DE19958231A1 - Contactless bending of thermoplastic plastic components, comprises directing focussed energy source at either upper or lower face and cooling - Google Patents

Contactless bending of thermoplastic plastic components, comprises directing focussed energy source at either upper or lower face and cooling

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Abstract

Contactless bonding of a thermoplastic plastic component (T), comprises directing a strongly converging an energy beam (ES) on the component. Depending on where the focal point (FP) of the beam is (i.e. close to the side facing to, or away, from the energy source) the plastic is locally melted. As it cools, a temperature gradient is formed, which bends the plastic. Contactless bonding of a thermoplastic plastic component, comprises directing a strongly converging an energy beam on the component. The focal point of the beam is close to, or at, the component upper side (O) facing the energy source. The plastic is locally melted as it absorbs the applied energy, and, during cooling, bends towards the beam source due to the temperature gradient in the material. If the focal point of the beam is at or close to the underside of the component it bends away from the energy source on cooling. An Independent claim is made for a thermoplastic plastic component which is bent using the claimed process.

Description

Aus der EP-B-0 317 830 ist ein Verfahren zum Biegen eines Ge­ genstandes aus Metall durch lokales Erhitzen und anschließen­ des Abkühlen des Gegenstandes bekannt. Dabei wird zum Biegen des plattenförmigen Gegenstandes ein Laserstrahl über die Oberfläche im gewünschten Biegebereich geführt. Bei diesem Vorgang wird die Laserstrahlleistung in der Oberfläche des Gegenstandes absorbiert und es bildet sich aufgrund der Wär­ meleitfähigkeit des Metalls ein Temperaturgradient im Volumen des Gegenstandes aus. Bei genügend hoher Laserstrahlleistung wird somit der Gegenstand dem Gradienten entsprechend unter­ schiedlich stark aufgeschmolzen. Beim Aufschmelzen tritt eine Volumenvergrößerung auf und das schmelzflüssige Material wird nach oben verdrängt. Beim Erkalten tritt eine Volumenverklei­ nerung auf. Da das Material dann jedoch nicht mehr plastisch ist, werden durch die unterschiedlichen Schrumpfungen mecha­ nische Kräfte induziert, die dazu führen, daß sich der plat­ tenförmige Gegenstand zum Laserstrahl hin verbiegt.EP-B-0 317 830 describes a method for bending a Ge metal object by local heating and connection the cooling of the object is known. It is used for bending of the plate-shaped object, a laser beam over the Surface guided in the desired bending area. With this Process is the laser beam power in the surface of the Absorbs the object and it forms due to the heat conductivity of the metal is a temperature gradient in volume of the object. With sufficiently high laser beam power the object is thus under the gradient melted differently. One occurs when melting Volume increase and the molten material becomes displaced upwards. A volume reduction occurs when cooling on. However, since the material is no longer plastic is due to the different shrinkages mecha nical forces induced that lead to the plat bend the ten-shaped object towards the laser beam.

Aus der DE-C-29 18 100 ist die Anwendung des vorstehend ge­ schilderten Biegeverfahrens zum Justieren von feinwerktechni­ schen Teilen bekannt. Dabei wird beispielsweise zum Justieren einer Kontaktfeder ein Laserstrahl auf die Oberfläche der Kontaktfeder fokussiert, so daß im Fokus eine Schmelzzone entsteht, die nach dem Abkühlen eine Biegung der Kontaktfeder zum Laserstrahl hin bewirkt. Durch verschiedene Geometrien der aufgebrachten Schmelzzonen, z. B. überlappte Schmelzzonen, Schmelzzonen quer zur Feder, längs der Federränder oder be­ liebiger anderer Geometrien, können unterschiedlich starke Verformungen der Blattfeder hervorgerufen werden. From DE-C-29 18 100 is the application of the ge above described bending process for adjusting Feinwerktechni known parts. It is used for adjustment, for example a contact spring a laser beam on the surface of the Focused contact spring, so that in focus a melting zone arises which, after cooling, bends the contact spring caused towards the laser beam. Through different geometries the applied melting zones, e.g. B. overlapped melting zones, Melting zones across the spring, along the edges of the spring or be other geometries, can have different strengths Deformations of the leaf spring are caused.  

Versuche, ein derartiges Biegen oder Justieren von Teilen aus Metall aus Teile aus Kunststoff zu übertragen, sind bislang gescheitert, da die gängigen Kunststoffe entweder eine hohe optische Absorption aufweisen oder für Energiestrahlen trans­ parent sind. Im letzteren Fall gibt es keinen Effekt, im er­ sten Fall wird die Energiestrahlleistung in die Oberfläche der Teile eingekoppelt. Da Kunststoff im Vergleich zu Metall eine um mehrere Größenordnungen geringere Temperaturleitzahl besitzt, kann sich im Kunststoff in kurzer Zeit kein zum Bie­ gen notwendiger Temperaturgradient ausbilden. Die Temperatur­ leitzahl für Polypropylen beträgt beispielsweise 0,002 cm2/s, während die Temperaturleitzahl für Molybdän 0,48 cm2/s be­ trägt. Hinzu kommt, daß bei Kunststoffen der Unterschied zwi­ schen Schmelzpunkt und Flammpunkt sehr gering ist, d. h. ein Energiestrahl bewirkt eine Verbrennung oder Zersetzung des Kunststoffes an der Oberfläche, bevor eine zum Biegen erfor­ derliche Temperaturerhöhung in unteren Lagen auftritt.Attempts to transfer such bending or adjustment of metal parts from plastic parts have so far failed because the conventional plastics either have a high optical absorption or are transparent to energy rays. In the latter case there is no effect, in the first case the energy beam power is coupled into the surface of the parts. Since plastic has a temperature order of magnitude lower than that of metal by several orders of magnitude, no temperature gradient necessary for bending can develop in plastic in a short time. The temperature index for polypropylene is, for example, 0.002 cm 2 / s, while the temperature index for molybdenum is 0.48 cm 2 / s. In addition, the difference between the melting point and flash point of plastics is very small, ie an energy beam causes a combustion or decomposition of the plastic on the surface before a necessary temperature increase in the lower layers occurs for bending.

Der in den Ansprüchen 1, 2 und 9 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Verfahren zum berührungslosen Bie­ gen von Teilen aus Kunststoff durch lokales Aufschmelzen und anschließendes Abkühlen zu schaffen.The invention specified in claims 1, 2 and 9 lies based on the problem of a method for contactless bending of plastic parts by local melting and then cooling.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß Teile aus einem thermoplastischen Kunststoff dann berührungslos gebogen werden können, wenn es gelingt, in Richtung eines Energie­ strahls einen Temperatur- bzw. Schmelzvolumengradienten im Kunststoff auszubilden. In diesem Fall kann dann der Biege­ vorgang analog zum Mechanismus beim berührungslosen Biegen von Teilen aus Metall ablaufen. Dazu muß ein stark konvergie­ render Energiestrahl verwendet werden, dessen Fokuspunkt nicht in die Mitte der Teile, sondern auf oder in die Nähe der Oberseite oder der Unterseite gelegt wird. Hierdurch bil­ det sich trotz der geringen Temperaturleitfähigkeit ein Gra­ dient bezüglich der Temperatur bzw. bezüglich des Schmelzvo­ lumens aus und die Teile verbiegen sich je nach Lage des Fo­ kuspunktes zum Energiestrahl hin oder vom Energiestrahl weg. The invention is based on the knowledge that parts are made of a thermoplastic is then bent without contact can, if it succeeds, towards an energy radiates a temperature or melt volume gradient in the Train plastic. In this case the bend can then process analogous to the mechanism for non-contact bending of metal parts. This requires a strong convergence render energy beam used, its focus point not in the middle of the parts, but on or near the top or bottom. Hereby bil despite the low temperature conductivity, a gra serves with regard to the temperature or the melting rate lumens and the parts bend depending on the location of the Fo point to the energy beam or away from the energy beam.  

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den An­ sprüchen 3 bis 8 angegeben.Advantageous embodiments of the invention are in the An say 3 to 8.

Die Ausgestaltung nach Anspruch 3 begünstigt die Ausbildung eines Gradienten bezüglich der Temperatur und damit auch be­ züglich des Schmelzvolumens. Die Beimengung von die Energie­ strahlung absorbierenden Additiven zum Kunststoff gemäß An­ spruch 4 kann die Ausbildung eines Temperatur- bzw. Schmelz­ volumengradienten weiter begünstigen. Die optische Absorption der verwendeten Energiestrahlung sollte dabei so eingestellt werden, daß sie sich über das Volumen nur wenig ändert, d. h. die Transmission sollte relativ groß sein. Gemäß Anspruch 5 werden dabei als Additive vorzugsweise Farbstoffe und/oder Pigmente und/oder faserförmige Füllstoffe verwendet.The embodiment according to claim 3 favors the training a gradient with respect to the temperature and thus also be regarding the melting volume. The addition of the energy radiation-absorbing additives to the plastic according to An saying 4 can the formation of a temperature or melting further favor volume gradients. The optical absorption the energy radiation used should be set so that it changes little over volume, i.e. H. the transmission should be relatively large. According to claim 5 Dyes and / or are preferably used as additives Pigments and / or fibrous fillers used.

Die Ausgestaltung nach Anspruch 6 ermöglicht eine Auswahl von Kunststoffen mit thermoplastischen Eigenschaften, die für das berührungslose Biegen besonders gut geeignet sind.The embodiment according to claim 6 enables a selection of Plastics with thermoplastic properties that are used for non-contact bending are particularly suitable.

Die Weiterbildung nach Anspruch 7 betrifft den Einsatz von Lasern, die sich beim berührungslosen Biegen oder Justieren von Teilen aus Metall bereits sehr gut bewährt haben. Dabei werden die im Anspruch 9 aufgeführten Laserarten, die im In­ fraroten oder im sichtbaren Bereich emittieren, bevorzugt. Im Falle von Lasern, die im Infraroten emittieren, kann die er­ forderliche Transmission durch die Zugabe von Farbstoffen und/oder Pigmenten als Additive so eingestellt werden, daß die Teile für das menschliche Auge vorgebbare Farbtöne oder Helligkeiten aufweisen. Selbst vollkommen schwarze Teile kön­ nen dabei die für das Biegen erforderlichen optischen Trans­ missionseigenschaften aufweisen.The training according to claim 7 relates to the use of Lasers that are used for non-contact bending or adjustment of metal parts have already proven themselves very well. there the laser types listed in claim 9, which are described in In emit red or in the visible range, preferred. in the In the case of lasers that emit in the infrared, he can required transmission through the addition of dyes and / or pigments as additives are adjusted so that the parts which can be predetermined by the human eye or Have brightness. Even completely black parts can NEN the optical trans required for bending have mission characteristics.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dar­ gestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen: Embodiments of the invention are shown in the drawing and are described in more detail below. Show it:  

Fig. 1 eine erste Möglichkeit der Erzeugung eines Tempera­ turgradienten in einem Teil aus Kunststoff, Fig. 1 shows a first possibility of generating a temperature gradients in a part made of plastic,

Fig. 2 die unterschiedlichen Schrumpfungen des gemäß Fig. 1 aufgeschmolzenen Materials beim Abkühlen, Fig. 2 shows the different shrinkages of the FIG. 1 melted material upon cooling,

Fig. 3 eine zweite Möglichkeit der Erzeugung eines Tempe­ raturgradienten in einem Teil aus Kunststoff und Fig. 3 shows a second way of generating a temperature gradient in a part made of plastic and

Fig. 4 die unterschiedlichen Schrumpfungen des gemäß Fig. 3 aufgeschmolzenen Materials beim Abkühlen. Fig. 4 shows the different shrinkages of the melted material according to Fig. 3 when cooling.

Bei der in Fig. 1 dargestellten ersten Möglichkeit zur Er­ zeugung eines Temperaturgradienten wird ein Energiestrahl ES, bei welchem es sich um einen Laserstrahl handelt, über eine Linse L auf die Oberseite O eines Teils T aus thermoplasti­ schem Kunststoff gerichtet. Die Unterseite des Teils T ist mit U bezeichnet. Der Fokuspunkt FP des stark konvergierenden Energiestrahls ES liegt dabei auf der Oberseite O des Teils T. Durch den stark konvergenten Energiestrahl ES ergibt sich im Teil T ein Temperaturgefälle mit der höchsten Temperatur an der Oberseite O. Durch diesen Gradienten bezüglich der Temperatur ergibt sich dann auch ein entsprechender Gradient bezüglich des Schmelzvolumens. Der mit α bezeichnete Winkel in der Strahltaille des Energiestrahls ES sollte dabei größer als 20° sein und beispeilsweise 30° betragen. Der Fokuspunkt FP muß zur Erzielung des gewünschten Effektes nicht unbedingt auf der Oberseite O des Teils T liegen, er darf auch in der Nähe der Oberseite O liegen, wobei die Abweichung in beiden Richtungen jedoch nicht mehr als 20% der Dicke des Teils T betragen sollte.In the first possibility shown in FIG. 1 for generating a temperature gradient, an energy beam ES, which is a laser beam, is directed via a lens L onto the upper side O of a part T made of thermoplastic plastic. The underside of part T is labeled U. The focal point FP of the strongly converging energy beam ES lies on the upper side O of the part T. The strongly convergent energy beam ES results in a temperature gradient in the part T with the highest temperature on the upper side O. This gradient with respect to the temperature then also results a corresponding gradient with regard to the melting volume. The angle denoted by α in the beam waist of the energy beam ES should be greater than 20 ° and, for example, be 30 °. The focal point FP does not necessarily have to lie on the upper side O of the part T in order to achieve the desired effect, it may also be in the vicinity of the upper side O, but the deviation in both directions should not be more than 20% of the thickness of the part T. .

Durch die anhand der Fig. 1 geschilderte Erzeugung eines Temperaturgradienten wird das Material in der in Fig. 2 durch die Schmelzzone SZ aufgezeigten Form aufgeschmolzen und nach oben verdrängt, wobei zwei langgestreckte Wulste an der Oberseite O entstehen. Beim Erkalten werden durch die Pfeile PF1 angedeutete Schrumpfspannungen erzeugt, die ihrerseits dazu führen, daß sich das Teil T in Richtung der Pfeile PF2 verbiegt. Das Teil T wird beim Abkühlen also zum Energie­ strahl ES hin verbogen.Due to the generation of a temperature gradient described with reference to FIG. 1, the material in the form shown in FIG. 2 by the melting zone SZ is melted and displaced upwards, two elongate beads being formed on the upper side O. During cooling, the shrinkage stresses indicated by the arrows PF1 are generated, which in turn cause the part T to bend in the direction of the arrows PF2. The part T is thus bent towards the energy beam ES during cooling.

Mit der in Fig. 3 dargestellten zweiten Möglichkeit zur Er­ zeugung eines Temperaturgradienten wird ein Energiestrahl ES, bei welchem es sich wieder um einen Laserstrahl handelt, über eine Linse L auf die Oberseite O eines Teiles T aus ther­ moplastischem Kunststoff gerichtet. Der Fokuspunkt FP des stark konvergierenden Energiestrahls ES liegt hierbei auf der Unterseite U des Teils T. Durch den stark konvergenten Ener­ giestrahl ES ergibt sich im Teil T ein Temperaturgefälle mit der höchsten Temperatur an der Unterseite U. Durch diesen Gradienten bezüglich der Temperatur ergibt sich dann auch ein entsprechender Gradient bezüglich des Schmelzvolumens. Der mit α bezeichnete Winkel in der Strahltaille des Energie­ strahls ES sollte dabei größer als 20% sein und beispielswei­ se 30° betragen. Der Fokuspunkt FP muß zur Erzielung des ge­ wünschten Effekts nicht unbedingt auf der Unterseite U des Teils T liegen, er darf auch in der Nähe der Unterseite U liegen, wobei die Abweichung in beiden Richtungen jedoch nicht mehr als 20% der Dicke des Teils T betragen sollte.With the second possibility shown in FIG. 3 for generating a temperature gradient, an energy beam ES, which is again a laser beam, is directed via a lens L onto the upper side O of a part T made of thermoplastic. The focus point FP of the strongly converging energy beam ES lies on the underside U of the part T. The strongly convergent energy beam ES results in a temperature gradient in the part T with the highest temperature on the underside U. This gradient with respect to the temperature then results also a corresponding gradient with regard to the melting volume. The angle designated α in the beam waist of the energy beam ES should be greater than 20% and be 30 °, for example. The focus point FP does not necessarily have to be on the underside U of the part T in order to achieve the desired effect, it may also be close to the underside U, the deviation in both directions, however, not being more than 20% of the thickness of the part T. should.

Durch die anhand der Fig. 3 geschilderte Erzeugung eines Temperaturgradienten wird das Material in der in Fig. 4 durch die Schmelzzone SZ aufgezeigten Form aufgeschmolzen und nach unten verdrängt, wobei zwei langgestreckte Wulste an der Unterseite U entstehen. Beim Erkalten werden durch die Pfeile PF1 angedeutete Schrumpfspannungen erzeugt, die ihrerseits dazu führen, daß sich das Teil T in Richtung der Pfeile PF2 verbiegt. Das Teil wird hier also beim Abkühlen vom Energie­ strahl ES weg verbogen.Due to the generation of a temperature gradient described with reference to FIG. 3, the material in the form shown in FIG. 4 by the melting zone SZ is melted and displaced downward, two elongate beads being formed on the underside U. During cooling, the shrinkage stresses indicated by the arrows PF1 are generated, which in turn cause the part T to bend in the direction of the arrows PF2. The part is therefore bent away from the energy beam ES when it cools down.

Das vorstehend anhand der Fig. 1 bis 4 erläuterte Verfah­ ren zum berührungslosen Biegen von Teilen aus Kunststoff mit thermoplastischen Eigenschaften kann beispielsweise zum Ju­ stieren von Relaisfenstern aus Kunststoff, zum Justieren von Videoköpfen oder zum Justieren von Lichtwellenleitern in Be­ zug auf Linsen oder Dioden eingesetzt werden.The above explained with reference to FIGS . 1 to 4 procedural ren for contactless bending of plastic parts with thermoplastic properties can be used for example for Ju relay windows made of plastic, for adjusting video heads or for adjusting optical fibers in relation to lenses or diodes .

Claims (9)

1. Verfahren zum berühungslosen Biegen von Teilen (T) aus ei­ nem Kunststoff mit thermoplastischen Eigenschaften durch lo­ kales Aufschmelzen mit Hilfe eines Energiestrahls (ES) und anschließendes Abkühlen, wobei ein stark konvergierender Energiestrahl (ES) verwendet wird, Fokuspunkt (FP) auf oder in der Nähe der dem Energiestrahl (ES) zugewandten Oberseite (O) der Teile (T) liegt, und wobei der Kunststoff durch Ab­ sorptionswärme derart lokal aufgeschmolzen wird, daß sich die Teile (T) beim Abkühlen zum Energiestrahl (ES) hin verbiegen.1. Method for contactless bending of parts (T) from egg nem plastic with thermoplastic properties through lo kale melting with the help of an energy beam (ES) and then cooling, being a strongly converging Energy beam (ES) is used, focus point (FP) on or near the top facing the energy beam (ES) (O) of the parts (T), and wherein the plastic by Ab sorption heat is melted so locally that the Bend parts (T) towards the energy beam (ES) when cooling. 2. Verfahren zum berührungslosen Biegen von Teilen (T) aus einem Kunststoff mit thermoplastischen Eigenschaften durch lokales Aufschmelzen mit Hilfe eines Energiestrahls (ES) und anschließendes Abkühlen, wobei ein stark konvergierender Energiestrahl (ES) verwendet wird, dessen Fokuspunkt (FP) auf oder in der Nähe der dem Energiestrahl abgewandten Unterseite (U) der Teile (T) liegt, und wobei der Kunststoff durch Ab­ sorptionswärme lokal aufgeschmolzen wird, daß sich die Teile beim Abkühlen vom Energiestrahl (ES) weg verbiegen.2. Method for non-contact bending of parts (T) a plastic with thermoplastic properties local melting using an energy beam (ES) and then cooling, being a strongly converging Energy beam (ES) is used, the focus point (FP) on or near the underside facing away from the energy beam (U) of the parts (T), and wherein the plastic by Ab sorption heat is melted locally that the parts bend away from the energy beam (ES) when cooling. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Energiestrahl (ES) verwendet wird, des­ sen Winkel (α) in der Strahltaille größer als 20° ist.3. The method according to claim 1 or 2, characterized records that an energy beam (ES) is used, the sen angle (α) in the beam waist is greater than 20 °. 4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß dem Kunststoff die Ener­ giestrahlung absorbierende Additive beigemengt werden.4. The method according to any one of the preceding claims characterized in that the plastic the Ener Additives absorbing radiation are added. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß als Additive Farbstoffe und/oder Pigmente und/oder faserförmige Füllstoffe verwendet werden. 5. The method according to claim 4, characterized in net that as additives dyes and / or pigments and / or fibrous fillers are used.   6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß Teile (T) aus PP, PS, SAN, ABS, PVC, PA, PMMA, PC oder PAN verwendet werden.6. The method according to any one of the preceding claims, since characterized in that parts (T) made of PP, PS, SAN, ABS, PVC, PA, PMMA, PC or PAN can be used. 7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Energie­ strahls (ES) ein Laser verwendet wird.7. The method according to any one of the preceding claims characterized in that to generate the energy beam (ES) a laser is used. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß zur Erzeugung des Energiestrahls (ES) ein Dioden­ laser, ein Nd:YAG-Laser, ein Seltene-Erden-Laser, ein Argo­ nionenlaser, ein Kryptonionenlaser oder ein Helium-Neon-Laser verwendet wird.8. The method according to claim 7, characterized in net that a diode for generating the energy beam (ES) laser, an Nd: YAG laser, a rare earth laser, an Argo ion laser, a krypton ion laser or a helium-neon laser is used. 9. Teil (T) aus einem Kunststoff mit thermoplastischen Eigen­ schaften, dadurch gekennzeichnet, daß es nach einem der Ansprüche 1 bis 8 gebogen oder justiert ist.9. Part (T) made of a plastic with its own thermoplastic shafts, characterized in that according to a of claims 1 to 8 is bent or adjusted.
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