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Die Erfindung befasst sich mit einem Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers mit wenigstens einem, in das Formkörperinnere führenden Formkörperstutzen in einer Materialbearbeitungsmaschine.
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Die Erfindung betrifft auch eine Materialbearbeitungsmaschine zur Durchführung des eingangs erwähnten Verfahrens, welche Materialbearbeitungsmaschine zum Laserstrahlschneiden und Laserstrahlschweißen eines, in einer Aufspanneinrichtung der Materialbearbeitungsmaschine gehaltenen Werkstücks wenigstens eine Laserstrahlschneideinrichtung und mindestens eine Laserstrahlschweißeinrichtung hat, wobei der wenigstens einen Laserstrahlschneideinrichtung und der mindestens einen Laserstrahlschweißeinrichtung wenigstens eine gemeinsame Aufspanneinrichtung zugeordnet ist, und wobei die Relativposition der wenigstens einen Aufspanneinrichtung mitsamt dem daran gehaltenen Werkstück in Relation zur wenigstens einen Laserstrahlschneideinrichtung und zur mindestens einen Laserstrahlschweißeinrichtung in der Materialbearbeitungsmaschine veränderbar ist.
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In einem Kraftfahrzeug werden verschiedene Behälter benötigt, die als Druckluft- oder Flüssigkeitsbehälter bestimmt sind. Damit diese Behälter die entsprechenden Fluide sicher aufnehmen und speichern können, sind diese Behälter meist aus einem metallenen Wandungsmaterial und insbesondere aus Metallblech hergestellt. Die Behälter weisen mindestens einen in das Behälterinnere führenden Behälterstutzen auf, der an dem eine Stutzenöffnung umgrenzenden Randbereich des Wandungsmaterials umlaufend dicht anzuschweißen ist. Um die Stutzenöffnung in das für den Behälter bestimmte Wandungsmaterial einzubringen, wird eine entsprechende Stutzenöffnung in das Wandungsmaterial ausgestanzt, bevor der meist als Drehteil hergestellte Behälterstutzen angesetzt und am Randbereich des Wandungsmaterials festgeschweißt wird. Die verschiedenen und völlig unterschiedlich auszuführenden Arbeitsschritte zur Herstellung eines Behälters oder auch anderer dreidimensionaler Formkörper sind jedoch vergleichsweise aufwändig. Dabei wird der Aufwand noch dadurch erhöht, dass das zum Stanzen gehaltene Werkstück entnommen und anschließend unterhalb einer Schweißeinrichtung aufgespannt werden muss, um dort den genau zu positionierenden Behälterstutzen festzuschweißen.
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Aus der
DE 42 28 740 C2 ist bereits eine Materialbearbeitungsmaschine der eingangs erwähnten Art vorbekannt, die zum thermischen Schweißen und Schneiden eines, in einer Aufspanneinrichtung gehaltenen Werkstücks eine Laserstrahleinrichtung aufweist. Dieser Laserstrahleinrichtung sind verschiedene Bearbeitungsköpfe zugeordnet, von denen ein Bearbeitungskopf beispielsweise für Schweißarbeiten und ein anderer Bearbeitungskopf für Schneidarbeiten vorgesehen sein kann. Dabei wird der in der Laserstrahleinrichtung erzeugte Laserstrahl über einen Umlenkspiegel wahlweise in den einen oder in den anderen Bearbeitungskopf umgeleitet. Die das Werkstück haltende Aufspanneinrichtung kann durch eine Bewegungseinrichtung zwischen den Bearbeitungsköpfen bewegt werden, wobei diese Bewegungseinrichtung dazu eine Vorschubeinrichtung für eine erste Bewegungsrichtung und eine Vorschubeinrichtung für eine zweite Bewegungsrichtung aufweist. Da die das Werkstück tragende Aufspanneinrichtung der vorbekannten Materialbearbeitungsvorrichtung nur in die durch die Vorschubeinrichtungen vorgegebenen Bewegungsrichtungen bewegbar ist, und da der in der Laserstrahleinrichtung erzeugte Laserstrahl in die zugeordneten Bearbeitungsköpfe umgelenkt werden muss, ist die vorbekannte Materialbearbeitungsvorrichtung zur Herstellung komplexer Werkstücke, wie beispielsweise zum Anschweißen eines Formkörperstutzens an einen Formkörper, weder geeignet noch vorgesehen.
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Aus der
DE 10 2013 225 410 A1 kennt man bereits eine Laserbearbeitungsvorrichtung, die zum Ausführen einer Laserbearbeitung an einer Scheibe bzw. einem Wafer bestimmt ist. Die vorbekannte Laserbearbeitungsvorrichtung weist eine Abbildungseinheit zum Abbilden der laserbearbeiteten Vertiefungen auf, die mittels einer Laserstrahleinrichtung ausgebildet wurden. Um während der Bearbeitung die als Werkstück dienende Scheibe in der vorbekannten Laserbearbeitungsvorrichtung halten zu können, ist ein Spanntischmechanismus mit Werkstückhaltemitteln vorgesehen. Dieser Spanntisch kann beispielsweise eine Vakuumspanneinrichtung aufweisen, die aus einem porösen Material ausgebildet ist. Somit wird das Werkstück, beispielsweise eine plattenförmige Halbleiterscheibe, mittels Betätigungsansaugmitteln unter Saugwirkung auf den Spanntisch gehalten..
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In der
DE 10 2013 224 207 B4 ist bereits eine Laserbearbeitungsmaschine beschrieben, die eine Laserquelle zum Erzeugen eines Laserstrahls, einen Bearbeitungskopf, aus dem der Laserstrahl austritt, eine Bewegungseinheit zum linearen und rotativen Bewegen des Bearbeitungskopfes und ein Lichtleitkabel hat, das einerseits an die Laserquelle und andererseits an die Bewegungseinheit angeschlossen ist, um im Laserbetrieb dem Bearbeitungskopf den Laserstrahl zuzuführen. Diese Bewegungseinheit ist als eine linear bewegbare Lineareinheit mit einer daran rotativ gelagerten Rotationseinheit ausgebildet, an welcher der Bearbeitungskopf befestigt ist, wobei das Lichtleitkabel mit der Lineareinheit verbunden ist. Bei dieser vorbekannten Laserbearbeitungsmaschine durchläuft der über das Lichtleitkabel zugeführte Laserstrahl die linear und rotativ bewegliche Bewegungseinheit und dann den an der Bewegungseinheit angebrachten Bearbeitungskopf, der den Laserstrahl auf das zu bearbeitende Werkstück fokussiert. Der Bearbeitungskopf kann somit mittels der Bewegungseinheit, die beispielsweise als eine mehrachsige Roboter- oder Handhabungskinematik ausgebildet ist, sowohl linear entlang der drei unabhängigen Koordinatenrichtungen als auch rotativ um typischerweise zwei senkrecht zueinander orientierte Rotationsachsen bewegt werden, um den Laserstrahl beliebig dreidimensional zu orientieren.
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Aus der
US 9 764 426 B2 ist bereits eine Materialbearbeitungsvorrichtung vorbekannt, die zur Herstellung präziser Löcher mit kleinem Durchmesser in einem Werkstück vorgesehen ist. Diese Löcher werden mittels einer Laserstrahleinrichtung in das Werkstück eingebracht. Auch diese vorbekannte Materialbearbeitungsmaschine ist jedoch nicht zur Herstellung komplexer Formkörper vorgesehen, die an ihrem Formkörper-Umfang einen, in das Formkörperinnere führenden Formkörperstutzen aufweisen.
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Es besteht daher die Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung eines Behälters oder auch eines anderen Formkörpers in einer Materialbearbeitungsmaschine zu schaffen, welches Verfahren die Bearbeitung eines derartigen Werkstücks in mehreren Herstellungsschritten wesentlich erleichtern, vereinfachen und präziser gestalten kann.
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Darüber hinaus besteht die Aufgabe, eine Materialbearbeitungsmaschine der eingangs erwähnten Art zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zu schaffen.
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Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe, besteht bei dem Verfahren der eingangs erwähnten Art darin, dass in einen Teilbereich eines für den Formkörper bestimmten Wandungsmaterials eine Stutzenöffnung durch Laserstrahlschneiden eingearbeitet wird, dass in einem nachfolgenden Verfahrensschritt der Formkörperstutzen an den die Stutzenöffnung umgrenzenden Randbereich des Wandungsmaterials durch Laserstrahlschweißen befestigt wird, und dass das Wandungsmaterial während des Laserstrahlschneidens und des nachfolgenden Laserstrahlschweißens in ein und derselben Aufspanneinrichtung gehalten ist.
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Im erfindungsgemäßen Verfahren kann mit Hilfe einer Laserstrahlschneideinrichtung eine Stutzenöffnung in ein zur Herstellung eines Formkörpers benötigten Wandungsabschnitt eingearbeitet werden. Hat die Laserstrahlschneideinrichtung die Stutzenöffnung in das Wandungsmaterial eingearbeitet, wird ein beispielsweise als Drehteil hergestellter Formkörperstutzen an dem die Stutzenöffnung umgrenzenden Randbereich des Wandungsabschnitts positioniert. Der Formkörperstutzen wird dazu an dem Wandungsmaterial angeheftet und in der definierten Position fixiert, bevor anschließend der Formkörperstutzen rundum an dem die Stutzenöffnung umgrenzenden Randbereich des Wandungsmaterials dicht festgeschweißt wird. Während dieser Arbeitsschritte ist das zur Herstellung des Formkörpers benötigte Wandungsmaterial in einer gemeinsamen Aufspanneinrichtung gehalten, die wahlweise unterhalb der Laserstrahlschneideinrichtung oder der Laserstrahlschweißeinrichtung positioniert werden kann. Bei der zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmten Materialbearbeitungsmaschine der eingangs erwähnten Art besteht die erfindungsgemäße Lösung der oben stehenden Aufgabe darin, dass die Materialbearbeitungsmaschine zumindest drei Arbeitsstationen hat, von denen jeweils in zumindest zwei Arbeitsstationen einander nachfolgende Bearbeitungsvorgänge an ein und demselben Werkstück erfolgen, dass die Materialbearbeitungsmaschine eine erste Arbeitsstation mit einer Laserstrahlschneideinrichtung hat, und dass beidseits der ersten Arbeitsstation jeweils eine zweite Arbeitsstation mit einer Laserstrahlschweißeinrichtung vorgesehen ist, und dass die Aufspanneinrichtung mitsamt dem Werkstück in der Materialbearbeitungsmaschine zwischen den Arbeitsstationen verfahrbar ist.
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Die erfindungsgemäße Materialbearbeitungsmaschine hat wenigstens eine Laserstrahlschneideinrichtung zum Laserstrahlschneiden und mindestens eine Laserstrahlschweißeinrichtung zum Laserstrahlschweißen an einem Werkstück, welches Werkstück in einer Aufspanneinrichtung gehalten ist. Dabei kann durch Laserstrahlschneiden beispielsweise eine Stutzenöffnung in das für einen Formkörper benötigte Wandungsmaterial eingearbeitet werden und ein Ausstanzen dieser Stutzenöffnung ist nicht mehr nötig. Durch nachfolgendes Laserstrahlschweißen ist es möglich, an dem die Stutzenöffnung umgrenzenden Randbereich einen Formkörperstutzen anzuschweißen. Ein weiteres Anwendungsbeispiel sieht die Begradigung eines als Teilbereich der Formkörperwandung dreidimensional geformten Werkstücks durch Laserstrahlschneiden vor, bevor dieses Werkstück anschließend mit einem weiteren formangepassten Werkstück zu dem benötigten Formkörper komplettiert und entlang den begradigten Kanten dieser Werkstücke durch Laserstrahlschweißen verschweißt werden. Der wenigstens einen Laserstrahlschneideinrichtung und der mindestens einen Laserstrahlschweißeinrichtung ist eine gemeinsame Aufspanneinrichtung angeordnet, an der ein Werkstück während der Bearbeitung durch Laserstrahlschneiden beziehungsweise Laserstrahlschweißen gehalten wird. Die Relativposition dieser Aufspanneinrichtung ist mitsamt dem daran gehaltenen Werkstück in Relation zur wenigstens einen Laserstrahlschneideinrichtung und zur mindestens eine Laserstrahlschweißeinrichtung in der Materialbearbeitungsmaschine veränderbar. Auf diese Weise kann das an der Aufspanneinrichtung gehaltene Werkstück wahlweise in eine Bearbeitungsposition unterhalb der Laserstrahlschneideinrichtung oder unterhalb der Laserstrahlschweißeinrichtung positioniert werden.
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Dabei weist die erfindungsgemäße Materialbearbeitungsmaschine zumindest drei Arbeitsstationen auf, von denen an jeweils zumindest zwei Arbeitsstationen einander nachfolgende Bearbeitungsvorgänge an ein und demselben Werkstück erfolgen. Die erfindungsgemäße Materialbearbeitungsmaschine hat dazu mehrere Arbeitsstationen, von denen an jeweils zumindest zwei Arbeitsstationen einander nachfolgende Bearbeitungsvorgänge an ein und demselben Werkstück erfolgen. Um diese Bearbeitungsvorgänge vorzunehmen, muss das Werkstück nicht umgespannt und nicht neu positioniert werden, vielmehr wird das Werkstück lediglich an die nachfolgende Bearbeitungsstation innerhalb der Materialbearbeitungsmaschine weitergeleitet. Da ein weiteres Werkstück bereits in einer Arbeitsstation neu aufgespannt werden kann, während in den anderen Arbeitsstationen bereits die Bearbeitung anderer Werkstücke erfolgt, können in der Materialbearbeitungsmaschine hohe Stückzahlen pro Zeiteinheit mit hoher Präzision bearbeitet werden. Die erfindungsgemäße Materialbearbeitungsmaschine weist dazu eine erste Arbeitsstation mit einer Laserstrahlschweißeinrichtung auf, wobei beidseits der ersten Arbeitsstation jeweils eine zweite Arbeitsstation mit einer Laserstrahlschweißeinrichtung vorgesehen ist. Um beim Wechseln der Arbeitsstationen das zu bearbeitende Werkstück nicht neu aufspannen zu müssen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Aufspanneinrichtung mitsamt dem Werkstück in der Materialbearbeitungsmaschine zwischen den Arbeitsstationen verfahrbar ist.
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Eine besonders einfache Ausgestaltung gemäß der Erfindung sieht vor, dass die Aufspanneinrichtung als Vakuum- oder Magnetaufspanneinrichtung ausgebildet ist.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung gemäß der Erfindung sieht vor, dass die mindestens eine Laserstrahlschweißeinrichtung eine den Laserstrahl führende Laseroptik hat, die als eine um eine Drehachse verfahrbare Rotations- oder Drehoptik ausgebildet ist. Die Drehachse dieser verfahrbaren Dreh- oder Rotationsoptik kann beispielsweise koaxial zur Längsachse des Formkörperstutzens angeordnet werden, um anschließend die Rotations- oder Drehoptik um den Formkörperstutzen zu verfahren und um den Formkörperstutzen rundum an dem daran anliegenden und für den Formkörper benötigten Werkstück anzuschweißen. Somit kann auf ein kompliziertes Verfahren einer Laseroptik entlang den ansonsten üblichen X-, Y- und Z-Achsen verzichtet werden.
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Weiterbildungen gemäß der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den Ansprüchen sowie der Zeichnung. Nachstehend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles noch näher beschrieben.
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Es zeigt:
- 1 eine Materialbearbeitungsmaschine, die drei Arbeitsstationen hat, in denen jeweils eine Laserstrahleinrichtung entlang einer Z-Achse verfahrbar ist, wobei den Arbeitsstationen gemeinsame Aufspanneinrichtungen zugeordnet sind, die unterhalb den Arbeitsstationen positioniert werden können,
- 2 die Materialbearbeitungsmaschine aus 1 in einer Vorderansicht,
- 3 die Materialbearbeitungsmaschine aus 1 und 2 in einer Seitenansicht,
- 4 bis 9 einzelne Verfahrensschritte, welche die Bearbeitung eines zur Herstellung eines Behälters oder eines anderen, insbesondere dreidimensionalen Formkörpers bestimmten Wandungsabschnitts zeigen, an dem eine Stutzenöffnung eingearbeitet und ein Formkörperstutzen angeschweißt wird, wobei
- 4 die Herstellung der Stutzenöffnung in dem Wandungsabschnitt mittels einer Laserstrahlschneideinrichtung,
- 5 das Positionieren des als Drehteil hergestellten Formkörperstutzens an der Stutzenöffnung im Wandungsmaterial,
- 6 das Ansetzen und Positionieren des Formkörperstutzens an dem die Stutzenöffnung umgrenzenden Randbereich des Wandungsmaterials,
- 7 das Anheften des Formkörperstutzens an dem die Stutzenöffnung umgrenzenden Randbereich des Wandungsmaterials,
- 8 das umlaufende dichte Verschweißen des Formkörperstutzens an dem die Stutzenöffnung umgrenzenden Randbereich des Wandungsmaterials, und
- 9 die zum Anheften und Verschweißen des Formkörperstutzens vorgesehene und in einer der Arbeitsstationen der in den 1 bis 3 gezeigten Materialbearbeitungsmaschine befindliche Laserstrahlschweißeinrichtung gemäß den 7 und 8.
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In den 1 bis 3 ist eine Materialbearbeitungsmaschine 1 dargestellt, die zur Herstellung eines Formkörpers bestimmt ist, der an einer Stutzenöffnung einen Formkörperstutzen hat. Die Materialbearbeitungsmaschine 1 hat hier drei Arbeitsstationen 2, 3 und 4, von denen jeweils in zumindest zwei Arbeitsstationen 2, 3, 4 einander nachfolgende Bearbeitungsvorgänge an ein und demselben Werkstück erfolgen. Dabei weist die Materialbearbeitungsmaschine 1 eine erste Arbeitsstation 2 mit einer Laserstrahlschneideinrichtung 5 auf, während beidseits dieser ersten Arbeitsstation 2 jeweils eine zweite Arbeitsstation 3, 4 mit einer Laserstrahlschweißeinrichtung 6 vorgesehen ist. Den Laserstrahleinrichtungen 5, 6 sind gemeinsame Aufspanneinrichtungen zugeordnet, die mitsamt dem zu bearbeitenden Werkstück in der Materialbearbeitungsmaschine 1 zwischen den Arbeitsstationen 2, 3, 4 verfahrbar sind.
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Aus den 1 bis 3 ist erkennbar, dass die Laserstrahleinrichtungen 5, 6 in den Arbeitsstationen 2, 3, 4 entlang einer Z-Achse verfahrbar sind. Die in den Arbeitsstationen 3, 4 vorgesehenen Laserstrahlschweißeinrichtungen 6 weisen jeweils eine den Laserstrahl führende Laseroptik 7 auf, die als eine um eine Drehachse verfahrbare Rotations- oder Drehoptik ausgebildet ist.
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In 4 ist gezeigt, wie mit Hilfe der Laserstrahlschneideinrichtung eine Stutzenöffnung 8 in ein zur Herstellung eines Formkörpers benötigten Wandungsabschnitts eingearbeitet werden kann. Hat die Laserstrahlschneideinrichtung 5 die Stutzenöffnung 8 in das Wandungsmaterial eingearbeitet, wird - wie die 5 und 6 zeigen - ein meist als Drehteil hergestellter Formkörperstutzen 9 an dem die Stutzenöffnung umgrenzenden Randbereich des Wandungsabschnitts positioniert.
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In 7 ist gezeigt, dass der Formkörperstutzen 9 an dem Wandungsmaterial angeheftet und in der definierten Position fixiert wird, wovor anschließend - wie in 8 gezeigt ist - der Formkörperstutzen 9 rundum an dem die Stutzenöffnung 8 umgrenzenden Randbereich des Wandungsmaterials dicht festgeschweißt wird. Während der in den 4 bis 8 gezeigten Arbeitsschritte ist das zur Herstellung des Formkörpers benötigte Wandungsmaterial in einer gemeinsamen Aufspanneinrichtung gehalten, die wahlweise unterhalb der Laserstrahlschneideinrichtung 5 oder der Laserstrahlschweißeinrichtung 6 positioniert werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Materialbearbeitungsmaschine
- 2
- erste Arbeitsstation
- 3
- zweite Arbeitsstation
- 4
- weitere zweite Arbeitsstation
- 5
- Laserstrahlschneideinrichtung
- 6
- Laserstrahlschweißeinrichtung
- 7
- Laseroptik
- 8
- Stutzenöffnung
- 9
- Formkörperstutzen
