EP3423229A2 - Vorrichtung und verfahren zum aufrauen von substraten - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum aufrauen von substraten

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Publication number
EP3423229A2
EP3423229A2 EP17706210.6A EP17706210A EP3423229A2 EP 3423229 A2 EP3423229 A2 EP 3423229A2 EP 17706210 A EP17706210 A EP 17706210A EP 3423229 A2 EP3423229 A2 EP 3423229A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
spindle
laser beam
jet tool
tool
bore
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP17706210.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Gerhard Flores
Martin Freitag
Wolfram Lohse
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Gehring Technologies GmbH and Co KG
Original Assignee
Gehring Technologies GmbH and Co KG
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Filing date
Publication date
Application filed by Gehring Technologies GmbH and Co KG filed Critical Gehring Technologies GmbH and Co KG
Publication of EP3423229A2 publication Critical patent/EP3423229A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B23K2101/35—Surface treated articles

Definitions

  • the invention relates to a method and an apparatus for producing roughened surfaces.
  • roughened surfaces are thermally coated after roughening.
  • the aim of the roughening is to achieve a high adhesive strength of the applied metallic or non-metallic layer. It is primarily about the application in cylinder bores in
  • thermal spray coatings are low friction and wear and allow the optimization of internal combustion engines, especially in terms of
  • DE 102009051717 A1 describes a process chain which contains a roughening by laser radiation and subsequent thermal coating.
  • EP 2799180 A2 describes a method for
  • DE 102014207263 AI exclusively describes laser-relevant features, in particular the design of the jet tool with a bifocal optics.
  • the object underlying the invention is to provide manufacturing equipment (devices), blasting tools and methods, which allow the roughening of a substrate surface, in particular the
  • the collimator is rotatably mounted on a carriage and does not participate in the rotational movement of the spindle, it can be simple, reliable and
  • Focusing optics is arranged in the jet tool and therefore participates the rotational movement of the spindle, the quality of the laser beam is improved.
  • the transition between fixed collimator and rotating focusing lens is technically very simple: Because the collimator at least partially immersed in the spindle, can by a
  • Barrier air is minimized, which is located within the spindle and the blasting tool.
  • the independently applicable to the feed movement on the top deck surface can be applied masking, is seconded on a separate carriage.
  • the masking is located on the underside of the Anleggewinkel.
  • the laser beam is fed into the alignable collimator, which transmits the divergent light beam
  • the collimator can be cooled with air or another gaseous or liquid fluid.
  • the collimator may be arranged vertically as shown. Another installation position is possible, but what is
  • the rotating spindle is a small gap, so that only small blow-off losses occur.
  • the gap is e.g. designed as a labyrinth seal, so that a look inside the spindle is not possible.
  • the jet thus processed passes through the hollow spindle and enters the jet tool at the end of the spindle. in the
  • Beam tool is located at the spindle speed rotating focusing lens of focal length f, which focuses the beam on the surface of the bore.
  • Beam tool is a beam deflection, which is designed as a mirror or prism so that no significant heating and no harmful thermal shift arises.
  • the exit angle may differ from the normal direction to the tool axis, depending on the process engineering requirement.
  • the beam passes through the Beam a baffled protective glass, so that no melting material can get into the jet tool and the contamination of the protective window remains low.
  • the jet tool may be provided with an internal liquid or gas cooling system or externally with cooling fins for a
  • machining bore Z-axis movable, so that by a combination of a rotational movement of the spindle and the relative movement of the jet tool and workpiece, the part of the bore to be machined is achieved by the laser beam.
  • This relative movement can be characterized, for example
  • the device comprises a frame and a stand, wherein on the frame a
  • Workpiece receptacle is arranged, wherein at least one base plate is guided displaceably and positionable on the stand in the direction of an X-axis.
  • a workpiece for example, a cylinder block
  • the deflection device in the jet tool can as
  • Embodiments build very compact and have only a relatively small mass, so that even high spindle speeds are possible without the spindle by the occurring
  • the device according to the invention is very flexible
  • a longitudinal axis of the collimator and a Z-axis of the device or a rotation axis of the jet tool can enclose an angle between 0 ° and 90 °. If necessary, a mirror or prism is placed between the collimator and the blasting tool.
  • Collimator opposite end of the tool provided a transparent to the laser beam window in the jet tool. Through this window, the laser beam exits the beam tool.
  • the jet tool has at least one
  • the blocking air can be used at the same time for cooling the jet tool.
  • a masking device is arranged on the base plate, which is guided in a displaceable and positionable manner in the direction of the Z-axis.
  • the masking device may comprise an annular element which is positioned approximately coaxially with the spindle and displaceable in the Z-axis direction.
  • it may have a planar element, which is aligned orthogonal to the Z axis. This will be an optimal one
  • Coverage of the laser beam is achieved so that persons and / or objects are protected in the vicinity of the jet tool.
  • a measuring device for measuring the emerging from the window of the jet tool laser beam is provided on the stand or the frame. This measuring device measures above all the
  • the measured Power density is below a predetermined threshold, then it can be concluded that the window of the spindle is contaminated by impurities and the window must be cleaned. After cleaning, the power of the laser beam returns to 100% of its original value.
  • Measuring devices for measuring the power density of a laser beam are available on the market. In connection with the claimed invention, it should be noted that the measuring device during the machining process
  • the measuring device is positioned so that it is at a certain distance from the window of the laser beam
  • Beam tool is located. The distance between the
  • Measuring device and the jet tool is chosen so that the focal point of the laser beam is not where the measuring device is located. Rather, the measuring device is so far away from the spindle that the laser beam impinges with a larger area than at the focal point and thus with a significantly lower power density on the measuring device. Then, the measurement of the power density can be done quickly and easily, without the measuring device is damaged by the high power density of the laser beam.
  • a cleaning device for the window of the jet tool is provided on the stand or the frame, wherein the
  • Cleaning device a housing having at least one opening and at least one nozzle for a cleaning medium, in particular gas such as C0 2 , a liquid or dry ice, and that the opening in the cleaning medium, in particular gas such as C0 2 , a liquid or dry ice, and that the opening in the cleaning medium, in particular gas such as C0 2 , a liquid or dry ice, and that the opening in the cleaning medium, in particular gas such as C0 2 , a liquid or dry ice, and that the opening in the cleaning medium, in particular gas such as C0 2 , a liquid or dry ice, and that the opening in the cleaning medium, in particular gas such as C0 2 , a liquid or dry ice, and that the opening in the cleaning medium, in particular gas such as C0 2 , a liquid or dry ice, and that the opening in the cleaning medium, in particular gas such as C0 2 , a liquid or dry ice, and that the opening in the cleaning medium, in particular gas such as C0 2 , a liquid or dry
  • the spindle can be rotated and / or the jet tool in the direction of the Z-axis relative to the cleaning device to be moved so that all areas of the window are cleaned evenly well.
  • the cleaning device is arranged displaceably and positionable on a guide, so that it during the roughening process from the working area of
  • Blasting tool can be moved. Only when the window of the blasting tool has to be cleaned, the
  • Strahlwerkzeugs positioned that by moving the jet tool in the direction of the Z-axis at least the window of the jet tool in the opening of the
  • a suction device which has at least two suction lines, wherein preferably for each roughened in a workpiece bore a separate suction line is provided.
  • the suction device has a central suction fan, which is connected to all suction lines.
  • each suction line a closure member, such as a
  • Closure flap is arranged. Basically, the suction lines are closed and only at the
  • Suction lines which are connected to a hole that is being roughened, the closure members are open in the suction line.
  • Pressure losses are minimized. They can be designed, for example, as confusers or diffusers.
  • the Device takes out and touches a new workpiece on the workpiece holder.
  • the workpieces themselves may have so-called index holes.
  • this base frame has index holes that cooperate with complementary arranged pins of the workpiece holder of the device according to the invention so that the holes to be machined Workpiece are positioned exactly. This is important to achieve a consistent quality of bore machining.
  • the laser beam is more or less focused when it hits the surface to be machined of the bore. Accordingly, the power density of the laser beam is different, resulting in different processing results. That is undesirable. Therefore, the sufficiently accurate
  • the Rayleigh length is under the process conditions about 0.6 - 0.8 mm.
  • Positioning accuracy of ⁇ 0.3 - 0.4 mm is therefore sufficient. Such accuracy is easily achieved by a modern machine tool.
  • the jet tool is movable in the direction of the X-axis, a very accurate positioning of the spindle can be made relative to the bore.
  • the invention also relates to a method for roughening substrate surfaces with a device having one of the preceding claims, said method being the
  • Process steps include:
  • Bore is to cover the laser beam by a shield so that the laser beam no damage to the people working there or the existing there
  • the laser beam can be switched on exactly when it hits a surface to be roughened. This saves energy and reduces the effort for
  • the shield is arranged at such a distance from the spindle or the window of the jet tool that the laser beam defocused on the
  • the suction device sucks the air offset with residues from the laser processing from the bore being processed. This first, the air in the immediate vicinity of the device according to the invention is improved and the window of the laser tool is less dirty. This improves the process stability of the roughening process and can lengthen the intervals after which the power of the laser beam must be measured. This increases the productivity of the device according to the invention.
  • the processing is continued directly or the window of the jet tool is cleaned to the performance of the laser beam again to the original value.
  • Figure 1 is an overall view of the invention
  • FIG. 4 a schematic representation of the measuring device for measuring the performance of the laser beam
  • Figure 5 is a schematic representation of a
  • Figure 6 shows a detail of the suction device according to the invention
  • Figure 7 shows an embodiment of a handling device according to the invention.
  • FIG 1 is an embodiment of a
  • inventive device 1 shown in an isometric and somewhat simplified. It comprises a frame 3 and a stand 5. On the frame 3 are a
  • the handling device 9 may, as indicated in Figure 1, be designed as an exchange gripper.
  • the workpieces 11 are in this embodiment
  • two spindles 27 are arranged on base plates 13 in these embodiments, which are movable and positionable in the direction of the X-axis.
  • a guide and a drive and measuring devices for detecting the position of the base plates 13 are present.
  • blasting tools 33 Arranged on the spindles 27 are blasting tools 33, which will be explained in more detail below in connection with FIGS. 2 and 3.
  • the blasting tools 33 can be operated independently of each other and moved along the X-axis and the Z-axis. This makes it possible, at the same time or offset in time, several more Holes in one or more workpieces 11 to
  • a measuring device 17 for measuring the power density or the laser beam is arranged between the beam tools 33. This measuring device will be explained in more detail in connection with FIG.
  • FIG. 2 shows a detail of FIG. 1, namely a
  • Blasting tool 33 which is connected to the spindle 27 and is movable in the direction of a Z-axis.
  • the linear guide also includes a
  • Linear drive and sensors for detecting the position of the jet tool along the Z-axis are known from the prior art and because of
  • a carriage 29 On the linear guide 21, a carriage 29 is arranged.
  • the carriage 29 is movable in the direction of the Z-axis.
  • the carriage 29 carries a collimator 25 and a
  • the collimator 25 is connected in this embodiment via an elbow 22 fixed to the carriage 29.
  • the collimator 25 protrudes partially into the spindle 27, which is mounted rotatably mounted on the carriage 29.
  • a rotary drive for the spindle 27 is provided with the reference numeral 31.
  • the rotary drive 31 is also attached to the carriage 29.
  • a jet tool 33 is connected to the spindle 27.
  • a deflection device and a window are arranged (see FIG. 3).
  • Deflection device and the window are largely hidden in the figure 2 by a masking device 35.
  • the masking device 35 is on a separate
  • Carriage 37 guided on the guide 21 and can in
  • the masking device 35 is an annular structure which is concentric to the longitudinal axis of the spindle 27 or of the jet tool 33
  • the masking device 35 is preferably made of copper because copper is the energy of
  • Laser beam can absorb well and because of its good thermal conductivity, this energy dissipates quickly.
  • Blasting tool 33 is attached.
  • the jet tool 33 is shown partially cut.
  • a focusing lens 39 is arranged in the beam tool 33.
  • the focusing lens 39 focuses the light of a laser beam 55, which is rectified by the collimator 25, onto a focal point F which is outside the focal point F
  • Beam tool is located. Where the focal point F is the surface of the bore 61 to be machined.
  • Machining width of the jet tool 33 are moved. This process is repeated until the whole too
  • machining surface of the bore 61 is roughened.
  • Beam tool 33 can be moved and positioned in the direction of the X-axis. For then the axis of rotation of the jet tool 33 can optimally to the longitudinal axis of
  • machining bore 61 can be aligned. This can be supported if necessary by measuring devices which detect the exact position of the bore to be machined, so that an optimal
  • Processing quality is guaranteed, even if the Holes 61 in the workpiece 11 due to manufacturing certain position tolerances.
  • a flange 41 is visible. This flange is part of the tool spindle 27. About this flange, the jet tool 33 is screwed to the spindle 27. The jet tool 33 is replaceable, so that depending on the length of the bore to be machined and / or
  • a suitable blasting tool 33 can be attached to the spindle 27.
  • Blasting tool 33 are adapted to different bore diameter.
  • the distance of the focal point F from the axis of rotation of the spindle 27 is usually set so that it coincides with the surface of the bore 61 to be machined.
  • a spring 51 compensates for temperature fluctuations, so that a play-free installation of the focusing lens 39 is ensured.
  • Embodiment consists of a deflection mirror.
  • the deflecting device 53 comprises a prism.
  • the laser beam 55 is getting thinner, starting from the focusing lens 39, until it finally reaches the focal point F. Naturally, the power density is highest there.
  • the laser beam 55 leaves the beam tool 33 through a window 57, which is transparent to the laser beam and prevents impurities from entering the inside of the laser beam
  • Beam tool 33 can get.
  • a blocking air inlet 59 is shown at the upper end of the jet tool 33 in FIG. 3.
  • the sealing air passes through the interior of the jet tool to the lower end of the same and occurs there via a nozzle (not visible in Figure 3) so that an air curtain is placed over the outside of the window 57 and consequently no
  • Contaminants reach the surface of the window 57.
  • Such impurities when deposited on the window 57 reduces the power density or the power of the laser beam at the focal point F and thus also the work result of the jet tool
  • the blocking air supply 59 is an effective means to increase process reliability.
  • Beam tool 33 is rotated once through 360 °, the focal point F moves on a circular path once over the bore 61 and there causes the desired roughening of the surface. Now, if this rotational movement is combined with a feed direction in the direction of the Z-axis, then there is a helix on which the focus F travels over the surface of the bore 61, so that the entire surface of the
  • Hole 61 can be roughened. It goes without saying that the feed rate and the rotational speed of the spindle 27 must be coordinated so that the entire surface of the bore 61 is roughened.
  • a measuring device 63 is provided on the device according to the invention, the
  • a measuring field of the measuring device is designated by the reference numeral 65. It is so
  • Measuring device 63 is tilted.
  • the measuring device 63 is movable in the direction of a double arrow 67, so that a distance R at the window of the
  • Beam tool and the measuring field 65 is adjustable. In the position shown in Figure 4 is the
  • Double arrow 67 moves to the top right until the distance R has the desired value. It is important to ensure that the measuring field 65 is not in the focal point F of the laser beam, because then the power density of the laser beam 55 is so high that the measuring field 65 is damaged. Therefore, therefore, the measuring field 65 is positioned so that the laser beam 55 is not at its maximum
  • Power density impinges on the measuring field 65, but has a power density that causes no damage to the measuring field 65.
  • Cleaning device 69 comprises a housing 71 with an opening 73. Furthermore, there is a supply opening 74 for the cleaning medium, preferably dry ice.
  • the cleaning device 69 is movable in the direction of an X-axis, so that the cleaning device 69 is brought outside the working range of the jet tool 33, when the laser roughened a hole.
  • FIG. 5 shows the position of the cleaning device 69 in which the jet tool 33 or the window 57 at the lower end of the jet tool 33 can be cleaned.
  • the window 57 is just visible in the opening 73 of the housing 71.
  • the window 57 is aligned so that it is directly from the cleaning medium, which passes through the supply port 75 into the interior of the housing 71, is applied.
  • Dry ice is used because this dry ice has a very good cleaning effect and evaporates without leaving any residue. The remaining contaminants fall down and can be collected and removed at the lower end of the housing 71.
  • Embodiment are four holes 61 in one
  • the upper ends 84 of the suction lines 77 in FIG. 6 are designed, for example as confusers, that the
  • the workpieces 11 are using

Landscapes

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Abstract

Es wird eine Vorrichtung zum Aufrauen von Zylinderbohrungen vorgeschlagen, die ein Strahlwerkzeug einsetzt und eine sehr hohe Prozesssicherheit auch bei großen Stückzahlen ermöglicht

Description

Titel : Vorrichtung und Verfahren zum Aufrauen von
Substraten
Besehreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von aufgerauten Oberflächen. Diese
aufgerauten Oberflächen werden nach dem Aufrauen thermisch beschichtet. Das Ziel der Aufrauhung ist es, eine hohe Haft zugsfestigkeit der aufgetragenen metallischen oder nicht-metallischen Schicht zu erreichen. Dabei geht es vornehmlich um die Anwendung in Zylinderbohrungen in
Verbrennungsmotoren. Die thermischen Spritzschichten sind reibungs- und verschleißarm und erlauben die Optimierung von Verbrennungsmotoren, besonders hinsichtlich der
Verringerung der Abgasemissionen. Nach dem Aufrauen und dem thermischen Beschichten erfolgt eine finale Honoperation in mehreren Schritten, welche die spritzraue Oberfläche zu einer tribologisch geeigneten Topografie vorteilhaft verändert .
Die DE 102009051717 AI beschreibt eine Prozesskette, welche eine Aufrauhung durch Laserstrahlung und nachfolgendes thermisches Beschichten enthält.
Die EP 2799180 A2 beschreibt ein Verfahren zur
Oberflächenstrukturierung, welche dem thermischen
Beschichten vorausgeht. Der Fokus dieser Anmeldung liegt auf den Eigenschaften des Laserstrahls und deren
Parametrisierung .
Ebenso beschreibt die DE 102014207263 AI ausschließlich laserrelevante Merkmale, insbesondere die Ausführung des Strahlwerkzeuges mit einer bifokalen Optik.
Keine der genannten Druckschriften enthält Hinweise darauf, wie das Aufrauen von Zylinderbohrungen in einer
Großserienfertigung umsetzbar ist.
Offenbarung der Erfindung
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, Fertigungseinrichtungen (Vorrichtungen) , Strahlwerkzeuge und Verfahren bereitzustellen, welche es ermöglichen, das Aufrauen einer Substratoberfläche, insbesondere der
Zylinderbohrungen einer Brennkraftmaschine,
vollautomatisch, prozesssicher und mit einer Taktzeit von weniger als einer Minute durchzuführen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zum Aufrauen von Oberflächen gemäß Anspruch 1 gelöst. Dieses Konzept erlaubt eine kompakte Bauweise des
Strahlwerkzeugs .
Dadurch, dass der Kollimator drehfest auf einem Schlitten angeordnet ist und die Drehbewegung der Spindel nicht mitmacht, kann er auf einfache, zuverlässige und
verlustarme Weise, zum Beispiel über einen Lichtleiter, mit einer Strahlquelle verbunden werden.
Dadurch, dass die die fokussierende Linse oder die
Fokussieroptik in dem Strahlwerkzeug angeordnet ist und deshalb die Drehbewegung der Spindel mitmacht, wird die Qualität des Laserstrahls verbessert. Der Übergang zwischen feststehendem Kollimator und drehender Fokussierlinse ist technisch sehr einfach: Weil der Kollimator mindestens teilweise in die Spindel eintaucht, kann durch eine
einfache Labyrinthdichtung zwischen Kollimator und der drehbaren Spindel sicher und zuverlässig verhindert werden, dass in diesem Übergangs-Bereich Laserstrahlen austreten, was unerwünscht ist, weil es eine Gefährdung von Personen und Sachen darstellt. Außerdem wird der Verlust von
Sperrluft minimiert, welche sich innerhalb der Spindel und dem Strahlwerkzeug befindet.
Durch die mitdrehende Fokussieroptik oder eine mitdrehende fokussierende Linse wird die zentrische Position des
Laserstrahls sehr genau eingehalten, was die
Bearbeitungsqualität verbessert.
Das Verfahren in Richtung der Z-Achse und die Drehung der Spindel stellt sicher, dass die Zylinderbohrung
flächendeckend aufgeraut wird. Hierzu ist es notwendig, die Überlagerung der Drehbewegung durch eine Regelung/Steuerung so abzustimmen, dass definierte Vorschubbewegungen realisierbar sind. Die Drehung des Spindelmotors wird auf die Spindel übertragen, welche konstruktiv in die kompakte Spindeleinheit integriert ist.
Die unabhängig von der Vorschubbewegung auf der Top- Deckfläche anlegbare Maskierung, ist auf einem separaten Schlitten abgeordnet. Die Maskierung befindet sich auf der Unterseite des Anlegewinkels.
Der Laserstrahl wird in den ausrichtbaren Kollimator eingespeist, welcher den divergenten Lichtstrahl
parallelisiert . Der Kollimator kann bei Bedarf mit Luft oder einem anderen gasförmigen oder flüssigen Fluid gekühlt werden .
Der Kollimator kann wie gezeigt senkrecht angeordnet sein. Auch eine andere Einbaulage ist möglich, was jedoch
optische Bauelemente zur Strahlumlenkung erfordert.
Zwischen dem nicht rotierenden Kollimator und der
rotierenden Spindel befindet sich ein geringer Spalt, so dass nur geringe Abblasverluste entstehen. Darüber hinaus ist der Spalt z.B. als Labyrinthdichtung ausgeführt, so dass ein Einblick ins Innere der Spindel nicht möglich ist. Der so aufbereitete Strahl durchläuft die Hohlspindel und tritt am Spindelende in das Strahlwerkzeug ein. Im
Strahlwerkzeug befindet sich die sich mit Spindeldrehzahl drehende Fokussierlinse der Brennweite f, welche den Strahl auf die Oberfläche der Bohrung fokussiert. In dem
Strahlwerkzeug befindet sich eine Strahlumlenkung, welche als Spiegel oder Prisma so ausgeführt ist, dass keine signifikante Erwärmung und kein schädlicher thermischer Fokusshift entsteht. Der Austrittswinkel kann je nach prozesstechnischer Anforderung von der Normalrichtung zur Werkzeugachse abweichen. Am Strahlaustritt durchläuft der Strahl ein sperrluftumspühltes Schutzglas, so dass kein Schmelzmaterial in das Strahlwerkzeug gelangen kann und die Verschmutzung des Schutzfensters gering bleibt. Die
symmetrische Massenverteilung besonders am unteren Ende des Strahlwerkzeuges verbessert den Rundlauf auch bei hohen Drehzahlen. Dennoch ist in der Regel ein genaues Auswuchten des Strahlwerkzeugs notwendig.
Es ist zu erwähnen, dass die Fokussierung justierbar ist. Dies kann sowohl manuell als auch automatisch erfolgen. Das Strahlwerkzeug kann mit einem inneren Flüssigkeits- oder Gas-Kühlsystem oder außen mit Kühlrippen für eine
Konvektionskühlung ausgeführt sein.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind das Strahlwerkzeug und das zu bearbeitende Werkstück relativ zueinander in Richtung einer Längsachse der zu
bearbeitenden Bohrung (Z-Achse) verfahrbar, so dass durch eine Kombination aus einer Drehbewegung der Spindel und der Relativbewegung von Strahlwerkzeug und Werkstück die zu bearbeitende Teil der Bohrung von dem Laserstrahl erreicht wird .
Diese Relativbewegung kann beispielsweise dadurch
realisiert werden, dass die Vorrichtung ein Gestell und einen Ständer umfasst, wobei auf dem Gestell eine
Werkstück-Aufnahme angeordnet ist, wobei mindestens eine Grundplatte an dem Ständer in Richtung einer X-Achse verschiebbar und positionierbar geführt ist. Durch diese Anordnung ist es auch möglich, eine oder mehrere Bohrungen eines Werkstücks (zum Beispiel einen Zylinderblock) aufzurauen, indem das Strahlwerkzeug in Richtung der Z- Achse in die aufzurauende Bohrung hineinbewegt wird. Die Umlenkeinrichtung in dem Strahlwerkzeug kann als
Spiegel und/oder als Prisma ausgebildet sein. Beide
Ausführungsformen bauen sehr kompakt und haben nur eine relativ geringe Masse, sodass auch hohe Spindeldrehzahlen möglich sind, ohne die Spindel durch die auftretenden
Fliehkräfte zu verformen oder in anderer Weise zu
überlasten. Dadurch wird die Leistungsfähigkeit des erfindungsgemäßen Strahlwerkzeugs erhöht.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist sehr flexibel
bezüglich der Anordnung des Kollimators relativ zu der Spindel bzw. dem Strahlwerkzeug. So können eine Längsachse des Kollimators und eine Z-Achse der Vorrichtung bzw. einer Drehachse des Strahlwerkzeugs einen Winkel zwischen 0° und 90° einschließen. Bei Bedarf wird ein Spiegel oder ein Prisma zwischen dem Kollimator und dem Strahlwerkzeug angeordnet .
Um sicherzustellen, dass Verunreinigungen nicht in das Innere der Spindel gelangen können, ist an einem dem
Kollimator entgegengesetzten Ende des Werkzeugs ein für den Laserstrahl transparentes Fenster in dem Strahlwerkzeug vorgesehen. Durch dieses Fenster tritt der Laserstrahl aus dem Strahlwerkzeug aus.
Außerdem weist das Strahlwerkzeug mindestens einen
Sperrluftkanal und eine Austrittsöffnung für die Sperrluft auf. Die Austrittsöffnung für die Sperrluft ist so
ausgerichtet, dass die aus der Austrittsöffnung austretende Sperrluft Verunreinigungen von dem Fenster abhält. Dadurch wird über eine lange Betriebsdauer eine konstante Leistung bzw. Leistungsdichte des Laserstrahls erzielt. Anders ausgedrückt: Die Intervalle zwischen den periodisch
erforderlichen Reinigungen des Fensters werden verlängert. Beides trägt dazu bei, die Produktivität des
erfindungsgemäßen Strahlwerkzeugs zu erhöhen. Die Sperrluft kann gleichzeitig zur Kühlung des Strahlwerkzeugs verwendet werden .
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Kollimator über ein Lichtleitkabel mit einer Laserlichtquelle
verbunden ist. Sowohl die Laserlichtquelle als auch der Kollimator und das Lichtleitkabel führen keine
Drehbewegungen aus, was den konstruktiven Aufbau der
Vorrichtung und des Strahlwerkzeugs vereinfacht und die Zuverlässigkeit erhöht.
Um sicherzustellen, dass der Laserstrahl nicht aus dem eigentlichen Arbeitsbereich hinausgelangt, ist an der Grundplatte eine Maskierungsvorrichtung angeordnet, die in Richtung der Z-Achse verschiebbar und positionierbar geführt ist.
Die Maskierungsvorrichtung kann ein ringförmiges Element aufweisen, das in etwa koaxial zu der Spindel positioniert und in Richtung der Z-Achse verschiebbar ist. Außerdem kann sie ein flächiges Element aufweisen, das orthogonal zur Z- Achse ausgerichtet ist. Dadurch wird eine optimale
Abdeckung des Laserstrahls erreicht, so dass Personen und/oder Gegenstände in der Nähe des Strahlwerkzeugs geschützt sind.
Um eine gleichbleibend hohe Bearbeitungsqualität des
Strahlwerkzeugs sicherzustellen, ist an dem Ständer oder dem Gestell eine Messeinrichtung zur Messung des aus dem Fenster des Strahlwerkzeugs austretenden Laserstrahls vorgesehen. Diese Messeinrichtung misst vor allem die
Leistungsdichte des Laserstrahls. Wenn die gemessene Leistungsdichte unterhalb eines vorgegebenen Schwellwerts ist, dann kann daraus geschlossen werden, dass das Fenster der Spindel durch Verunreinigungen verschmutzt ist und das Fenster gereinigt werden muss. Nach der Reinigung ist die Leistungsfähigkeit des Laserstrahls wieder bei 100% des Ursprungswerts .
Messeinrichtungen zur Messung der Leistungsdichte eines Laserstrahls sind am Markt verfügbar. Im Zusammenhang mit der beanspruchten Erfindung ist darauf hinzuweisen, dass die Messeinrichtung während des Bearbeitungsvorgangs
(Aufrauen einer Bohrung) aus dem Arbeitsbereich des
erfindungsgemäßen Strahlwerkzeugs herausgefahren wird.
Wenn die Leistungsdichte des Laserstrahls gemessen werden soll, wird die Messeinrichtung so positioniert, dass sie sich in einem bestimmten Abstand zu dem Fenster des
Strahlwerkzeugs befindet. Der Abstand zwischen dem
Messeinrichtung und dem Strahlwerkzeug ist so gewählt, dass der Brennpunkt des Laserstrahls nicht dort ist, wo sich die Messeinrichtung befindet. Vielmehr ist die Messeinrichtung so weit von der Spindel entfernt, dass der Laserstrahl mit einer größeren Fläche als im Brennpunkt und damit mit einer deutlich geringeren Leistungsdichte auf der Messeinrichtung auftrifft. Dann kann die Messung der Leistungsdichte rasch und einfach erfolgen, ohne dass die Messeinrichtung durch die hohe Leistungsdichte des Laserstrahls beschädigt wird.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist an dem Ständer oder dem Gestell eine Reinigungseinrichtung für das Fenster des Strahlwerkzeugs vorgesehen ist, wobei die
Reinigungseinrichtung ein Gehäuse mit mindestens einer Öffnung und mindestens einer Düse für ein Reinigungsmedium, insbesondere Gas wie zum Beispiel C02, eine Flüssigkeit oder Trockeneis, umfasst, und dass die Öffnung in dem
Gehäuse und auch in des Strahlwerkzeugs, mindestens jedoch des Fensters des Strahlwerkzeugs in das Gehäuse erlaubt. Dadurch ist es möglich, mit einem Reinigungsmedium, bevorzugt Trockeneis, Verunreinigungen auf dem Fenster der Spindel wirkungsvoll und prozesssicher zu entfernen, sodass nach Reinigungsvorgang wieder die volle Leistungsfähigkeit des Strahlwerkzeugs hergestellt ist. Während des
Reinigungsvorgangs kann die Spindel gedreht werden und/oder das Strahlwerkzeug in Richtung der Z-Achse relativ zu der Reinigungseinrichtung bewegt werden, so dass alle Bereiche des Fensters gleichmäßig gut gereinigt werden.
Auch die Reinigungseinrichtung ist auf einer Führung verschiebbar und positionierbar angeordnet, sodass sie während des Aufrauvorgangs aus dem Arbeitsbereich des
Strahlwerkzeugs bewegt werden kann. Nur wenn das Fenster des Strahlwerkzeugs gereinigt werden muss, wird die
Reinigungseinrichtung so in dem Arbeitsbereich des
Strahlwerkzeugs positioniert, dass durch Verfahren des Strahlwerkzeugs in Richtung der Z-Achse mindestens das Fenster des Strahlwerkzeugs in die Öffnung der
Reinigungseinrichtung einfährt und es dort zum Beispiel mit Trockeneis gereinigt werden kann.
Um die Luftbelastung in der Umgebung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu minimieren und gleichzeitig die
Verschmutzung des Fensters durch das Verdampfen und
teilweise Aufschmelzen der Oberfläche der zu bearbeitenden Bohrung entstehenden Verunreinigungen zu minimieren, ist eine Absaugeinrichtung vorgesehen, die mindestens zwei Absaugleitungen aufweist, wobei bevorzugt für jede in einem Werkstück aufzurauende Bohrung eine separate Absaugleitung vorgesehen ist. Die Absaugeinrichtung weist ein zentrales Sauggebläse auf, das mit allen Absaugleitungen verbunden ist.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass in jeder Absaugleitung ein Verschlussorgan, wie zum Beispiel eine
Verschlussklappe, angeordnet ist. Grundsätzlich sind die Absaugleitungen verschlossen und nur bei den
Absaugleitungen, die mit einer Bohrung verbunden sind, die gerade aufgeraut werden, sind die Verschlussorgane in der Absaugleitung geöffnet.
Wenn also beispielsweise vier Bohrungen in dem Werkstück vorhanden sind und nur eine Bohrung auf einmal aufgeraut wird, dann sind drei Abbsaugleitungen verschlossen und nur eine Bohrung ist mit dem Absauggebläse verbunden. Dadurch wird der Leistungsbedarf des Sauggebläses minimiert, ohne die Wirksamkeit der Absaugeinrichtung nachteilig zu
beeinträchtigen .
Die Übergänge zwischen den zu bearbeitenden Bohrungen und den Absaugleitungen sind so gestaltet, dass die
Druckverluste minimiert werden. Sie können zum Beispiel als Konfusoren oder Diffusoren ausgebildet sein.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist eine
Handhabungseinrichtung vorgesehen, welche die fertig bearbeiteten Werkstücke aus der erfindungsgemäßen
Vorrichtung herausnimmt und ein neues Werkstück auf die Werkstückaufnahme aufsetzt. Die Werkstücke selbst können sogenannte Indexbohrungen aufweisen. Alternativ ist es auch möglich, dass die Werkstücke auf einem Grundgestell
aufgenommen werden und dieses Grundgestell Indexbohrungen aufweist, die mit komplementär angeordneten Stiften der Werkstückaufnahme der erfindungsgemäßen Vorrichtung so zusammenwirken, dass die zu bearbeiteten Bohrungen des Werkstücks exakt positioniert werden. Dies ist wichtig, um eine gleichmäßige Qualität der Bohrungsbearbeitung zu erreichen .
Wenn die Drehachse des Strahlwerkzeugs nicht mit der Achse der zu bearbeiteten Bohrung zusammenfällt, dann ist bei einer Umdrehung der Spindel der Laserstrahl mehr oder weniger stark fokussiert, wenn er auf die zu bearbeitende Oberfläche der Bohrung trifft. Dementsprechend ist die Leistungsdichte des Laserstrahls verschieden, was zu unterschiedlichen Bearbeitungsergebnissen führt. Das ist unerwünscht. Daher ist die ausreichend genaue
Positionierung der Bohrungen relativ zu der Drehachse der Spindel des Strahlwerkzeugs wichtig für eine prozesssichere Großserienfertigung. Ein besonderer Vorteil des
erfindungsgemäßen Aufrauens durch einen Laserstrahl ist darin zu sehen, dass die Anforderungen an die
Positioniergenauigkeit nicht besonders hoch sind, da der Laserstrahl innerhalb der Rayleighlänge quasi eine
konstante Intensität aufweist. Die Rayleighlänge beträgt unter den Prozessbedingungen ca. 0,6 - 0,8 mm. Eine
Positioniergenauigkeit von ± 0,3 - 0,4 mm ist deshalb ausreichend. Eine solche Genauigkeit wird von einer modernen Werkzeugmaschine ohne weiteres erreicht.
Weil das Strahlwerkzeug in Richtung der X-Achse verfahrbar ist, kann auch eine sehr genaue Positionierung der Spindel relativ zu der Bohrung vorgenommen werden.
Fertigungsbedingte Abweichungen der Positionierung der Bohrung in dem zu bearbeitenden Werkstück können dadurch ausgeglichen werden. Die oben erwähnte
Positioniergenauigkeit des Strahlwerkezugs relativ zu der Mitte der zu bearbeitenden Bohrung wird problemlos
erreicht, auch wenn das Strahlwerkzeug nur in Richtung der X-Achse und nicht in Richtung der Y-Achse verfahrbar ist. Dadurch ergibt sich ein vergleichsweise einfacher und kostengünstiger Aufbau der erfindungsgemäßen
FertigungsVorrichtung .
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Aufrauen von Substratoberflächen mit einer Vorrichtung mit einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei dieses Verfahren die
Verfahrensschritte umfasst:
- Aufsetzen der Maskierungsvorrichtung auf die
Stirnfläche der Bohrung, deren Oberfläche aufgeraut werden soll,
- Einfahren der Spindel in die Bohrung sowie
- Drehen der Spindel
- und/oder Verfahren der Spindel (27) und/oder des
Werkstücks (11) in Richtung der Z-Achse, so dass der Laserstrahl mit definiertem Vorschub die zu
bearbeitende Oberfläche der Bohrung (61) in Form einer Wendel oder in Form mehrerer nebeneinander liegender Ringe aufraut .
Dieses sehr einfache Verfahren erlaubt eine rasche und prozesssichere Bearbeitung einer Bohrung.
Es ist möglich, den Laserstrahl dauernd eingeschaltet zu lassen, auch wenn der Laserstrahl über eine Öffnung in der zu bearbeitenden Bohrung bewegt wird, und immer dann, wenn der Laserstrahl sich außerhalb einer zu bearbeiteten
Bohrung befindet, den Laserstrahl durch eine Abschirmung abzudecken, sodass der Laserstrahl keine Schäden bei den dort arbeitenden Personen oder den dort vorhandenen
Gerätschaften verursacht. Das erleichtert die Steuerung des Aufrauprozesses . Sollen Bohrungen bearbeitet werden mit zusätzlichen Ventilationsbohrungen oder mit Aussparungen für die Pleuelgeige, so ist es nicht notwendig den Strahl im Bereich der Unterbrechungen abzuschalten, weil der
Laserstrahl defokussiert auf eine Werkstückoberfäche mit größerem Abstand als auf die zu bearbeitende Bohrung.
Aufgrund der dadurch geringeren Strahlintensität findet dort kein Aufrauprozess statt.
Alternativ kann der Laserstrahl genau dann eingeschaltet werden, wenn er auf eine aufzurauende Oberfläche trifft. Das spart Energie und verringert den Aufwand für
Abschirmungen .
Die Abschirmung ist dabei in einem solchen Abstand zu der Spindel beziehungsweise dem Fenster des Strahlwerkzeugs angeordnet, dass der Laserstrahl defokussiert auf die
Abschirmung trifft und infolgedessen die Leistungsdichte des Laserstrahls so gering ist, dass die Abschirmung nicht beschädigt wird.
Des Weiteren ist vorgesehen, dass die Absaugeinrichtung die mit Rückständen von der Laserbearbeitung versetzte Luft aus der in Bearbeitung befindlichen Bohrung absaugt. Dadurch wird erstens die Luft in der unmittelbaren Umgebung der erfindungsgemäßen Vorrichtung verbessert und das Fenster des Laserwerkzeugs wird weniger verschmutzt. Dadurch wird die Prozessstabilität des Aufrauprozesses verbessert und die Intervalle nach denen die Leistung des Laserstrahls gemessen werden muss, können verlängert werden. Dies erhöht die Produktivität der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des
erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass nach vorgegebenen Intervallen, beispielsweise nach einer bestimmten Bearbeitungsdauer oder nach Erreichen einer bestimmten Stückzahl, ein oder mehrere Parameter der Strahlqualität, insbesondere die Leistungsdichte des Laserstrahls, gemessen werden und abhängig vom Ergebnis dieser Messung entweder die Bearbeitung direkt fortgeführt wird oder das Fenster des Strahlwerkzeugs gereinigt wird, um die Leistungsfähigkeit des Laserstrahls wieder auf den ursprünglichen Wert anzuheben.
Diese vom Ergebnis der Messung des Laserstrahls abhängige Verfahrensführung sorgt einerseits für eine optimale Produktivität und andererseits dafür, dass die
Bearbeitungsergebnisse auch bei sehr großen Stückzahlen konstant bleiben.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindungen sind der nachfolgenden Zeichnung, deren
Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar. Alle in der Zeichnung, deren Beschreibung und in Patentansprüchen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungsmäßig sein.
Zeichnung
Es zeigen:
Figur 1 eine gesamt Ansicht der erfindungsgemäßen
Vorrichtung,
Figur 2 und 3 Details des erfindungsgemäßen
StrahlWerkzeugs ,
Figur 4 eine schematische Darstellung der Messeinrichtung zum Messen der Leistungsfähigkeit des Laserstrahls,
Figur 5 eine schematische Darstellung einer
erfindungsgemäßen ReinigungsVorrichtung, Figur 6 ein Detail der erfindungsgemäßen Absaugeinrichtung und
Figur 7 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Handhabungseinrichtung .
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In der Figur 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 in einer Isometrie und etwas vereinfacht dargestellt. Sie umfasst eine Gestell 3 und einen Ständer 5. Auf dem Gestell 3 sind eine
Werkstückaufnahme 7 und eine Handhabungseinrichtung 9 angeordnet. Die Handhabungseinrichtung 9 kann, wie in Figur 1 angedeutet, als Wechselgreifer ausgebildet sein.
Die Werkstücke 11 sind bei diesem Ausführungsbeispiel
Zylinderblöcke von Brennkraftmaschinen mit vier
Zylinderbohrungen (ohne Bezugszeichen) .
An dem Ständer 5 sind bei diesen Ausführungsbeispielen zwei Spindeln 27 auf Grundplatten 13 angeordnet, die in Richtung der X-Achse verfahrbar und positionierbar sind. Dazu sind eine Führung und ein Antrieb sowie Messeinrichtungen zur Erfassung der Position der Grundplatten 13 vorhanden. Diese Linearführungen und Antriebe sind aus dem Stand der Technik bekannt und werden daher nicht näher erläutert.
An den Spindeln 27 sind Strahlwerkzeuge 33 angeordnet, die nachfolgend im Zusammenhang mit den Figuren 2 und 3 noch näher erläutert werden. Die Strahlwerkzeuge 33 können unabhängig voneinander betrieben und entlang der X-Achse und der Z-Achse verfahren werden. Dadurch ist es möglich, gleichzeitig oder zeitlich versetzt zueinander mehrere Bohrungen in einem oder mehreren Werkstücken 11 zu
bearbeiten .
Zwischen den Strahlwerkzeugen 33 ist eine Messeinrichtung 17 zur Messung der Leistungsdichte beziehungsweise des Laserstrahls angeordnet. Diese Messeinrichtung wird im Zusammenhang mit der Figur 4 näher erläutert.
An der im linken Ende des Ständers 5 ist größtenteils verdeckt von dem linken Strahlwerkzeug 33 eine
Reinigungseinrichtung 19 vorhanden, die im Zusammenhang mit der Figur 5 näher erläutert wird.
Die Figur 2 zeigt ein Detail der Figur 1, nämlich ein
Strahlwerkzeug 33, das mit der Spindel 27 verbunden ist und in Richtung einer Z-Achse verfahrbar ist.
Auf der Grundplatte 13 ist eine Linearführung 21
angeordnet. Die Linearführung umfasst auch einen
Linearantrieb sowie Sensoren zur Erfassung der Position des Strahlwerkzeugs entlang der Z-Achse. Diese Bauteile sind aus dem Stand der Technik bekannt und wegen der
Übersichtlichkeit nicht einzeln dargestellt.
Auf der Linearführung 21 ist ein Schlitten 29 angeordnet. Der Schlitten 29 ist in Richtung der Z-Achse verfahrbar. Der Schlitten 29 trägt einen Kollimator 25 und einen
Antrieb 23 für die Spindel 27. Der Kollimator 25 ist bei diesem Ausführungsbeispiel über ein Winkelstück 22 fest mit dem Schlitten 29 verbunden. Die Strahlquelle und ein
Lichtleitkabel, welche den Kollimator 25 mit Licht
versorgen, sind in der Figur 2 nicht dargestellt, damit der Kollimator 25 gut sichtbar ist. Der Kollimator 25 ragt teilweise in die Spindel 27, welche drehbar gelagert an dem Schlitten 29 befestigt ist. Ein Drehantrieb für die Spindel 27 ist mit dem Bezugszeichen 31 versehen. Der Drehantrieb 31 ist ebenfalls an dem Schlitten 29 befestigt.
In Figur 2 unterhalb der Spindel ist ein Strahlwerkzeug 33 mit der Spindel 27 verbunden. An dem in Figur 2 unterem Ende des Strahlwerkzeugs 33 sind eine Umlenkeinrichtung und ein Fenster angeordnet (siehe Figur 3) . Die
Umlenkeinrichtung und das Fenster sind in der Figur 2 durch eine Maskierungsvorrichtung 35 weitestgehend verdeckt.
Die Maskierungsvorrichtung 35 ist auf einem separaten
Schlitten 37 auf der Führung 21 geführt und kann in
Richtung der Z-Achse unabhängig vom Strahlwerkzeug 33 bewegt werden. Die Maskierungseinrichtung 35 ist ein ringförmiges Gebilde, das konzentrisch zur Längsachse der Spindel 27 beziehungsweise des Strahlwerkzeugs 33
positioniert ist. Die Maskierungseinrichtung 35 besteht bevorzugt aus Kupfer, weil Kupfer die Energie des
Laserstrahls gut aufnehmen kann und wegen seiner guten Wärmeleitfähigkeit diese Energie rasch ableitet.
In der Figur 3 ist das Ende der Spindel 27 nur angedeutet. Die Spindel 27 endet mit einem Flansch 41 an dem das
Strahlwerkzeug 33 befestigt ist. Das Strahlwerkzeug 33 ist teilweise geschnitten dargestellt.
In dem Strahlwerkzeug 33 ist eine fokussierende Linse 39 angeordnet. Die fokussierende Linse 39 fokussiert das von den Kollimator 25 gleichgerichtete Licht eines Laserstrahls 55 auf einen Brennpunkt F, der außerhalb des
Strahlwerkzeugs liegt. Dort wo sich der Brennpunkt F befindet, ist die Oberfläche der zu bearbeitenden Bohrung 61.
Wenn also die Spindel 27 und mit ihr das Strahlwerkzeug 33 eine Umdrehung um die Z-Achse ausführt, wird ein kreis- oder ringförmiger Bereich der Bohrung vom Laserstrahl 55 getroffen und erfindungsgemäß aufgeraut . Wenn nun zusammen mit der Drehung der Spindel 27 das Strahlwerkzeug 33 in Richtung der Z-Achse bewegt wird, ergibt sich eine
schrauben- oder wendeiförmige Linie. Entlang dieser Linie wandert der Fokus des Laserstrahls 55 über die aufzurauende Bohrung 61. Alternativ kann auch ein "Ring" der
Bohrungsoberfläche bearbeitet werden und dann das
Strahlwerkzeug in Richtung der Z-Achse um die
Bearbeitungsbreite des Strahlwerkzeugs 33 verfahren werden. Dieser Vorgang wird wiederholt bis die gesamte zu
bearbeitende Oberfläche der Bohrung 61 aufgeraut ist.
Wenn die Mittelachse der zu bearbeitenden Bohrung 61 und die Drehachse der Spindel 27 zusammenfallen, dann ergibt sich über den gesamten Umfang der Bohrung eine gleichmäßige Einwirkung des Laserstrahls und infolgedessen ein sehr gleichmäßiges Ergebnis der Laserbearbeitung der Bohrung.
Auch aus diesem Grund ist es wichtig, dass das
Strahlwerkzeug 33 in Richtung der X-Achse verfahrbar und positionierbar ist. Dann nämlich kann die Drehachse des Strahlwerkzeugs 33 optimal zur Längsachse der zu
bearbeitenden Bohrung 61 ausgerichtet werden kann. Dies kann erforderlichenfalls durch Messeinrichtungen, welche die exakte Lage der zu bearbeitenden Bohrung erfassen, unterstützt werden, sodass eine optimale
Bearbeitungsqualität gewährleistet ist, auch, wenn die Bohrungen 61 in dem Werkstück 11 fertigungsbedingt gewisse Lagetoleranzen aufweisen.
In der Figur 3 ist ein Flansch 41 sichtbar. Dieser Flansch ist Teil der Werkzeugspindel 27. Über diesen Flansch wird das Strahlwerkzeug 33 mit der Spindel 27 verschraubt. Das Strahlwerkzeug 33 ist auswechselbar, so dass abhängig von der Länge der zu bearbeitenden Bohrung und/oder dem
Durchmesser der zu bearbeitenden Bohrung ein geeignetes Strahlwerkzeug 33 an der Spindel 27 angebracht werden kann.
Mithilfe von Stiften 43 eines oberen Verstellrings 45, eines unteren Verstellrings 47 und eines weiteren
Stellrings 49 wird die Fokussierlinse 39 in der gewünschten Position relativ zu dem Flansch 41 der Spindel
positioniert. Dadurch ist es möglich, die Lage des
Brennpunkts F zu verändern. Auf diese Weise kann das
Strahlwerkzeug 33 an verschiedene Bohrungsdurchmesser angepasst werden. Der Abstand des Brennpunkts F von der Drehachse der Spindel 27 wird in der Regel so festgelegt, dass er mit der Oberfläche der zu bearbeitenden Bohrung 61 zusammenfällt .
Eine Feder 51 kompensiert Temperaturschwankungen, sodass eine spielfreie Anlage der Fokussierlinse 39 gewährleistet ist .
Am unteren Ende des Strahlwerkzeugs 33 ist eine
Umlenkeinrichtung 53 angeordnet, die bei diesem
Ausführungsbeispiel aus einem Umlenkspiegel besteht. Es ist jedoch auch möglich, dass die Umlenkeinrichtung 53 ein Prisma umfasst. Der Laserstrahl 55 wird ausgehend von der fokussierenden Linse 39 immer dünner, bis er schließlich den Brennpunkt F erreicht hat. Dort ist naturgemäß die Leistungsdichte am höchsten .
Der Laserstrahl 55 verlässt das Strahlwerkzeug 33 durch ein Fenster 57, welches transparent für die Laserstrahl ist und verhindert, dass Verunreinigungen ins Innere des
Strahlwerkzeugs 33 gelangen können.
An dem in Figur 3 oberen Ende des Strahlwerkzeugs 33 ist ein Sperrlufteintritt 59 dargestellt. Die Sperrluft gelangt durch das Innere des Strahlwerkzeugs bis ans untere Ende desselben und tritt dort über eine Düse (nicht sichtbar in Figur 3) so aus, dass ein Luftschleier über die Außenseite des Fensters 57 gelegt wird und infolgedessen keine
Verunreinigung beziehungsweise nur sehr wenige
Verunreinigungen an die Oberfläche des Fenster 57 gelangen. Solche Verunreinigungen, wenn sie sich auf dem Fenster 57 ablagern reduziert sich die Leistungsdichte beziehungsweise die Leistung des Laserstrahls im Brennpunkt F und damit wird auch das Arbeitsergebnis des Strahlwerkzeugs
verschlechtert. Daher ist die Sperrluftzufuhr 59 ein wirksames Mittel, um die Prozesssicherheit zu erhöhen.
In der Figur 3 ist sehr schematisch eine Bohrung 61
angedeutet. Aus der Figur 3 wird deutlich, dass die
Längsachse der Bohrung 61 und die Längsachse der Spindel 27 beziehungsweise des Strahlwerkzeugs 33 koaxial zueinander verlaufen und dass der Brennpunkt F dort liegt, wo sich die Oberfläche der Bohrung 61 befindet. Wenn also das
Strahlwerkzeug 33 einmal um 360° gedreht wird, wandert der Brennpunkt F auf einer Kreisbahn einmal über die Bohrung 61 und bewirkt dort die gewünschte Aufrauhung der Oberfläche. Wenn nun diese Drehbewegung mit einer Vorschubrichtung in Richtung der Z-Achse kombiniert wird, dann ergibt sich eine Schraubenlinie auf der der Fokus F über die Oberfläche der Bohrung 61 wandert, sodass die gesamte Oberfläche der
Bohrung 61 aufgeraut werden kann. Es versteht sich von selbst, dass die Vorschubgeschwindigkeit und die Drehzahl der Spindel 27 aufeinander abgestimmt werden müssen, sodass die gesamte Oberfläche der Bohrung 61 aufgeraut wird.
Um sicherzustellen, dass die Leistung des Laserstrahls 55 im Fokus F konstant bleibt, ist an der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Messeinrichtung 63 vorgesehen, die
beispielsweise an dem Ständer 5 angeordnet sein kann.
In der Figur 4 ist eine solche Messeinrichtung 63
schematisch dargestellt. Ein Messfeld der Messeinrichtung ist mit dem Bezugszeichen 65 bezeichnet. Es ist so
ausgerichtet, dass der Laserstrahl 55 orthogonal auf das Messfeld 65 trifft. Aus diesem Grund ist die
Messeinrichtung 63 schräg gestellt.
Die Messeinrichtung 63 ist in Richtung eines Doppelpfeils 67 verfahrbar, sodass ein Abstand R am Fenster des
Strahlwerkzeugs und dem Messfeld 65 einstellbar ist. In der in Figur 4 dargestellten Position befindet sich die
Messeinrichtung 63 außerhalb des Bearbeitungsbereichs, das heißt hinter der Grundplatte 13. Wenn nun die Leistung des Laserstrahls 55 gemessen werden soll, dann wird die
Messeinrichtung 63 in der Figur 4 in Richtung des
Doppelpfeils 67 nach rechts oben bewegt, bis der Abstand R den gewünschten Wert hat. Dabei ist darauf zu achten, dass das Messfeld 65 nicht im Brennpunkt F des Laserstrahls liegt, weil dann die Leistungsdichte des Laserstrahls 55 so hoch ist, dass das Messfeld 65 beschädigt wird. Deshalb wird deshalb das Messfeld 65 so positioniert, dass der Laserstrahl 55 nicht mit seiner maximalen
Leistungsdichte auf das Messfeld 65 auftrifft, sondern eine Leistungsdichte hat, die keine Beschädigung des Messfelds 65 hervorruft.
In dem Messfeld 65 wird nun die Leistungsdichte des
Laserstrahls 55 bestimmt. Wenn die Leistungsdichte
unterhalb eines vorgegebenen Grenzwerts liegt, dann sind an dem Fenster 57 zu viele Verunreinigungen und das Fenster 57 muss gereinigt werden.
In der Figur 5 ist eine dafür geeignete
Reinigungseinrichtung 69 dargestellt. Die
Reinigungseinrichtung 69 umfasst ein Gehäuse 71 mit einer Öffnung 73. Des Weiteren gibt es eine Zufuhröffnung 74 für das Reinigungsmedium, bevorzugt Trockeneis.
Die Reinigungseinrichtung 69 ist in Richtung einer X-Achse verfahrbar, sodass die Reinigungseinrichtung 69 außerhalb des Arbeitsbereichs des Strahlwerkzeugs 33 gebracht wird, wenn der Laser eine Bohrung aufraut . In Figur 5 ist die Position der Reinigungseinrichtung 69 dargestellt in der das Strahlwerkzeug 33 beziehungsweise das Fenster 57 an dem unteren Ende des Strahlwerkzeugs 33 gereinigt werden kann. Das Fenster 57 ist in der Öffnung 73 des Gehäuses 71 gerade noch zu sehen.
Wenn das Fenster 57 gereinigt werden soll, fährt das
Strahlwerkzeug 33 noch tiefer ins das Gehäuse 71 ein. Das Fenster 57 ist so ausgerichtet, dass es unmittelbar von dem Reinigungsmedium, das durch die Zufuhröffnung 75 in das Innere des Gehäuses 71 gelangt, beaufschlagt wird.
Besonders bevorzugt ist es, wenn als Reinigungsmedium Trockeneis verwendet wird, weil dieses Trockeneis eine sehr gute Reinigungswirkung hat und rückstandslos verdampft. Die verbleibenden Verunreinigungen fallen nach unten und können am unteren Ende des Gehäuses 71 gesammelt und abgeführt werden .
Damit das Fenster 57 gleichmäßig gereinigt wird, kann es vorteilhaft sein, das Strahlwerkzeug 22 während des
Reinigungsvorgangs oszillierend in Richtung der Z-Achse zu bewegen und/oder um die Z-Achse zu drehen.
In der Figur 6 wird ein Teil in der erfindungsgemäßen
Absaugeinrichtung dargestellt. Bei diesem
Ausführungsbeispiel sind vier Bohrungen 61 in einem
Zylinderblock (Werkstück) vorhanden. Am unteren Ende der Bohrungen 61 ist jeweils eine Absaugleitung 77 angebracht. In jeder Absaugleitung 77 ist ein Verschlussorgan 79, bspw. in Form einer Absperrklappe vorgesehen. Jeder Bohrung 61 des Werkstücks 11 ist eine Absaugleitung 77 zugeordnet. Wenn bspw. in der zweiten Bohrung von rechts eine
Laserbearbeitung stattfindet, dann ist das Verschlussorgan 79 dieser Absaugleitung 77 geöffnet und die bei der
Laserbearbeitung entstehenden Dämpfe und Verunreinigungen können über die Absaugleitung 69 abgesaugt werden.
Die in Figur 6 oberen Enden 84 der Absaugleitungen 77 sind so gestaltet, zum Beispiel als Konfusor, dass die
Druckverluste im Übergangsbereich zwischen der Bohrung 61 und der Absaugleitung 77 minimal sind.
Da in den anderen Bohrungen 61 bei dem in Figur 6
dargestellten Ausführungsbeispiel keine Laserbearbeitung zur gleichen Zeit stattfindet, sind die Verschlussorgane 79 dieser Absaugleitung 77 verschlossen. Dadurch wird der erforderliche Volumenstrom bzw. der Energiebedarf eines Sauggebläses reduziert und die Absaugung der
Verunreinigungen in der zweiten Bohrung von rechts in der Figur 6 wird effektiver.
In der Figur 7 ist eine Handhabungseinrichtung 81
schematisch dargestellt. Sie ist als Wechselgreifer ausgeführt. Die Werkstücke 11 werden mit Hilfe von
Unterlagen 83 auf den Werkstückaufnahmen 7 abgesetzt und durch Indexierungsvorrichtungen genau positioniert. Nachdem die Werkstücke 11 bearbeitet sind, werden sie von der Handhabungseinrichtung 81 von den Werkstück-Aufnahmen 7 entnommen und es werden neue unbearbeitete Werkstücke 11 auf die Werkstück-Aufnahmen 7 aufgesetzt.

Claims

Patentansprüche
Vorrichtung zum Aufrauen von Oberflächen, umfassend mindestens einen Schlitten (29), wobei jeder Schlitten
(29) mindestens einen Kollimator (25) und mindestens eine drehantreibbare Spindel (27) trägt und wobei an jeder Spindel (27) ein Strahlwerkzeug (33) befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlwerkzeug
(33) eine fokussierende Linse (39) oder eine
Fokussieroptik und eine Umlenkeinrichtung (53) umfasst, dass die Umlenkeinrichtung (53) an einem dem Kollimator (25) gegenüberliegenden Ende des
Strahlwerkzeugs (33) angeordnet ist, und dass die fokussierende Linse (39) oder die Fokussieroptik die Drehbewegung des Strahlwerkzeugs (33) mitmacht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlwerkzeug (33) und ein zu bearbeitendes Werkstück (11) relativ zueinander in Richtung einer X- Achse verschiebbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, dass sie ein Gestell (3) und einen Ständer (5) umfasst, dass auf dem Gestell (3) eine Werkstück-Aufnahme (7) angeordnet ist, dass an dem Ständer (5) mindestens eine Grundplatte (13) in
Richtung einer X-Achse verschiebbar und positionierbar geführt ist, und dass der mindestens eine Schlitten (29) auf der Grundplatte (13) in Richtung einer X- Achse verschiebbar geführt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkeinrichtung (53) einen Spiegel und/oder ein Prisma umfasst.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Längsachse des Kollimators (25) und eine Z-Achse der Vorrichtung einen Winkel zwischen 0° und 90° einschließen.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem Ausgang des Kollimators (25) und dem Strahlwerkzeug (33) ein Spiegel und/oder ein Prisma angeordnet ist, der oder das den Laserstrahls parallel zu der Z-Achse
ausrichtet .
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spindel (27) an ihrem dem Kollimator (25) entgegengesetzten Ende ein für den Laserstrahl (55) transparentes Fenster (57) aufweist, dass die Spindel (27) mindestens einen Sperrluftkanal (59) und eine Austrittsöffnung für die Sperrluft aufweist, wobei die aus der Austrittsöffnung
austretende Sperrluft Verunreinigungen von dem Fenster (57) abhält.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlwerkzeug (33) eine Kühlung, insbesondere eine Konvektionskühlung oder eine Flüssigkeitskühlung aufweist.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kollimator (25) über ein Lichtleitkabel mit einer Laserlichtquelle
verbunden ist.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Grundplatte (13) eine Maskierungsvorrichtung (35) in Richtung einer Z- Achse verschiebbar und positionierbar geführt ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Maskierungsvorrichtung (35) koaxial zu der Spindel (27) verschiebbar ist.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Ständer (5) oder dem Gestell (3) eine Messeinrichtung (63) zur Messung des aus dem Fenster (57) des Strahlwerkzeugs (15) austretenden Laserstrahls (55) vorgesehen ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (63) so auf einer Führung geführt ist, dass ein Abstand (R) zwischen der
Messeinrichtung (63) und der Spindel (27) einstellbar ist .
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Ständer (5) oder dem Gestell (3) eine Reinigungseinrichtung (69) angeordnet ist, dass die Reinigungseinrichtung (69) ein Gehäuse (71) mit mindestens einer Öffnung (73) und mindestens einer Zufuhr (75) für ein Reinigungsmedium, insbesondere ein Gas, wie zum Beispiel C02, eine
Flüssigkeit oder Trockeneis, umfasst, und dass die Öffnung (73) das Eintauchen der Spindel (27),
mindestens jedoch des Fensters (57) der Spindel (27), in das Gehäuse (71) erlaubt.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigungseinrichtung (69) auf einer Führung geführt ist, so dass die Reinigungseinrichtung (69) bei Bedarf koaxial zu einer Längsachse Spindel (27) positionierbar ist.
16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Genauigkeit mit der das Strahlwerkzeug (33) relativ zu der zu
bearbeitenden Bohrung (61) positionierbar ist, kleiner ist als die Rayleighlange des Laserstrahls (55) .
17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Ständer (5) oder dem Gestell (3) eine Absaugeinrichtung vorgesehen ist, und dass die Absaugeinrichtung mindestens zwei
Absaugleitungen (77), bevorzugt jedoch für jede in einem Werkstück (11) aufzurauende Bohrung (61) eine separate Absaugleitung (77) aufweist, und dass die Absaugeinrichtung ein Saug-Gebläse aufweist, das mit allen Absaugleitungen (77) verbunden ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass in jeder Absaugleitung (77) eine steuerbare
Schließeinrichtung, insbesondere eine Verschlussklappe (79), vorhanden ist.
19. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine
Handhabungseinrichtung (81) umfasst, und dass die Handhabungseinrichtung (81) die zu bearbeitenden
Werkstücke (11) in den Arbeitsbereich der Vorrichtung befördert und die bearbeiteten Werkstücke (11) aus dem Arbeitsbereich der Vorrichtung befördert.
20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Handhabungseinrichtung (81) als Wendegreifer ausgebildet ist.
21. Verfahren zum Aufrauen von Substrat-Oberflächen mit einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche gekennzeichnet durch folgende
Verfahrensschritte :
- Aufsetzen der Maskierungsvorrichtung (35) auf die
Bohrung (61), deren Oberfläche aufgeraut werden soll,
- Einfahren des Strahlwerkzeugs (33) in die Bohrung
(61) ,
- Drehen des Strahlwerkzeugs (33) und/oder Vorschub des Strahlwerkzeugs (33) in Richtung der Z-Achse.
22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlquelle während des gesamten
Aufrauvorgangs eingeschaltet ist.
23. Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, dadurch
gekennzeichnet, dass die Strahlquelle abgeschaltet wird, sobald die gesamte Bohrung (61) oder der gewünschte Teil der Bohrung (61) aufgeraut ist.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Absaugeinrichtung die mit Rückständen von der Laserbearbeitung versetzte Luft während der Bearbeitung aus der in Bearbeitung befindlichen Bohrung (61) absaugt.
25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass ausschließlich die Luft aus der oder den in Bearbeitung befindlichen Bohrungen (61) abgesaugt wird .
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass in regelmäßigen Abständen das mindestens das Fenster (57) an der Spitze der Spindel (27) in den Arbeitsbereich der Messeinrichtung (63) gefahren wird, und dass dann der aus dem Fenster (57) austretende Laserstrahl (55) vermessen wird.
27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass abhängig vom Ergebnis der Vermessung des
Laserstrahls (55) das Fenster (57) des Strahlwerkzeugs (33) ohne zwischengeschalteten Reinigungsschritt unmittelbar wieder zum Aufrauen von Bohrungen (61) eingesetzt wird.
28. Verfahren nach Ansprüche 26, dadurch gekennzeichnet, dass abhängig vom Ergebnis der Vermessung des
Laserstrahls (55) das Fenster (57) des Strahlwerkzeugs (15) gereinigt wird.
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