DE4310248C2 - Verfahren zur Herstellung leichter, biege- und verwindungssteifer Portale für Positionier- und Bestücksysteme in Metall-Keramik-Verbundbauweise - Google Patents

Description

Bei Positionier- und Bestücksystemen, wie z. B. SMD-Bestückau­ tomaten muß die Positioniereinheit in X- und Y-Richtung ver­ fahren werden können. Für die X-, Y-Positionierachsen wird hierbei eine raumsparende Portalbauweise bevorzugt, bei wel­ cher das Portal selbst beispielsweise in X-Richtung verfahr­ bar ist, während eine im horizontalen Bereich des Portals angeordnete Schlitteneinheit das Verfahren der daran befe­ stigten Positioniereinheit in Y-Richtung ermöglicht. Um für derartige Portale hohe Beschleunigungen mit geringen An­ triebs- bzw. Bremsleistungen zu erreichen, ist die bewegte Masse möglichst gering zu halten. Andererseits ergibt sich jedoch die Notwendigkeit, die Portale biege- und verwindungs­ steif zu gestalten.

Biege- und verwindungssteife Werkstücke werden meist als Schweißkonstruktionen oder als Gußteile ausgeführt, wobei gegebenenfalls aber auch Profile aus Stahl oder anderen Me­ tallen eingesetzt werden können. Bei der Herstellung der biege- und verwindungssteifen Werkstücke durch Feingießen werden zunächst entsprechende Modelle bereitgestellt, wobei diese sogenannten "verlorenen" Modelle meist aus Wachsen, thermoplastischen Werkstoffen, Harnstoff oder deren Gemischen bestehen. Die Herstellung entsprechender Gießformen erfolgt dann durch wiederholtes Eintauchen der Modelle in eine zähflüssige Formkeramik und nachfolgendes Trocknen, wobei eine keramische Schale aus mehreren, fest miteinander verbundenen Schichten entsteht. Je nach Art des verwendeten Modellwerkstoffs werden die Modelle dann ausgeschmolzen, aus­ gelöst oder ausgebrannt. Anschließend wird die keramische Schale bei Temperaturen von über 1000°C gebrannt, wobei die für das nachfolgende Gießen erforderliche Festigkeit erreicht wird. Das Abgießen erfolgt in die noch heiße Formschale, wobei als Werkstoffe für das Vergießen beispielsweise Stähle verwendet werden. Nach der Entfernung bzw. Zerstörung der Formschale erfolgt eine Nachbearbeitung durch Schleifen und gegebenenfalls eine Wärmebehandlung.

Aus Patents Abstracts of Japan, C-823, 12. April 1991, Vol. 15/No. 145 bzw. der JP-24 256 A ist es bekannt, einen Kern­ draht aus einer Titan-Nickel-Legierung durch Plasmaspritzen mit einem Überzug aus Metallen, Legierungen, keramischen Ma­ terialien oder Mischungen davon zu versehen. Ziel dieser Maß­ nahme ist es, ein superelastisches Material mit überragendem Dehnungsverhalten und einer ausgezeichneten Federsteifigkeit zu erhalten.

Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein rationelles Verfahren zur Herstellung von Por­ talen für Positionier- und Bestücksysteme zu schaffen, wobei diese Portale einerseits eine möglichst hohe Biege- und Ver­ windungssteifigkeit und andererseits ein möglichst geringes Gewicht aufweisen sollen.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß bei einer Metall-Keramik-Verbundbauweise die Keramik durch ihren hohen Elastizitätsmodul in einem hohen Maße zu der geforderten Biege- und Verwindungssteifigkeit der Portale beitragen kann und gleichzeitig durch ihr geringes spezifisches Gewicht in Verbindung mit einer erheblich leichteren Bauweise des me­ tallischen Grundkörpers sich günstig auf das Gesamtgewicht des Portals auswirkt. So haben die meisten keramischen Werk­ stoffe gegenüber Stahl einen um Faktor 1,5 höheren Elastizi­ tätsmodul und ein um ca. 4 g/cm³ niedrigeres spezifisches Gewicht. Mit anderen Worten kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein gewisser Anteil des Metalls durch einen men­ genmäßig geringeren Anteil an Keramik ersetzt werden, wobei die Keramik gegenüber Metall zusätzlich auch noch ein gerin­ geres spezifisches Gewicht aufweist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Un­ teransprüchen hervor.

Gemäß Anspruch 2 wird ein Grundkörper aus Stahl bevorzugt, da Stahl einerseits hohe Festigkeitswerte aufweist und sich an­ dererseits gut mit Keramik kombinieren läßt.

Gemäß Anspruch 3 kann die Verstärkungsschicht durch Plasma­ spritzen aufgebracht werden.

Die Verstärkungsschicht kann aber auch gemäß Anspruch 4 in Form eines Pulvers aufgebracht und anschließend gebrannt werden.

Die Weiterbildung nach Anspruch 5 sieht vor, die Verstär­ kungsschicht in Form von Keramikschlicker aufzubringen und anschließend zu brennen.

Die Ausgestaltung nach Anspruch 6 ermöglicht durch das mehr­ schichtige Aufbringen größere Schichtdicken der Verstär­ kungsschicht.

Die Weiterbildung gemäß Anspruch 7 ermöglicht ein besonders wirtschaftliches ganzflächiges Aufbringen der Verstärkungs­ schicht durch Eintauchen des Grundkörpers in einen Keramik­ schlicker. Dieses Eintauchverfahren hat insbesondere auch den Vorteil, daß bei hohlen Grundkörpern die Verstärkungsschicht ohne zusätzlichen Aufwand innen und außen aufgebracht werden kann. Die Ausgestaltung nach Anspruch 8 ermöglicht durch das wiederholte Eintauchen und Trocknen die Realisierung größerer Schichtdicken, wobei die Schichtdicke sich durch die Anzahl der Eintauchvorgänge relativ genau steuern läßt.

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

Es zeigen

Fig. 1 einen für die Herstellung eines Portals geeigneten Grundkörper in perspektivischer Darstellung,

Fig. 2 den Grundkörper gemäß Fig. 1 nach dem partiellen Aufbringen einer Verstärkungsschicht aus Keramik,

Fig. 3 einen Querschnitt durch einen zweiten Grundkörper und

Fig. 4 einen Querschnitt durch den in Fig. 3 dargestellten Grundkörper nach dem beidseitigen Aufbringen einer Verstär­ kungsschicht aus Keramik.

Fig. 1 zeigt stark vereinfacht in perspektivischer Darstel­ lung einen Grundkörper G1 aus Stahl, der als Portal mit einem horizontalen Abschnitt und zwei vertikalen Schenkeln ausge­ bildet ist. Der Grundkörper G1 ist als Hohlkörper ausgebil­ det, wobei diese Hohlform in Fig. 1 jedoch nicht zu erkennen ist. Der Grundkörper G1 kann als Schweißkonstruktion oder als Gußteil ausgebildet sein.

Fig. 2 zeigt das aus dem Grundkörper G1 gemäß Fig. 1 herge­ stellte Werkstück W1 in Metall-Keramik-Verbundbauweise. Es ist zu erkennen, daß in den mechanisch besonders hoch bean­ spruchten Eckbereichen der Portalform eine Verstärkungs­ schicht V1 auf den Grundkörper G1 aufgebracht wurde. Diese Verstärkungsschicht V1 trägt durch den hohen Elastizitätsmo­ dul der Keramik in erheblichem Maße zu der geforderten Biege- und Verwindungssteifigkeit des Werkstücks W1 bei. Da die Keramik zusätzlich noch ein deutlich geringeres spezifisches Gewicht als Stahl aufweist, und der Grundkörper G1 gegenüber einer Ganzstahlbauweise erheblich leichter ausgebildet werden kann, wird insgesamt durch die Metall-Keramik-Verbundbauweise eine beträchtliche Gewichtsersparnis erzielt.

Für das Aufbringen der keramischen Verstärkungsschicht V1 können beispielsweise das Plasmaspritzen oder das Aufbringen eines Pulvers mit nachfolgendem Brennen oder das Aufbringen eines Keramikschlickes mit nachfolgendem Trocknen und Brennen herangezogen werden.

Die Fig. 3 und 4 zeigen eine Variante, bei welcher der als offener Hohlkörper ausgebildete Grundkörper G2 durch wieder­ holtes Eintauchen und Trocknen mit einer keramischen Schale versehen wird und diese Schale nachfolgend gebrannt wird. Dabei zeigt Fig. 3 einen Querschnitt durch den aus Stahl bestehenden Grundkörper G2 und Fig. 4 einen Querschnitt durch das fertige Werkstück W2 in Metall-Keramik-Verbundbau­ weise. Fig. 4 zeigt insbesondere, daß die Keramik innen und außen aufgebracht wird und der Grundkörper G2 demgemäß innen und außen mit einer keramischen Verstärkungsschicht V2 verse­ hen ist. Hierdurch kann der Grundkörper G2 extrem dünnwandig mit entsprechend geringem Gewicht ausgebildet werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können für die Herstel­ lung der keramischen Verstärkungsschichten V1 bzw. V2 kera­ mische Werkstoffe aus der Gruppe der Oxide (Al₂O₃, ZrO₂, TiO₂), der Nitride (Si₃N₄, TiN, BN), der Carbide (SiC, TiC, B₄C) und der Boride (TiB₂) verwendet werden.

Claims (8)

1. Verfahren zur Herstellung leichter, biege- und verwin­ dungssteifer Portale für Positionier- und Bestücksysteme in Metall-Keramik-Verbundbauweise, bei welchem

• - zunächst ein der gewünschten Portalform entsprechender Grundkörper (G1; G2) als Hohlkörper aus Metall hergestellt wird und
• - der Grundkörper (G1; G2) zumindest in den mechanisch beson­ ders beanspruchten Eckbereichen der Portalform zur Erhöhung der Steifigkeit mit einer Verstärkungsschicht (V1; V2) aus Keramik versehen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Herstellung eines Grundkörpers (G1; G2) aus Stahl.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsschicht (V1) durch Plasmaspritzen auf den Grundkörper aufgebracht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsschicht (V1; V2) in Form eines Pulvers auf den Grundkörper (G1; G2) aufgebracht und anschließend gebrannt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsschicht (V1; V2) in Form eines Keramikschlickers auf den Grundkör­ per (G1; G2) aufgebracht und anschließend gebrannt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, die Verstärkungsschicht (V1; V2) in mehreren Schichten auf den Grundkörper (G1; G2) aufs gebracht wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsschicht (V2) durch Eintauchen des Grundkörpers (G2) in einen Ke­ ramikschlicker ganzflächig aufgebracht, getrocknet und dann gebrannt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsschicht (V2) durch wiederholtes Eintauchen des Grundkörpers (G2) in den Keramikschlicker und anschließendes Trocknen aufgebracht wird.