. B. dadurch
erreicht werden, daß - wie bei der ersten Ausführungsform der Fig. 1 - der ge
samte Formprägestempel 14 aus einem derart transparenten Material ausgebil
det ist.
Es ist aber auch möglich, daß der Formprägestempel 14 nur einen vom Ausgang
der Fokussieroptik 16 zum Schmelz/Prägeraum 13 führenden Kanal 14' aufweist,
der die entsprechenden optischen Eigenschaften besitzt. Ein derartiger Formprä
gestempel 14 ist in Fig. 2 dargestellt. Der für die Wellenlänge der
Laserstrahlung transparente Kanal 14' ist dabei vorzugsweise von einem nicht
transparenten Material umgeben, in dem z. B. Kühlelemente wie Kühlkanäle zur
Kühlung des Formprägestempels 14 angeordnet sind.
Vorzugsweise ist vorgesehen, daß das Formprägewerkzeug 11 nach Beendigung
des formgebenden Schmelz- und Prägevorganges unter Druck auf dem formge
prägten Material verbleibt, bis dieses ausgekühlt ist. Die Verfestigung des Präge
kopfs unter der Einwirkung von Druck bewirkt, daß in vorteilhafter Art und Weise
eine höhere Formprägequalität als mit den bekannten Vorrichtungen erzielbar ist.
Abschließend ist aufzuführen, daß die gezeigte Vorrichtung 1 in vorteilhafter Art
und Weise ein vibrationsarmes und daher besonders materialschonendes Form
prägen von schmelzfähigen Materialien ermöglicht, so daß auch filigrane oder vi
brationsempfindliche Bauteile miteinander verbunden werden können.
Claims (16)
1. Vorrichtung zum Formprägen eines schmelzfähigen Materials, die mindestens
eine Prägeeinheit (10; 20) mit mindestens einem Formprägewerkzeug (11;
21a-21c) aufweist, dem die zum Schmelzen des Materials (4a-4c) erforderli
che Energie zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß dem mindestens ei
nen Prägewerkzeug (11; 21a-21c) diese Schmelzenergie durch eine von ei
nem Lasergenerator (6) erzeugte Laserstrahlung zuführbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens
eine Formprägewerkzeug (11; 21a-21c) einen Prägestempel (14) mit einem
Schmelz/Prägeraum (13) aufweist, dem die Laserstrahlung zuführbar ist.
3. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Formprägewerkzeug (11; 21a-21c) eine Fokussieroptik (16)
aufweist, der über einen Lichtwellenleiter (12; 22) die Laserstrahlung zuführ
bar ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellen
leiter (12; 22) ein Glasfaserleiter ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Prägeeinheit (20) mehrere Formprägewerkzeuge (21a-21c)
aufweist, daß jedes der Formprägewerkzeuge (21a-21c) über einen Lichtwel
lenleiter (23a-23c) mit einem Strahlenteiler (25) verbunden ist, und daß der
Strahlenteiler (25) über einen Lichtwellenleiter (22) mit dem Lasergenerator
(6) verbunden ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Prägeeinheit (10; 20) durch eine Positioniereinheit (15) re
lativ zum formzuprägenden Material (4a-4c) bewegbar ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Positio
niereinheit (15) eine elektrisch oder elektronisch von einer Steuereinheit (6a)
gesteuerte Vorschubeinheit ist.
8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Formstempel (14) des Formprägewerkzeugs (11; 21a-21c)
ein für die Wellenlänge der Laserstrahlung transparenter Formprägestempel
(14) ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Formpräge
stempel (14) einen Kanal (14') aufweist, durch den die Laserstrahlung von der
Fokussieroptik (16) zum Schmelz/Prägeraum (13) leitbar ist.
10. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Formprägewerkzeuge (21a-21c) der Prägeeinheit (20) in
Vorschubrichtung der Positioniereinheit (15) gegeneinander versetzt ange
ordnet sind.
11. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Vorrichtung (1) eine Kühleinrichtung für mindestens eines
der Formprägewerkzeuge (11; 21a-21c) aufweist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Formpräge
stempel (14) Kühlelemente in einem den Kanal (14') umgebenden Bereich
aufweist.
13. Verfahren zum Formprägen eines schmelzfähigen Materials (4a-4c), bei dem
einem Formprägewerkzeug (11; 21a-21c) einer Prägeeinheit (10; 20) die zum
Schmelzen des formzuprägenden Materials (4a-4c) erforderliche Schmelze
nergie zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß diese Schmelzenergie in
Form von Laserstrahlung derart zugeführt wird, daß die Laserstrahlung in ei
nem Schmelz/Prägeraum (13) des Prägewerkzeugs (11; 21a-21c) konzen
triert wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß zum Formprägen
des schmelzfähigen Materials (4a-4c) die Prägeeinheit (11; 20) von einer Po
sitioniereinrichtung (15) auf dieses (4a-4c) zubewegt wird, bis das formzuprä
gende Material (4a-4c) in den Schmelz/Prägeraum (13) des Formprägewerk
zeugs (11; 21a-21c) eintritt, daß spätestens zu diesem Zeitpunkt dem Präge
werkzeug (11; 21a-21c) die Laserstrahlung zugeführt wird, und daß zur Aus
bildung des zu erzielenden Profils der Formprägung (4a) das Formprägewerk
zeug (11; 21a-21c) weiterbewegt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet,
daß nach Beendigung des Formprägevorgangs die Laserstrahlung abge
schaltet und das Formprägewerkzeug (11; 21a-21c) nach dem Abschalten
der Laserstrahlung auf dem Material (4a-4c) unter Druck gehalten wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Formpräge
werkzeug (11; 21a-21c) gekühlt wird.
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