DE102014108894A1 - Verfahren und Vorrichtung zum prozessgesteuerten Verschweißen von Materialien - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum prozessgesteuerten Verschweißen von Materialien, bei dem mindestens zwei übereinanderliegende Werkstücke (5, 6) mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls verbunden werden, wobei ein erstes Werkstück (5) an einem feststehenden ersten Aufnahmeteil (3) angeordnet wird und ein zweites Werkstück (6) an einem beweglichen zweiten Aufnahmeteil (4) befestigt wird, wobei das bewegliche zweite Aufnahmeteil (4) in einer Führung in Fügerichtung bewegt wird und der Weg (s) des zweiten Aufnahmeteils (4) und/oder die Kraft (F), mit welcher die beiden Werkstücke (5, 6) gegeneinander gedrückt werden, gemessen werden und die Bewegung des beweglichen zweiten Aufnahmeteils (4) in Anhängigkeit von der Kraft (F), mit welcher die beiden Werkstücke (5, 6) gegeneinander gedrückt werden, oder in Abhängigkeit vom Weg (s), auf dem sich die beiden Werkstücke (5, 6) zueinander bewegen, gesteuert wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum prozessgesteuerten Verschweißen von Materialien, vorzugsweise zum Verschweißen von Kunststoffteilen.
  • Mit dem Verfahren wird eine Schweißnaht zwischen zwei Materialien durch eine Laserstrahlung erzeugt. Vorzugsweise werden Kunststoffteile verschweißt, wobei auch Kunststoffteile, welche für die Laserstrahlung im Wesentlichen transparent sind, mit weiteren Kunststoffteilen, welche für die Laserstrahlung absorbierend sind, verbunden werden.
  • Typische Anwendungsgebiete für derartige Bearbeitungen sind das Abtragen von Material eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls oder das Verschweißen von Kunststoffteilen oder Metallteilen mittels eines Elektronenstrahls oder eines Laserstrahls. In verschiedenen Anwendungsgebieten werden an derartige Bearbeitungsprozesse hohe Qualitätsanforderungen gestellt, die unter anderem auch eine exakte Führung des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls gegenüber dem Werkstück sowie eine Kontrolle des Bearbeitungsergebnisses am Werkstück erfordern.
  • Es ist bekannt, zu diesem Zweck eine Bearbeitungseinrichtung mit einem oder mehreren Sensoreinrichtungen zu versehen, die unter Anwendung optischer oder elektrischer Messverfahren eine Qualitätskontrolle des Bearbeitungsergebnisses ermöglichen.
  • In DE 10 2007 016 444 A1 ist eine Bearbeitungseinrichtung beschrieben, die einen Bearbeitungskopf aufweist, der zur Bereitstellung eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls, insbesondere eines Elektronen- oder Laserstrahls, ausgebildet ist. Dem Bearbeitungskopf ist eine als Kohärenztomograph ausgebildete optische Abtsteinrichtung zugeordnet, mit der eine Oberflächenabtastung erfolgt.
  • Nachteilig bei den bekannten Verfahren ist, dass eine toleranzarme Fertigung mit exakter Oberfläche nicht oder nur bedingt möglich ist.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, welche eine verbesserte Prozessführung für den Bearbeitungsprozess mit dem hochenergetischen Bearbeitungsstrahl ermöglichen.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren, welches die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist, und eine Vorrichtung, welche im Anspruch 6 näher beschrieben ist, gelöst.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Die Vorrichtung und das Verfahren dienen zum Bearbeiten von Kunststoffteilen, vorzugsweise zum Laserschweißen von Bauteilen mit transparenter oder teilweise transparenter Außenhülle. Die Bauteile können von einem Laserstrahl durchdringbar sein. Nach dem Verbinden härten die Bauteile mit oder ohne Hilfsmedien aus.
  • Die zu verbindenden Bauteile werden in Aufnahmeteilen positioniert und aufeinander gedrückt. Dabei bewirkt die Kraft, mit der die beiden Teile aufeinander gedrückt werden, ein Einsinken eines Bauteils in ein zweites Bauteil.
  • Ein erstes Werkstück befindet sich an einem feststehenden Aufnahmeteil und ein zweites Werkstück wird an einem beweglichen Aufnahmeteil befestigt. Das bewegliche Aufnahmeteil ist in einer Führung in Fügerichtung beweglich. Während der Bewegung werden der Weg des Aufnahmeteils und/oder die Kraft, mit welcher die beiden Werkstücke gegeneinander gedrückt werden, gemessen. In Anhängigkeit von der Kraft, mit welcher die beiden Werkstücke gegeneinander gedrückt werden, oder in Abhängigkeit vom Weg, auf dem sich die beiden Werkstücke zueinander bewegen, wird die Bewegung gesteuert und nach Erreichen einer Sollposition beendet und die Lage der beiden Teile zueinander mittels einer Klemmeinrichtung fixiert. Nach dem Erhärten des infolge der Laserstrahlung erweichten Materials wird die Klemmung gelöst und das aus den beiden Bauteilen gebildete Erzeugnis den Aufnahmeteilen entnommen.
  • Damit werden eine genaue Positionierung des bewegten Bauteils und damit auch ein definiertes Eindrücken des bewegten Bauteils erreicht. Die beiden verbundenen Bauteile können somit mit genauen Abmessungen hergestellt werden, wobei durch das Eindrücken mit definierter Kraft auch eine hohe Qualität der Schweißverbindung gewährleistet wird.
  • Die Fixierung des beweglichen Bauteils durch eine Klemmvorrichtung ermöglicht ein kraftfreies Aushärten der Schweißnaht, so dass Erkaltungsspannungen verhindert werden und eine definierte Schweißnaht erzeugt wird.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Das Beispiel erläutert die Vorgänge beim Verbinden zweier Kunststoffteile mittels Laserschweißen.
  • Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung der Anordnung im Ausgangszustand,
  • 2 eine schematische Darstellung der Anordnung nach Beendigung des Schweißvorgangs
    und
  • 3 ein Beispieldiagramm für einen Kraft-Weg-Verlauf.
  • Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • In 1 ist der Zustand einer Schweißvorrichtung am Beginn eines Schweißvorgangs dargestellt. Ein Lasergenerator 1 erzeugt eine mittels einer Steuereinheit 2 steuerbare Laserstrahlung, welche durch Öffnungen, die im ersten Aufnahmeteil 3 angebracht sind, auf das erste Werkstück 5 gelangen und dieses erhitzen, so dass es erweicht. Im dargestellten Beispiel wird das erste Aufnahmeteil 3 von einer feststehenden Schweißmaske gebildet, an der das erste Werkstück 5 anliegt. Das zweite Werkstück 6 befindet sich in einem zweiten Aufnahmeteil 4. Mit dem Start des Schweißvorgangs wird das zweite Aufnahmeteil 4 in Fügerichtung bewegt, das heißt das zweite Werkstück 6 wird in Richtung zum ersten Werkstück 5, welches infolge der Laserstrahlung erweicht ist, bewegt, so dass zwischen den beiden Werkstücken 5 und 6 eine Schweißnaht 7 gebildet wird. Das zweite Aufnahmeteil 4 ist mit einer Führung verbunden, welche eine exakte translatorische Bewegung ermöglicht. Die Führung ist mit der Klemmeinrichtung 10 verbunden. Die Klemmung wird in Anhängigkeit vom zurückgelegten Weg s, den das bewegliche Aufnahmeteil 4 mit dem zweiten Werkstück 6 zurückgelegt hat, oder in Abhängigkeit von der Kraft F, mit der die beiden Werkstücke 5 und 6 aneinander gedrückt werden, gesteuert. Der Weg s wird dabei mit Hilfe der Wegmesseinrichtung 8 und die Kraft F mit der Kraftmesseinrichtung 9 ermittelt und mittels einer nicht dargestellten Auswerteeinheit ausgewertet. Die Auswerteeinheit steuert die Klemmeinrichtung 10, so dass beim Erreichen eines vorgegebenen Sollwertes die Klemmeinrichtung 10 betätigt und die Bewegung gestoppt wird.
  • Im in 1 dargestellten Ausgangszustand ist die Klemmvorrichtung 10 geöffnet.
  • 2 erläutert den Zustand am Ende der Fügebewegung. In dieser Position ist der Sollzustand der Lage des beweglichen zweiten Aufnahmeteils 4 erreicht und die Klemmvorrichtung 10 geschlossen.
  • In 3 ist ein Beispieldiagramm für den Kraft-Weg-Verlauf beim Fügen der beiden Werkstücke 5 und 6 dargestellt. Das Diagramm zeigt den Kraftanstieg in Anhängigkeit vom Weg s, den das zweite Werkstück 6 während des Fügeprozesses zurücklegt. Die Kraft F steigt bis zu einem Maximalwert Fmax an, der einem vorgegebenen Sollwert entspricht. Die Änderung des Fügeweges ∆s und die Änderung der Kraft ∆F werden mittels geeigneter Sensorik aufgezeichnet und dient zur Steuerung und Auswertung des Prozesses.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Lasergenerator
    2
    Steuereinheit
    3
    erstes Aufnahmeteil
    4
    zweites Aufnahmeteil
    5
    erstes Werkstück
    6
    zweites Werkstück
    7
    Schweißnaht
    8
    Wegmesseinrichtung
    9
    Kraftmesseinrichtung
    10
    Klemmeinrichtung
    s
    Weg
    ∆s
    Wegänderung
    K
    Kraft
    Fmax
    maximale Kraft
    ∆F
    Kraftänderung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102007016444 A1 [0005]

Claims (5)

  1. Verfahren zum prozessgesteuerten Verschweißen von Materialien, bei dem mindestens zwei übereinanderliegende Werkstücke (5, 6) mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, dass – ein erstes Werkstück (5) an einem feststehenden ersten Aufnahmeteil (3) angeordnet wird und ein zweites Werkstück (6) an einem beweglichen zweiten Aufnahmeteil (4) befestigt wird, – wobei das bewegliche zweite Aufnahmeteil (4) in einer Führung in Fügerichtung bewegt wird, – und der Weg (s) des zweiten Aufnahmeteils (4) und/oder die Kraft (F), mit welcher die beiden Werkstücke (5, 6) gegeneinander gedrückt werden, gemessen werden – und die Bewegung des beweglichen zweiten Aufnahmeteils (4) in Anhängigkeit von der Kraft (K), mit welcher die beiden Werkstücke (5, 6) gegeneinander gedrückt werden, oder in Abhängigkeit vom Weg (s), auf dem sich die beiden Werkstücke (5, 6) zueinander bewegen, gesteuert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung des beweglichen zweiten Aufnahmeteils (4) in Anhängigkeit von der Kraft (F), mit welcher die beiden Werkstücke (5, 6) gegeneinander gedrückt werden, und/oder vom Weg (s) des beweglichen zweiten Aufnahmeteils (4) nach Erreichen eines Sollwertes beendet wird und die erreichte Position mittels einer Klemmeinrichtung (10) gesichert wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als hochenergetischer Bearbeitungsstrahl eine Laserstrahlung verwendet wird.
  4. Vorrichtung zum prozessgesteuerten Verschweißen von Materialien, bei dem mindestens zwei übereinanderliegende Werkstücke (5, 6) mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein feststehendes erstes Aufnahmeteil (3) zur Aufnahme eines erste Werkstücks (5) sowie ein bewegliches zweites Aufnahmeteil (4) zur Aufnahme eines zweiten Werkstücks (6) aufweist, wobei das bewegliche zweite Aufnahmeteil (4) an einer Führung angeordnet ist, welche mit einer Kraftmesseinrichtung (9) und/oder einer Wegmesseinrichtung (8) sowie mit einer Klemmeinrichtung (10) verbunden ist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmeinrichtung (10) in Abhängigkeit von der Kraft (F), mit welcher die beiden Werkstücke (5, 6) gegeneinander gedrückt werden, und /oder des Weges (s) des beweglichen zweiten Aufnahmeteils (4) steuerbar ist.
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