DE19811612C1

DE19811612C1 - Portal für Positionier- und Bestücksysteme und Verfahren zur Herstellung von Portalen

Info

Publication number: DE19811612C1
Application number: DE19811612A
Authority: DE
Inventors: Mohammad Dipl Ing Mehdianpour; Bernd F Dipl Ing Scholl; Helmut Dipl Ing Macht; Peter Dipl Ing Drexel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1998-03-17
Filing date: 1998-03-17
Publication date: 1999-02-25
Anticipated expiration: 2018-03-18
Also published as: US6428907B1; EP1070151A1; DE59905334D1; EP1070151B1; CN1293715A; WO1999047717A1; KR20010041889A; JP2002506744A

Description

Bei Positionier- und Bestücksystemen, wie z. B. SMD (surface mounted device)- Bestückautomaten muß die Positioniereinheit in X- und Y-Richtung verfahren werden. Für die X-, Y- Posi tionierachsen wird hierbei eine raumsparende Portalbauweise bevorzugt, bei welcher das Portal selbst beispielsweise in X-Richtung verfahrbar ist, während eine im horizontalen Bereich des Portals angeordnete Schlitteneinheit das Verfahren der daran befestigten Positioniereinheit in Y-Richtung ermög licht. Um für derartige Portale hohe Beschleunigungen mit ge ringen Antriebs- bzw. Bremsleistungen zu erreichen, ist die bewegte Masse möglichst gering zu halten. Andererseits ergibt sich jedoch die Notwendigkeit, die Portale biege- und verwin dungssteif zu gestalten.

Biege- und verwindungssteife Portale für Positionier- und Be stücksysteme werden meist als Schweißkonstruktionen, als Edelstahl-Feinguß-Konstruktion oder als Verbund aus Edel stahl-Feinguß- und Schweißteilen hergestellt. Des weiteren werden Aluminium-Strangpreßprofile, Aluminium-Gußteile und Keramikwerkstoffe sowie Faserverbundstoffe wie glasfa ser- oder kohlefaserverstärkte Laminate eingesetzt.

Bei der Herstellung der biege- und verwindungssteifen Portale durch Feingießen werden zunächst entsprechende Modelle be reitgestellt, wobei diese sogenannten "verlorenen" Modelle meist aus Wachsen, thermoplastischen Werkstoffen, Harnstoff oder deren Gemischen bestehen.

Aus CH 686 251 ist ein Verfahren zur Herstellung von leich ten, biege- und verwindungssteifen Portalen, insbesondere von Portalen in Bestückautomaten, bekannt, bei dem aus einem schmelzbaren, auslösbaren und/oder ausbrennbaren Werkstoff ein Modell hergestellt wird, das anschließend durch Beschich ten mit einem Keramikschlicker und anschließendes Trocknen mit einer keramischen Schale versehen wird. Nach Entfernung des Modells, beispielsweise durch Ausschmelzen, wird das Por tal durch Brennen fertiggestellt. Nachteilig beim Einsatz von keramischen Werkstoffen sind zum einen der Mangel an geeigne ten, preiswerten Verbindungstechniken von keramischen Porta len untereinander sowie mit Portalen auf einer anderen bei spielsweise metallischen Materialbasis und zum anderen die hohe Sprödigkeit von keramischen Material, die unter Bela stung leicht zum Zerbrechen eines Portals führen kann.

Leichte, biegefeste Materialien auf der Basis von Metall schäumen sind ebenfalls bekannt. Aus DE 42 06 303 ist ein Verfahren zur Herstellung von Metallschaumkörpern bekannt, bei dem ein Metallpulver mit einem Treibmittelpulver gemischt wird, das Pulvergemisch in einem Rezipienten auf eine erhöhte Temperatur gebracht und durch eine Matrize hindurch strangge preßt wird. Nachfolgend wird das Strangpreßteil durch Erwär men unter Zersetzung des Treibmittelpulvers aufgeschäumt und als fertiger Schaumkörper abgekühlt.

Aus DE 195 01 508 ist ein Bauteil für das Fahrwerk eines Kraftfahrzeuges und ein Verfahren zur Herstellung eines sol chen Bauteils bekannt, wobei das Bauteil aus Aluminiumdruck guß besteht und ein Hohlraumprofil aufweist, in dessen Hohl raum sich ein Kern aus Aluminiumschaum befindet.

Durch die schaumartige Struktur der Portale ist es allerdings schwierig, lösbare Verbindungen zwischen diesen Portalen und anderen Portalen zu realisieren. In den Metallschaum eingear beitete Halbzeuge halten im allgemeinen eine starke Zug- oder Verwindungsspannung nicht aus, da aufgrund der Struktur des Metallschaums die Kontaktfläche zum Halbzeug reduziert ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein flexibles Ver fahren zur Herstellung von Portalen zu schaffen, wobei diese Portale einerseits eine möglichst hohe Biege- und Verwin dungssteifigkeit und andererseits ein möglichst geringes Ge wicht aufweisen sollen. Das Verfahren soll dabei insbesondere für die Herstellung leichter, biege- und verwindungssteifer Portale für Positionier- und Bestücksysteme geeignet sein.

Diese Aufgabe wird gemäß der Merkmale der Ansprüche 1 und 2 sowie 9 und 10 gelöst.

Wie das Feingießen bietet auch das erfindungsgemäße Verfahren die Möglichkeit zu optimalem Gestalten, wobei insbesondere die konstruktiven Erfordernisse für eine hohe Biege- und Ver windungssteifigkeit berücksichtigt werden können.

So ist ein Portal aus dem Verbundmaterial: Metallschaum/me tallisches oder keramisches Material nicht hohl, wie Gußteile aus Stahl, Aluminium oder Keramik, sondern als Vollmaterial zu betrachten, und es besitzt eine hohe Verwindungssteifig keit und federt bei Beschleunigungen nicht nach.

Dabei sind sowohl Kerne aus Metallschaum, die mit nicht ge schäumtem Werkstoff umgeben sind nach Anspruch 1 oder 9 als auch Kerne aus nicht geschäumten Werkstoff als Kern, die mit einer Mantelschicht aus Metallschaum umgeben sind nach An spruch 2 oder 10 realisierbar, was zu einer großen Flexibili tät in der Gestaltung der Portale führt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.

So sehen die Ausgestaltungen nach Anspruch 3 und nach An spruch 11 vor, statt einem Kern mehrere Kerne gemeinsam mit der Mantelschicht zu umgeben, was eine flexiblere Gestaltung des Portals unter Beibehaltung einer Standardform für Kerne erlaubt. Außerdem entstehen zwischen den Kernen Trennwände aus Vollmaterial, wodurch die Steifigkeit des Portals erhöht wird. Bei herkömmlich Sandgußverfahren sind solche Trennwände nicht realisierbar, da der Sand nach dem Guß wieder entfernt werden muß.

Die vorteilhafte Ausgestaltung des Portals nach Anspruch 4 und des Herstellungsverfahrens nach Anspruch 15 erlaubt eine weitere Flexibilität in der Gestaltung des Portals durch die Verwendung von Mehrschichtstrukturen, wobei sich Metallschäu me und nicht geschäumte Werkstoffe abwechseln.

Halbzeuge sind nach Anspruch 5 bzw. Anspruch 14 zumindest teilweise im nicht geschäumten Werkstoff angeordnet. Dadurch ergibt sich eine feste Verbindung vom Halbzeug im Portal und damit sind einfache Verbindungen des Portals mit weiteren Portalen realisierbar. So lassen sich beispielsweise Gewinde umgießen, die dann für Schraubverbindungen eingesetzt werden oder auch rohrförmige Halbzeuge als einfache Realisierung von Kabeldurchführungen, die beim Einsatz in Bestückautomaten für die Strom- und Datenversorgung von am Portal angebrachten Be stückköpfen dienen.

Der Einsatz von Aluminium oder Aluminiumlegierungen als Me tallschaum und/oder nicht geschäumten Werkstoff nach einem der Ansprüche 6, 7, 16 oder 17 führt durch das geringe spezifi sche Gewicht von Aluminium zu besonders leichten Portalen. Das Elastizitätsmodul von Aluminium-Schaumwerkstoffen ist mit ca. 5 GPa zwar geringer als für Aluminium (69 GPa), Keramik (ca. 300 GPa) oder Stahl (ca. 210 GPa), aufgrund seiner ge ringen Dichte (300-1000 kg/m³) im Vergleich zu den anderen Materialien (Aluminium: 2700 kg/m³, Keramik: ca. 4000 kg/m³, Stahl ca. 8000 kg/m³) ergibt sich eine hohe spezifische Bie gesteifigkeit, die durch Kombination mit anderen Materialien noch verbessert wird.

Aufgrund seiner hohen Steifigkeit eignet sich in vorteilhaf ter auch ein keramischer Werkstoff als nicht geschäumter Werkstoff nach Anspruch 8 oder 13.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dar gestellt und werden im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen

Fig. 1a einen Kern aus einem Metallschaum mit einer Mantel schicht aus einem nicht geschäumten Werkstoff,

Fig. 1b und 1c einen Kern aus einem Metallschaum, der mit ei ner Mantelschicht aus einem nicht geschäumten Werkstoff umge ben ist, im Längs- und im Querschnitt

Fig. 2a einen Teil eines Portals, welches durch Umgießen meh rerer Kerne entstanden ist, mit dem dazugehörigen Längs- und Querschnitt in Fig. 2b und 2c,

Fig. 3 eine geschichtete Struktur aus Metallschaum und nicht geschäumten Werkstoffen,

Fig. 4 einen Teil eines Portals mit einer Schichtstruktur um einen Kern

Fig. 5a den Querschnitt eines Halbzeuges in einem Teil eines Portals auf Metallschaumbasis,

Fig. 5b und 5c im Querschnitt zwei Möglichkeiten ein Halbzeug in einem Portal auf der Basis eines umgossenen Metallschaums anzuordnen,

Fig. 6 einen Teil eines Portals mit umgossenen rohrförmigen Halbzeugen.

In Fig. 1 ist dargestellt, wie ein Teil eines Portals eines Positionier- und Bestücksystems 1 aus einem Kern 2 aus Me tallschaum, der mit einer Mantelschicht 3 aus einem metalli schen oder keramischen Material umgossen ist, aufgebaut ist. Zum Umgießen wird dabei ein Niederdruckgußverfahren verwen det. In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Kern 2 aus Aluminiumschaum mit Aluminium oder einer Aluminium-Legierung umgossen. Aufgrund der geringeren Dichte des Aluminiumschaums wird eine Gewichtsreduzierung gegenüber massiven aus Alumini um bestehenden Portalen erzielt. Gegenüber bekannten Verfah ren zur Gewichtsreduzierung durch Umgießen von auslösbaren Kernen verbleiben im erfindungsgemäßen Verfahren die Kerne im Portal, was die Herstellung vereinfacht.

Wie in Fig. 2 dargestellt ist, läßt sich das Verfahren variie ren, indem beispielsweise mehrere Kerne 2 aus Aluminium-Schaum werkstoff gemeinsam mit einem metallischen oder kerami schen Werkstoff 3 umgossen werden. Dadurch entstehen zwischen den Kernen 2 Trennwände 3a aus dem metallischen oder kerami schen Werkstoff 3, die eine höhere Steifigkeit des Portals sicherstellen. Bei herkömmlichen Gußverfahren mit Sandkernen sind solche Trennwände nicht herstellbar, da die Sandkerne nach dem Guß wieder durch Löcher entfernt werden müssen.

Durch mehrmaliges Anwenden der Verfahren Umgießen und Umgeben mit Metallschaum werden geschichtete Strukturen möglich, wie in Fig. 3 exemplarisch dargestellt ist. Hier ist ein Kern 2 aus Metallschaum mit einem metallischen oder keramischen Ma terial 3 umgossen worden, welches anschließend von einer wei teren Schicht 4, beispielsweise aus einem weiteren Metall schaum umgeben ist, der besonders gut Aufprallenergie absor biert.

In Fig. 4 ist dargestellt, wie ein Kern 3 aus einem nicht ge schäumten Material, wie beispielsweise ein Halbzeug oder ein Metall-Gußteil oder Metall-Strangpreßteil von einer Mantel schicht 3 aus Metallschaum umgeben ist, welcher wiederum mit einer weiteren Schicht 4 aus einem metallischen oder kerami schen Werkstoff umgossen ist. Als Halbzeuge eignen sich bei spielsweise Gewindeeinsätze oder Körper mit Montageflächen, die zur Verbindung der Portale mit anderen Bauteilen dienen.

In den Fig. 5a, 5b und 5c sind drei Möglichkeiten gezeigt, Halbzeuge in Portalen anzuordnen. In Fig. 5a ist gezeigt wie ein Halbzeug 5 von Metallschaum 6 umgeben ist. Diese Ausfüh rungsform hat den Nachteil, daß aufgrund der geringen Ober flächenhaftung zwischen Metallschaum 6 und Halbzeug 5 die Verbindung häufig nicht ausreichend belastbar ist. Höhere Be lastungen werden erzielt durch die Ausführungsform nach Fig. 5b, in der das Halbzeug 5 sowohl vom Kern 2 aus Metallschaum als auch von der Mantelschicht 3 aus metallischem oder kera mischem Material umgeben ist. Auch die Ausführungsform nach Fig. 5c, wobei das Halbzeug 5 in bekannter Weise von der Man telschicht 3 vom metallischen oder keramischen Werkstoff um geben ist und keinen Kontakt mit dem Kern 2 aus Metallschaum aufweist, ist geeignet, hohe Belastungen auszuhalten.

Das Umgeben von rohrförmigen Halbzeugen 7, wie es in Fig. 6 dargestellt ist, ermöglicht die Aufnahme von Kabeln, die in rohrförmigen Halbzeugen von einem Ende des Portals zum anderen geführt werden können, ohne die Gefahr eines Verwir rens von Kabeln beim Bewegen des Portals.

Die Erfindung umfaßt alle weiteren denkbaren Kombinationen von Metallschäumen mit metallischen und/oder keramischen Werkstoffen, die hier nicht im einzelnen dargestellt sind, aber für den Fachmann naheliegend sind. So lassen sich ge schichtete Strukturen beispielsweise auch durch Umgeben von metallischen oder keramischen Kernen mit Metallschaum und an schließendes weiteres Umgießen mit metallischen und/oder ke ramischen Werkstoffen realisieren.

Die geschilderten Verfahren eignen sich besonders zur Reali sierung von Portalen in Bestückautomaten, die besonders star ken Beschleunigungskräften ausgesetzt sind. Auch für hoch be schleunigte Bauteile an Maschinen, deren Ausschwingverhalten starken Einfluß auf Positionierdauer und Positioniergenauig keit haben, ist das Verfahren geeignet.

Der Einsatz von Aluminium oder Aluminiumlegierungen als Me tallschaum und/oder nicht geschäumten Werkstoff führt, wie bereits erwähnt, durch das geringe spezifische Gewicht von Aluminium zu besonders leichten Portalen.

Claims

1. Portal (1) für Positionier- und Bestücksysteme auf der Ba sis von metallischen Werkstoffen, dadurch gekennzeichnet, daß das Portal (1) mindestens einen Kern (2) und eine den Kern (2) umschließende Mantelschicht (3) umfaßt, wobei der Kern (2) aus einem Metallschaum eines metallischen Werkstoffs und die Mantelschicht (3) aus einem nicht geschäumten Werk stoff besteht.

2. Portal (1) für Positionier- und Bestücksysteme auf der Ba sis von metallischen Werkstoffen, dadurch gekennzeichnet, daß das Portal (1) mindestens einen Kern (2) und eine den Kern (2) umschließende Mantelschicht (3) umfaßt, wobei der Kern (2) aus einem nicht geschäumten Werkstoff und die Man telschicht (3) aus einem Metallschaum eines metallischen Werkstoffs besteht.

3. Portal (1) für Positionier- und Bestücksysteme nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Kerne (2) gemeinsam von der Mantelschicht (3) um schlossen sind.

4. Portal (1) für Positionier- und Bestücksysteme nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß um die Mantelschicht (3) im Wechsel weitere Schichten (4) aus Metallschaum und nicht geschäumten Werkstoffen angeordnet sind.

5. Portal (1) für Positionier- und Bestücksysteme nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Halbzeuge (5) zumindest teilweise im nicht geschäumten Werkstoff angeordnet sind.

6. Portal (1) für Positionier- und Bestücksysteme nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallschaum aus Aluminiumschaum oder dem Schaum ei ner Aluminiumlegierung besteht.

7. Portal (1) für Positionier- und Bestücksysteme nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der nicht geschäumte Werkstoff aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht.

8. Portal (1) für Positionier- und Bestücksysteme nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der nicht geschäumte Werkstoff aus einem keramischen Werkstoff besteht.

9. Verfahren zur Herstellung eines Portals (1) für Positio nier- und Bestücksysteme auf der Basis von metallischen Werk stoffen, dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens ein Kern (2) aus einem metallischen Schaum werkstoff gefertigt wird,
und daß der mindestens eine Kern (2) von einer Mantelschicht (3) aus nicht geschäumten Werkstoff umgeben wird.

10. Verfahren zur Herstellung eines Portals (1) für Positio nier- und Bestücksysteme auf der Basis von metallischen Werk stoffen, dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens ein Kern (2) aus einem nicht geschäumten Werk stoff gefertigt wird,
und daß der mindestens eine Kern (2) von einer Mantelschicht (3) aus einem metallischen Schaumwerkstoff umgeben wird.

11. Verfahren zur Herstellung eines Portals (1) für Positio nier- und Bestücksysteme nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet,
daß mehrere Kerne (2) gefertigt werden,
und daß die Kerne (2) gemeinsam von der Mantelschicht (3) um geben werden.

12. Verfahren zur Herstellung eines Portals (1) für Positio nier- und Bestücksysteme nach einem der Ansprüche 9 oder 11, dadurch gekennzeichnet,
daß ein metallischer Werkstoff als nicht geschäumter Werk stoff verwendet wird
und daß die Kerne (2) mittels eines Druckgußverfahrens von dem metallischen Werkstoff umgeben werden.

13. Verfahren zur Herstellung eines Portals (1) für Positio nier- und Bestücksysteme nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet,
daß ein keramischer Werkstoff als nicht geschäumter Werkstoff verwendet wird,
und daß der keramische Werkstoff anschließend gebrannt wird.

14. Verfahren zur Herstellung eines Portals (1) für Positio nier- und Bestücksysteme nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß Halbzeuge (5) gemeinsam mit den Kernen (2) mit dem metal lischen Werkstoff umgossen werden.

15. Verfahren zur Herstellung eines Portals (1) für Positio nier- und Bestücksysteme nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelschicht (3) mit weiteren Schichten (4) aus Me tallschaum und nicht geschäumten Werkstoffen im Wechsel umge ben wird.

16. Verfahren zur Herstellung eines Portals (1) für Positio nier- und Bestücksysteme nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß Aluminiumschaum oder ein Schaum auf der Basis einer Alu miniumlegierung als Metallschaum verwendet wird.

17. Verfahren zur Herstellung eines Portals (1) für Positio nier- und Bestücksysteme nach einem der Ansprüche 9 bis 12 oder 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß Aluminium oder eine Aluminiumlegierung als nicht ge schäumter Werkstoff verwendet wird.