DE102022133038A1 - Verfahren und Vorrichtung zur nacharbeitsfreien Produktion hybrider Strukturen - Google Patents

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Abstract

Es wird eine Vorrichtung zum Fertigen hybrider Strukturen bereitgestellt. Die Vorrichtung umfasst einen Kaltgasspritzkopf, ein Bearbeitungsmodul, und eine Steuerung. Der Kaltgasspritzkopf und das Bearbeitungsmodul sind in einer gemeinsamen Einheit angeordnet. Die Steuerung ist konfiguriert, die Operation des Kaltgasspritzkopfs und des Bearbeitungsmoduls so zu steuern, dass ein erster Arbeitsschritt durch den Kaltgasspritzkopf und ein zweiter Arbeitsschritt durch das Bearbeitungsmodul ausgeführt wird, wobei der erste Arbeitsschritt und der zweite Arbeitsschritt aufeinanderfolgend oder gleichzeitig initiiert werden. Ferner wird ein Verfahren zum Fertigen einer hybriden Struktur unter Verwendung der Vorrichtung bereitgestellt.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Fertigen einer hybriden Struktur sowie auf ein entsprechendes Fertigungsverfahren.
  • TECHNISCHER HINTERGRUND
  • Kaltgasspritzen ist ein modernes Verfahren im Bereich des thermischen Spritzens. Im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren bietet das Kaltgasspritzen besondere Vorteile, da der Spritzwerkstoff beim Prozess weder an- noch aufgeschmolzen wird. Damit wird der thermische Einfluss auf Schicht und Trägermaterial minimiert. Beim Kaltgasspritzen erfolgt dabei ein Erhitzen von einem Trägergas (bspw. Stickstoff) unter Druck, wodurch eine höhere Gasgeschwindigkeit ermöglicht wird. Anschließend werden Partikel eines aufzubringenden Werkstoffs zugeführt und durch das Gas beschleunigt, wodurch eine hohe kinetische Energie der Partikel erreicht wird. Die so beschleunigten Partikel werden durch eine gekühlte konvergent-divergente Düse (DeLaval-Düse) geleiten. Nach dem Auftreffen der Partikel auf der Oberfläche verformen diese sich plastisch und verbinden sich zu einem (hoch-)festen Verbund mit dem Substrat. Ein Aufschmelzen der Partikel findet nach aktuellem Stand der Wissenschaft nicht statt.
  • In additiven Verfahren sind oftmals verschiedene Vor- oder Nachbearbeitungsschritte, wie beispielsweise ein vorheriges Schleifen einer Oberfläche, auf welcher der Werkstoff aufgespritzt werden soll, oder das anschließende Versiegeln oder Bestrahlen des aufgespritzten Werkstoffs, notwendig. In herkömmlichen additiven Verfahren (welche kein Kaltgasspritzen verwenden) ist die Zusammenfassung des additiven Prozesses mit derartigen Vor- und Nacharbeitsprozessen auf Grund des thermischen Eintrags des additiven Verfahrens (beispielsweise durch herkömmliche Spritzverfahren, in welchen der Spritzwerkstoff erhitzt/geschmolzen wird oder durch Auftragsschweißen) nicht bzw. nur eingeschränkt möglich. Die Emissionen (z.B. Laserstrahlung) bisheriger Verfahren erlauben deshalb eine Kombination im selben Endeffektor nicht oder nur sehr beschränkt.
  • BESCHREIBUNG
  • Dementsprechend ist es Aufgabe der Erfindung, eine modulare Vorrichtung und ein Verfahren mit verkürzter Prozesszeit, integrierter Referenzierung und verbessertem additiven Aufbau zur Verfügung zu stellen.
  • Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie aus der folgenden Beschreibung.
  • Gemäß einem ersten Aspekt wird eine Vorrichtung zum Fertigen hybrider Strukturen bereitgestellt. Die Vorrichtung umfasst einen Kaltgasspritzkopf, ein Bearbeitungsmodul, und eine Steuerung. Der Kaltgasspritzkopf und das Bearbeitungsmodul sind in einer gemeinsamen Einheit angeordnet. Die Steuerung ist konfiguriert, die Operation des Kaltgasspritzkopf und des Bearbeitungsmoduls so zu steuern, dass ein erster Arbeitsschritt durch den Kaltgasspritzkopf und ein zweiter Arbeitsschritt durch das Bearbeitungsmodul ausgeführt wird, wobei der erste Arbeitsschritt und der zweite Arbeitsschritt aufeinanderfolgend oder gleichzeitig initiiert werden.
  • Unter hybriden Strukturen können Strukturen verstanden werden, die aus verschiedenen zusammengesetzten Materialien, z.B. in Form von unterschiedlichen Materialschichten, aufgebaut sind. Beispielsweise kann es sich dabei um Leiterplatten mit aufgebrachten Leiterbahnen, um eine Batterieanordnung mit einem Batterielayer mit einer dünnen Metallschicht und einem Isolator darüber, oder um jede andere ähnlich aufgebaute Struktur handeln. Die unterschiedlichen Schichten müssen dabei nicht zwangsläufig deckungsgleich sein. Die vorstehende Aufzählung ist jedoch nur beispielhaft.
  • Derartige hybride Strukturen können beispielsweise durch Aufspritzen einer Schicht (oder einer Teilschicht) auf ein Basismaterial/Trägermaterial gefertigt werden. Das Endprodukt wird dabei in einem additiven Verfahren gefertigt. Um den thermischen Einfluss des Spritzvorgangs auf das Trägermaterial gering zu halten, sind Kaltgasspritzverfahren aufgrund der Vermeidung des An- oder Aufschmelzens des Spritzwerkstoffs besonders vorteilhalft. In verschiedenen Anwendungen ist jedoch ein Vorbearbeiten des Trägermaterials (oder einer zuvor aufgebrachten Schicht, bevor eine weitere Schicht aufgebracht wird) oder ein Nachbearbeiten der aufgebrachten Schichten notwendig. Beispielsweise kann es notwendig sein, eine Oberfläche durch Fräsen, Schleifen, Honen oder andere Verfahren vorzubereiten, bevor eine Materialschicht aufgespritzt wird, beispielsweise um die Oberflächenqualität zu verbessern oder um eine Anpassung auf ein Endmaß zu ermöglichen. Ferner kann es notwendig sein, eine aufgebrachte Materialschicht, beispielsweise durch Aufbringen einer Versiegelung, nachzubearbeiten.
  • Die Durchführung derartiger Vor- und/oder Nachbearbeitungs-Arbeitsschritte mit dem Aufspritz-Arbeitsschritt ist dabei bei bestehenden additiven Verfahren, wie beispielsweise bei Spritzgussverfahren, in welchen der Spritzwerkstoff erhitzt wird, aufgrund des thermischen Eintrags in das Trägermaterial nicht oder nur sehr beschränkt zusammen in einer gemeinsamen Einheit möglich.
  • Vorliegend wird vorgeschlagen, Kaltgasspritzverfahren aufgrund des nicht vorhandenen oder zumindest stark reduzierten thermischen Eintrags mit der Durchführung verschiedener und beliebiger Vor- und/oder Nachbearbeitungsschritte zu kombinieren, so dass unterschiedliche Arbeitsschritte aufeinanderfolgend oder teilweise zeitgleich durch eine einzige Vorrichtung ausgeführt werden, indem entsprechende Bearbeitungsmodule in einer gemeinsamen Einheit angeordnet werden. Dadurch wird eine deutliche Reduzierung der Prozesszeit erreicht, da das Werkstück zur Durchführung der Vor- und/oder Nachbearbeitungsprozesse nicht ausgetaktet und in eine andere Vorrichtung verbracht werden muss. Zudem wird dadurch eine automatische integrierte Referenzierung zur Verfügung gestellt, da der Kaltgasspritzkopf und das oder die entsprechenden Bearbeitungsmodul(e) in einer festen räumlichen Relation zueinander in der gemeinsamen Einheit angeordnet sind. Es wird somit eine präzise aufeinanderfolgende Ausführung verschiedener Arbeitsschritte in einem Zug ermöglicht.
  • Dass der erste Arbeitsschritt und der zweite Arbeitsschritt aufeinanderfolgend oder gleichzeitig initiiert werden, bedeutet, dass diese beiden Arbeitsschritte zu unterschiedlichen (aufeinanderfolgenden) Zeitpunkten oder beide zum (zumindest im Wesentlichen) gleichen Zeitpunkt gestartet werden. So kann z.B. zunächst der erste Arbeitsschritt gestartet und nach Ablauf einer bestimmten Zeitspanne der zweite Arbeitsschritt gestartet werden. Der erste Arbeitsschritt und der zweite Arbeitsschritt können jedoch auch bei zur gleichen Zeit initiiert werden. Zudem kann der zweite Arbeitsschritt beispielsweise auch bereits gestartet werden, während der erste Arbeitsschritt noch ausgeführt wird oder nachdem der erste Arbeitsschritt beendet wurde. Der Kaltgasspritzkopf und das Bearbeitungsmodul sind beispielsweise so angeordnet, dass der erste Arbeitsschritt und der zweite Arbeitsschritt zumindest teilweise zur gleichen Zeit, jedoch an unterschiedlichen Positionen der gefertigten hybriden Struktur, ausgeführt werden können.
  • Die gemeinsame Einheit ist dabei durch ein gemeinsames Gehäuse definiert, in welchem der Kaltgasspritzkopf und das Bearbeitungsmodul in räumlich unmittelbarer Nähe zueinander angeordnet sind, so dass der Kaltgasspritzkopf und das Bearbeitungsmodul durch Verschieben oder Führen der gemeinsamen Einheit zusammen einem gemeinsamen Pfad / einer gemeinsamen Bewegungsbahn folgen.
  • Der Kaltgasspritzkopf umfasst eine Heizung in einem Gehäuse zwischen einer Gaszuführung und einer gekühlten Düse (z.B. einer DeLaval-Düse). Ein hochverdichtetes Gas (z.B. Stickstoff), welches durch die Gaszuführung eintritt, wird durch die Heizung erhitzt und dadurch in Richtung der Düse beschleunigt. Ein Werkstoffpulver kann in den Gasstrom eingebracht werden und wird durch das hochverdichtete Gas beschleunigt. Wenn die beschleunigten Partikel des Werkstoffpulvers aus der Düse austreten und auf einer Oberfläche auftreffen, verformen die Partikel sich plastisch und bilden die entsprechende Materialschicht auf dem Trägermaterial.
  • Das Bearbeitungsmodul kann jedes geeignete Modul sein, das einen entsprechenden Arbeitsschritt bei der Fertigung der hybriden Struktur ausführt, wie weiter unten beschrieben. Wenn das Bearbeitungsmodul einen Vorbearbeitungsschritt vor dem Aufspritzen mit dem Kaltgasspritzkopf durchführen soll, ist das Bearbeitungsmodul in Bezug auf die Bewegungsbahn der gemeinsamen Einheit vor dem Kaltgasspritzkopf angeordnet, so dass das Bewegungsmodul das Trägermaterial zuerst überstreicht und der entsprechende Arbeitsschritt auf dem Trägermaterial (oder auf einer zuvor aufgebrachten Schicht auf dem Trägermaterial) somit vor dem Kaltgasspritzen durchgeführt wird. Wenn das Bearbeitungsmodul einen Nachbearbeitungsschritt nach dem Aufspritzen mit dem Kaltgasspritzkopf durchführen soll, ist das Bearbeitungsmodul in Bezug auf die Bewegungsbahn der gemeinsamen Einheit hinter dem Kaltgasspritzkopf angeordnet, so dass das Bewegungsmodul das Trägermaterial nach dem Kaltgasspritzkopf überstreicht und der entsprechende Arbeitsschritt nach dem Kaltgasspritzen durchgeführt wird.
  • Ferner sollte beachtet werden, dass, obwohl hierin nur ein Bearbeitungsmodul beschrieben wird, eine beliebige Anzahl von Bearbeitungsmodulen in der Vorrichtung in der gemeinsamen Einheit in entsprechender Anordnung vorhanden sein kann, um eine Vielzahl von Arbeitsschritten unmittelbar aufeinanderfolgend oder teilweise zeitgleich durchzuführen.
  • Die Steuerung ist konfiguriert, alle Aspekte der Operation des Kaltgasspritzkopfs und des/der Bearbeitungsmoduls/Bearbeitungsmodule zu steuern. Insbesondere kann die Steuerung auch die Bewegung der gemeinsamen Einheit über das Trägermaterial steuern. Die Steuerung kann beispielsweise ein handelsüblicher Allzweckcomputer mit einer CPU und entsprechenden Speicherkomponenten, ein FPGA, ein ASIC, oder jede andere geeignete Steuereinheit sein.
  • Bezüglich des ersten Arbeitsschritts und des zweiten Arbeitsschritts sollte erkannt werden, dass dadurch keine Reihenfolge der Arbeitsschritte festgelegt wird. Vielmehr ergibt sich die Reihenfolge der Arbeitsschritte aus dem beabsichtigten Fertigungsprozess bzw. aus der Funktion des Bearbeitungsmoduls. So kann der zweite Arbeitsschritt vor dem ersten Arbeitsschritt stattfinden, wenn das Bearbeitungsmodul eine Vorbearbeitung ausführt, und der zweite Arbeitsschritt kann nach dem ersten Arbeitsschritt erfolgen, wenn das Bearbeitungsmodul eine Nachbearbeitung ausführt. Ferner sollte erkannt werden, dass zusätzlich zu dem ersten Arbeitsschritt und dem zweiten Arbeitsschritt weitere Arbeitsschritte (z.B. ein dritter Arbeitsschritt, ein vierter Arbeitsschritt, etc.) vorhanden sein können, insbesondere wenn mehr als ein Bearbeitungsmodul vorhanden ist, und die Arbeitsschritte können entsprechend dem beabsichtigten Fertigungsprozess in beliebiger Reihenfolge ausgeführt werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist das Bearbeitungsmodul ein auftragendes Modul zum Durchführen eines auftragenden Arbeitsschritts, oder ein abtragendes Modul zum Durchführen eines abtragenden Arbeitsschritts. Ebenso kann es sich um ein Modul zur Änderung der Stoffeigenschaften (bspw. UV-Belichtung oder lokale Wärmbehandlung) handeln.
  • Ein auftragenden Bearbeitungsmodul kann beispielsweise ein Bearbeitungsmodul sein, das eine Versiegelung oder eine andere Materialschicht aufbringt. Ein abtragendes Bearbeitungsmodul ist ein Bearbeitungsmodul, das Material von dem Trägermaterial oder einer zuvor aufgebrachten Schicht (beispielsweise durch Schleifen oder ähnliche Prozesse) abträgt.
  • Das Bearbeitungsmodul kann ferner auch ein Modul sein, welches, beispielsweise durch Energieeintrag, die Eigenschaft des mit dem Kaltgasspritzkopf aufgebrachten Materials beeinflusst/verändert, wie beispielsweise ein Laser, welcher bei der Implementierung von Lasersinterverfahren nützlich sein kann, oder ein Heizmodul oder Ähnliches. Diese Aufzählung ist jedoch lediglich beispielhaft und andere Bearbeitungsmodule sind ebenfalls denkbar.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Bearbeitungsmodul eines aus einem Versiegelungsmodul zum Auftragen einer Versiegelung, einem Lasermodul, einem Schleifmodul, einem Fräsmodul und einem Hohnmodul ist.
  • Ein Versiegelungsmodul oder ein Lasermodul können beispielsweise als Nachbearbeitungsmodule dienen. Schleif-, Fräs- oder Hohnmodule können sowohl als Vorbearbeitungsmodul als auch als Nachbearbeitungsmodul dienen.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Bearbeitungsmodul ein zweiter Kaltgasspritzkopf.
  • Mit einem solchen zweiten Kaltgasspritzkopf kann beispielsweise unmittelbar nach dem Aufbringen eines ersten Materials eine zweite Materialschicht über der ersten Materialschicht aufgebracht werden. Das Material der zweiten Materialschicht kann das gleiche Material wie das der ersten Materialschicht sein oder kann ein anderes Material sein.
  • Durch das Vorsehen eines zweiten Kaltgasspritzkopfs muss nicht zunächst die erste Materialschicht vollständig aufgebracht werden, sondern mehrere Materialschichten können im Wesentlichen gleichzeitig aufgebracht werden. Dies wird insbesondere auch dadurch ermöglicht, dass beim Kaltgasspritzen das aufgebrachte Material nicht zunächst aushärten muss, wie bei herkömmlichen Spritzverfahren. Dadurch wird die Prozesszeit beim Fertigen von mehrschichtigen hybriden Strukturen verkürzt.
  • Es sollte beachtet werden, dass beliebige weitere Kaltgasspritzköpfe in der gemeinsamen Einheit vorhanden sein können. Ebenso können auch mehrere Kaltgasspritzköpfe zusammen mit einem oder mehreren Bearbeitungsmodulen verwendet werden, abhängig vom beabsichtigen Fertigungsverfahren, d.h. von den beabsichtigten Fertigungsschritten beim Herstellen der hybriden Struktur.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung ferner eine Absaugung, welche in der gemeinsamen Einheit angeordnet ist, und die konfiguriert ist, überschüssiges Arbeitsmaterial aus zumindest einem Arbeitsschritt abzusaugen.
  • Durch eine solche Absaugung kann überschüssiges Material vor dem nächsten Arbeitsschritt von der gefertigten Struktur entfernt werden, um Verunreinigungen in den nachfolgenden Fertigungsschritten zu vermeiden. Es können auch mehrere Absaugungen vorgesehen sein, z.B. an einzelnen, an einigen, oder an jedem Teilmodul der gemeinsamen Einheit, d.h. beispielsweise an jedem Kaltgasspritzkopf und an jedem Bearbeitungsmodul. Die entsprechenden Absaugungen können dabei auch so ausgeführt sein, dass das abgesaugte Material von den einzelnen Teilmodulen voneinander getrennt wird, um wiederverwendet zu werden.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Bearbeitungsmodul modular auswechselbar und umfasst ein Identifikator-Tag zum Identifizieren eines Typs des Bearbeitungsmoduls durch die Steuerung.
  • Beispielsweise kann jedes Bearbeitungsmodul (und auch jeder Kaltgasspritzkopf) eine entsprechende Schnittstelle zum mechanischen Ankoppeln von weiteren Bearbeitungsmodulen und/oder Kaltgasspritzköpfen and das Bearbeitungsmodul und zum elektronischen Ankoppeln der weiteren Bearbeitungsmodule und/oder Kaltgasspritzköpfe and die Steuerung umfassen, so dass die Steuerung auch die Operation der angekoppelten Bearbeitungsmodule und/oder Kaltgasspritzköpfe steuern kann. Dadurch wird ein flexibles modulares System geschaffen, dass einfach an andere Anforderungen/Fertigungsverfahren angepasst werden kann. Unter einem Fertigungsverfahren ist dabei die Ausführung bestimmter Fertigungsschritte durch bestimmte Teilmodule sowie deren zeitliche Abfolge zu verstehen. Verschiedene Bearbeitungsmodule für verschiedene Funktionen sind beispielsweise strukturell (hinsichtlich Form, Größe, Gestalt, mechanische und elektrische Spezifikation, etc.) gleich gestaltet, um in den gleichen Steckplatz bzw. die gleiche Schnittstelle der Vorrichtung wahlweise eingebracht zu werden.
  • Der Kaltgasspritzkopf und das weitere Bearbeitungsmodul können ebenfalls strukturell gleich gestaltet sein, wie oben beschrieben, damit diese beiden in der Vorrichtung ihre Position tauschen können. Somit kann bei einer Bewegung der Vorrichtung in eine bestimmte Richtung ermöglicht werden, dass der Kaltgasspritzkopf in Bewegungsrichtung wahlweise vor oder hinter dem Bearbeitungsmodul angeordnet ist.
  • Das Identifikator-Tag kann beispielsweise ein RFID-Tag sein, welches durch die Steuerung (beispielsweise durch ein entsprechendes an der gemeinsamen Einheit angebrachtes Lesegerät) ausgelesen werden kann und eine Identifikation des entsprechenden Bearbeitungsmoduls und dessen Typs bereitstellt. Die Steuerung kann so ermitteln, welches Teilmodul an welcher Stelle angebracht ist.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Steuerung konfiguriert, abhängig vom Typ des Bearbeitungsmoduls ein Fertigungsverfahren durchzuführen.
  • Bei einer erkannten bestimmten Konfiguration von Teilmodulen kann so ein entsprechendes Fertigungsverfahren ausgeführt werden, ohne dass manuelle Eingaben nötig sind. Entsprechende Fertigungsverfahren können dabei beispielsweise für verschiedene Konfigurationen von Teilmodulen im Speicher der Steuerung, beispielsweise in einer Lookup-Tabelle, gespeichert sein und beim Erkennen der entsprechenden Konfiguration durch die Steuerung abgerufen und ausgeführt werden.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung ferner ein Überwachungsmodul zum Überwachen der Qualität der gefertigten hybriden Struktur.
  • Das Überwachungsmodul kann jedes geeignete Modul zur Überwachung der Qualität der gefertigten Struktur sein. Beispielsweise kann es sich dabei um ein Modul handeln, das eine Schichtdicke des aufgebrachten Materials, beispielsweise durch entsprechende Taster oder Fühler, überwacht. Eine weitere Möglichkeit ist beispielsweise ein Kameramodul oder jedes andere geeignete Modul. Das Überwachungsmodul kann, ebenso wie der Kaltgasspritzkopf oder die Kaltgasspritzköpfe und das/die Bearbeitungsmodul(e) ein modulares Modul sein, welches an der Vorrichtung angebracht werden kann. Es können auch verschiedene Überwachungsmodule verwendet werden.
  • Ferner kann das oder eines der Überwachungsmodule eine ständige Überwachung des Kontakts zur Basisstruktur sowie der Austrittsmengen umfassen, so dass das Überwachungsmodul auch in eines der anderen Teilmodule (Kaltgasspritzköpfe/Bearbeitungsmodule) oder beispielsweise auch in die Steuerung integriert sein kann.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung ferner einen Roboterarm, wobei die gemeinsame Einheit ein Endeffektor des Roboterarms ist.
  • Die Vorrichtung kann dabei einen Roboterarm umfassen oder auch selbst der Roboterarm sein und die gemeinsame Einheit ist der Endeffektor am Roboterarm, an welchen verschiedene Werkzeuge (in Form der Kaltgasspritzdüsen und der Bearbeitungsmodule) angebracht werden können. Der Roboterarm fährt dann während der Fertigung die entsprechende Bahn über dem Trägermaterial ab und führt die entsprechenden Fertigungsschritte aus. Die Steuerung kann Teil des Roboterarms selbst sein oder kann extern in einer größeren Vorrichtung oder einem größeren Fertigungssystem angebracht sein, welches den Roboterarm umfasst.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein Verfahren zum Fertigen einer hybriden Struktur unter Verwendung einer vorstehend beschriebenen Vorrichtung zur Verfügung gestellt. Das Verfahren umfasst in einem ersten Schritt das Laden eines Bearbeitungsprogramms in die Vorrichtung. In einem zweiten Schritt umfasst das Verfahren das Positionieren der gemeinsamen Einheit in einer Anfangsposition. In einem dritten Schritt umfasst das Verfahren das Auftragen einer ersten Schicht auf ein Trägermaterial mit dem Kaltgasspritzkopf. In einem vierten Schritt umfasst das Verfahren das Vorbearbeiten, vor Beginn des dritten Schrittes, einer Komponente, auf welcher die hybride Struktur gebildet wird, oder das Auftragen einer zweiten Schicht oder das Nachbearbeiten der ersten Schicht, nach Abschluss des dritten Schrittes, mit dem Bearbeitungsmodul.
  • Die Vorrichtung kann gemäß irgendeiner der zuvor beschriebenen Ausführungsformen ausgestaltet sein.
  • Das Bearbeitungsprogramm umfasst das Fertigungsverfahren bzw. die Schritte des Fertigungsverfahrens und kann beispielsweise (im ersten Schritt), in entsprechenden Ausführungsformen, automatisch aus einem Speicher der Steuerung geladen werden, wenn entsprechende Identifikator-Tags erkannt werden, wie weiter oben beschrieben. Das Bearbeitungsprogramm kann jedoch in anderen Ausführungsformen auch manuell durch einen Bediener oder automatisiert von einem Fertigungssystem, welches die Vorrichtung umfasst, geladen werden.
  • Im zweiten Schritt wird die gemeinsame Einheit, welche zumindest einen Kaltgasspritzkopf und ein Bearbeitungsmodul umfasst, in eine Anfangsposition über dem Trägermaterial, beispielsweise über einer Platine, auf welcher Leiterbahnen aufgebracht werden sollen, gebracht.
  • Daraufhin beginnt im dritten Schritt das Auftragen der ersten Schicht auf das Trägermaterial (beispielsweise die Platine) mit dem Kaltgasspritzkopf. Der Kaltgasspritzkopf kann dabei beispielsweise ein elektrisch leitfähiges Material in Form von Leiterbahnen auf das Trägermaterial aufbringen. Die gemeinsame Einheit wird dafür entlang einer vordefinierten Bahn über das Trägermaterial geführt. Es können jedoch auch ganzflächige geschlossene Schichten aufgebracht werden, indem die gemeinsame Einheit beispielsweise nacheinander nebeneinanderliegende Bahnen aufspritzt.
  • Der vierte Schritt, obwohl hier als vierter Schritt bezeichnet, findet nicht zwangsläufig nach dem dritten Schritt statt. Vielmehr wird der vierte Schritt im Wesentlichen gleichzeitig, bzw. unmittelbar bevor oder unmittelbar nach dem dritten Schritt durchgeführt und betrifft einen Arbeitsschritt mit dem Bearbeitungsmodul. Die Begriffe „unmittelbar bevor“ oder „unmittelbar nach“ sind dabei zeitlich stets in Bezug auf einen bestimmten Punkt auf dem Trägermaterial bzw. in Bezug auf die Bearbeitung dieses Punkts mit dem entsprechenden Modul zu sehen. Der Kaltgasspritzkopf oder die Kaltgasspritzköpfe und das/die Bearbeitungsmodul(e) werden mindestens zeitweise gleichzeitig betrieben, überstreichen einen bestimmten Punkt auf dem Trägermaterial aber nacheinander, so dass das in Bezug auf die vordefinierte Bahn weiter vorne liegende Teilmodul einen entsprechenden Punkt auf dem Trägermaterial vor einem in Bezug auf die Bahn weiter hinten liegenden Teilmodul bearbeitet. Wenn das Bearbeitungsmodul eine Vorbearbeitungsschritt durchführt, ist das Bearbeitungsmodul im Allgemeinen in Bezug auf die vordefinierte Bahn vor dem Kaltgasspritzkopf in der gemeinsamen Einheit angebracht und kann so jeden Punkt auf der vordefinierten Bahn (bei gleichzeitigem Betrieb mit dem Kaltgasspritzkopf) als erstes bearbeiten. Wenn das Bearbeitungsmodul eine Nachbearbeitungsschritt durchführt, ist das Bearbeitungsmodul im Allgemeinen in Bezug auf die vordefinierte Bahn hinter dem Kaltgasspritzkopf in der gemeinsamen Einheit angebracht und bearbeitet so jeden Punkt auf der vordefinierten Bahn (bei gleichzeitigem Betrieb mit dem Kaltgasspritzkopf) nach dem Kaltgasspritzkopf.
  • Wenn beispielsweise zwei Bearbeitungsmodule, eines zur Vorbearbeitung und eines zur Nachbearbeitung, in der Vorrichtung vorhanden sind, können das Vorbearbeitungsmodul, der Kaltgasspritzkopf und das Nachbearbeitungsmodul in einer Linie in der gemeinsamen Einheit angeordnet sein. Das Vorbearbeitungsmodul kann beispielsweise eine Schleifeinheit zur vorherigen Glättung der Trägereinheit sein. Der Kaltgasspritzkopf trägt dann ein gewünschtes Material auf und das Nachbearbeitungsmodul kann beispielsweise eine elektrisch isolierende Versiegelung auftragen. Dies ist allerdings lediglich ein Beispiel und andere Module und Abfolgen sind ebenso möglich.
  • Zusammenfassend wird durch die Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Fertigen hybrider Strukturen zur Verfügung gestellt, die eine schnelle gleichzeitige Ausführung mehrerer Prozessschritte auf einem Trägermaterial gleichzeitig ermöglichen. Insbesondere wird dies durch den nicht vorhandenen oder zumindest stark abgeschwächten thermischen Eintrag in das Trägermaterial durch die Verwendung einer Kaltgasspritzdüse ermöglicht. Die Vorrichtung und das Verfahren sind zudem modular einfach an sich ändernde Anforderungen anpassbar und ermöglicht eine deutliche Verkürzung der Prozesszeiten, da das Trägermaterial nach dem Aufbringen einer ersten Schicht nicht ausgetaktet und in eine andere Vorrichtung für die nachfolgenden Schritte verbracht werden muss.
  • KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
  • Nachfolgend wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher auf Ausführungsbeispiele eingegangen. Die Darstellungen sind schematisch und nicht maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen beziehen sich auf gleiche oder ähnliche Elemente. Es zeigen:
    • 1 Eine schematische Darstellung eines Kaltgasspritzkopfs
    • 2 Eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Fertigen hybrider Strukturen in einer Konfiguration als Roboterarm mit einem Endeffektor als gemeinsame Einheit.
    • 3 Ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Fertigen einer hybriden Struktur.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • 1 zeigt eine schematisch Darstellung eines Kaltgasspritzkopfs 11 nach dem Stand der Technik. Der Kaltgasspritzkopf 11 umfasst eine Heizung 11a (hier in Form einer Heizspule) in einem Gehäuse 11b zwischen einer Gaszuführung 11c und einer gekühlten Düse 11d (z.B. einer DeLaval-Düse). Ein hochverdichtetes Gas (z.B. Stickstoff), welches durch die Gaszuführung 11c eintritt, wird durch die Heizung 11a erhitzt und dadurch in Richtung der Düse 11d beschleunigt. Ein Werkstoffpulver kann über eine Pulverzuführung 11e in die Düse 11d eingebracht werden und wird durch das hochverdichtete Gas beschleunigt. Wenn die beschleunigten Partikel des Werkstoffpulvers aus der Düse 11d austreten und auf einer Oberfläche eines Trägermaterials 18 auftreffen, verformen die Partikel sich plastisch und bilden eine entsprechende erste Schicht 20 (aufgebrachtes Material 19) auf dem Trägermaterial 18. Der Kaltgasspritzkopf wird entlang einer Bewegungsrichtung 21 lateral über das Trägermaterial 18 geführt. Wenn eine geschlossene erste Schicht gebildet werden soll, kann der Kaltgasspritzkopf parallele Bahnen aus aufgebrachtem Material 19 in der gleichen Weise aufbringen. Das aufgebrachte Material 19 kann beispielsweise ein elektrisch leitfähiges Material sein und das Trägermaterial 18 kann beispielsweise eine Platine, auf welcher Leiterbahnen aufgebracht werden sollen, sein.
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 10 zum Fertigen hybrider Strukturen gemäß der Offenbarung. Die Vorrichtung 10 ist hier als Roboterarm 17 ausgeführt und weist eine gemeinsame Einheit 13 bzw. einen Endeffektors 13 mit einem Kaltgasspritzkopf 11 und einem Bearbeitungsmodul 12 auf. Eine Steuerung 14, wie beispielsweise ein Allzweckcomputer mit einer CPU und Speicherkomponenten, ist funktional mit dem Roboterarm 17 verbunden und steuert dessen Operation und darüber auch die Operation des Endeffektors 13 bzw. des Kaltgasspritzkopfs 11 und des Bearbeitungsmoduls 12.
  • Der Kaltgasspritzkopf 11 und das Bearbeitungsmodul 12 bilden zusammen den Endeffektor 13 (d.h. die gemeinsame Einheit 13, wie weiter oben beschrieben). Der Kaltgasspritzkopf 11 weist eine Heizung 11a, ein Gehäuse 11b, eine Gaszuführung 11c, eine gekühlte Düse 11d und eine Pulverzuführung 11e, wie oben mit Bezug auf 1 beschrieben, auf. Eine Absaugung 22 ist um den Austrittsbereich der Düse 11d angebracht, um überschüssiges Material abzusaugen.
  • Das Bearbeitungsmodul 12 ist in der dargestellten Konfiguration als Nachbearbeitungsmodul, insbesondere als Versiegelungseinheit zum Aufbringen einer Versiegelung, ausgestaltet. In anderen Ausgestaltungen kann das Bearbeitungsmodul 12 jedoch auch beispielsweise ein Vorbearbeitungsmodul (beispielsweise eine Schleifeinheit, eine Fräseinheit, eine Hohneinheit), oder ein Lasermodul (sowohl zur Vorbearbeitung des Trägermaterials als auch zur Nachbearbeitung des aufgebrachten Materials, beispielsweise in Lasersinterverfahren oder ähnlichen Verfahren) sein. Ferner können, wie weiter oben beschrieben, auch weitere Bearbeitungsmodule 12 oder weitere Kaltgasspritzköpfe 11 Teil des Endeffektors 13 sein, um weiter Vorbearbeitung- oder Nachbearbeitungsschritte durchzuführen oder weitere Schichten, beispielsweise aus anderen Materialien, aufzubringen. Das Bearbeitungsmodul kann dabei sowohl auftragende als auch abtragende Arbeitsschritte ausführen. Beispielsweise kann das Bearbeitungsmodul auch eine vorher aufgebrachte Schicht glatt schleifen, bevor eine nächste Schicht aufgebracht wird.
  • Ein Trägermaterial 18, wie beispielsweise eine Platine, wird auf einer Haltestruktur 23 gehalten. Der Roboterarm 17 betreibt den Endeffektor 13 und führt diesen entlang der Bewegungsrichtung 21 über das Trägermaterial 18, wobei der Kaltgasspritzkopf 11 und das Bearbeitungsmodul 12 gleichzeitig in Betrieb sind. Der Kaltgasspritzkopf 11 kann dadurch beispielsweise ein metallisches, elektrisch leitfähiges Material in Form von Leiterbahnen auf das Trägermaterial 18 aufbringen, welches unmittelbar darauf in einem Zug durch das Bearbeitungsmodul 12 mit einer Versiegelung überspritzt wird. Dies ist jedoch nur ein Beispiel. In anderen Konfiguration kann die Vorrichtung 10 auch für andere Anwendungen, z.B. zum Aufbauen einer geschichteten Struktur wie einer SandwichStruktur oder zum Bilden von Batterielayern mit einer dünnen Metallschicht mit einer darüber liegenden Isolatorschicht verwendet werden. Ferner kann die Vorrichtung für eine AFP-Verfahren (Engl.: Automated Fiber Placement) konfiguriert sein, um zwei Schichten gleichzeitig zu fertigen. Dies sind jedoch nur einige nicht einschränkende Beispiele. Wenn eine geschlossene Materialschicht aufgebracht werden soll, kann der Endeffektor 13 zudem beispielsweise in parallelen Bahnen über das Trägermaterial 18 geführt werden.
  • 3 zeigt ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 100 zum Fertigen einer hybriden Struktur unter Verwendung einer hierin offenbarten Vorrichtung 10, beispielsweise der Vorrichtung 10 aus 2. In einem ersten Schritt 110 wird ein Bearbeitungsprogramm in die Vorrichtung 10 geladen. Dies kann beispielsweise durch manuelle Benutzereingabe in die Steuerung 14 oder automatisch, beispielsweise durch Erkennen einer Konfiguration der gemeinsamen Einheit 13 durch die Steuerung 14, beispielsweise aufgrund von RFID-Tags, wie weiter oben beschrieben, erfolgen.
  • In Schritt 120 wird die gemeinsame Einheit 13, welche mindestens einen Kaltgasspritzkopf 11 und mindestens ein Bearbeitungsmodul 12 umfasst, in eine Anfangsposition über dem Trägermaterial gebracht.
  • Die Schritte 125, 130, 136 und 135 können im Wesentlichen gleichzeitig stattfinden, da diese, wie oben beschreiben in einem Zug durch die Bewegung der gemeinsamen Einheit 13 mit entsprechender Ausstattung an Kaltgasspritzköpfen 11 und Bearbeitungsmodulen 12 entlang der Bewegungsbahn 21 stattfinden. Bei Schritt 125 wird dabei das Trägermaterial 18, oder, falls zuvor eine andere Schicht aufgetragen wurde, auf welche nun eine weitere Schicht aufgetragen wird, die vorherige Schicht, vorbearbeitet. Das Vorbearbeiten 125 kann beispielsweise in einem Abschleifen durch ein entsprechendes Bearbeitungsmodul bestehen. Gleichzeitig wird in Schritt 130 eine erste Schicht, oder in Schritt 135 eine zweite Schicht (falls zuvor bereits eine erste Schicht, beispielsweise durch einen anderen Kaltgasspritzkopf 11 in der gemeinsamen Einheit 13, aufgetragen wurde) aufgetragen und in Schritt 136 die erste Schicht nachbearbeitet. Das Nachbearbeiten kann beispielsweise in dem Auftragen einer Versiegelung oder in einer Veränderung der Materialeigenschaften des durch den Kaltgasspritzkopf 11 aufgetragenen Material, beispielsweise durch eine Wärme- oder Lasereinheit oder jede andere geeignete Einheit, erfolgen.
  • Die Schritte 125, 130, 136 und 135 werden zwar zeitlich jeweils gleichzeitig durchgeführt, jedoch jeweils an leicht zueinander versetzten Punkten auf dem Trägermaterial 18. In diesem Sinne bezieht sich die Bezeichnung „gleichzeitig“ nicht eine gleichzeitige Ausführung der jeweiligen Schritte an einem einzelnen Punkt auf dem Trägermaterial, sondern auf die gleichzeitige Ausführung in Bezug auf die Gesamtkomponente. Die zeitliche Abfolge der Schritt an jedem Punkt auf der Bewegungsbahn 21 ist dabei leicht versetzt und wird durch die Anordnung der einzelnen Teilmodule 11, 12 in der gemeinsamen Einheit 13 definiert, wie oben beschrieben. Bei 140 endet das Verfahren und kann bei Bedarf wiederholt werden. Optional kann gleichzeitig mit den Schritten 125, 130, 136 und 135 ein Absaugen von Restmaterial durch an den entsprechenden Teilmodulen angebrachte Absaugungen 22 (2) erfolgen.
  • Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass „umfassend“ oder „aufweisend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
  • BEZUGSZEICHENLISTE
    • 10
    Vorrichtung zum Fertigen hybrider Strukturen
    11
    Kaltgasspritzkopf
    11a
    Heizung
    11b
    Gehäuse
    11c
    Gaszuführung
    11 d
    gekühlte Düse, DeLaval-Düse
    11e
    Pulverzuführung
    12
    Bearbeitungsmodul
    13
    gemeinsame Einheit, Endeffektor
    14
    Steuerung
    15
    Identifikator-Tag, RFID-Tag
    16
    Überwachungsmodul
    17
    Roboterarm
    18
    Trägermaterial
    19
    aufgebrachtes Material
    20
    erste Schicht
    21
    Bewegungsbahn
    22
    Absaugung
    23
    Haltestruktur
    30
    zweite Schicht
    100
    Verfahren
    110
    Laden eines Bearbeitungsprogramms
    120
    Positionieren des Endeffektors in einer Anfangsposition
    125
    Vorbearbeiten einer Komponente
    130
    Auftragen einer ersten Schicht
    135
    Auftragen einer zweiten Schicht
    136
    Nachbearbeiten der ersten Schicht
    140
    Ende des Verfahrens

Claims (10)

  1. Vorrichtung (10) zum Fertigen hybrider Strukturen, umfassend: einen Kaltgasspritzkopf (11); ein Bearbeitungsmodul (12); und eine Steuerung (14); wobei der Kaltgasspritzkopf (11) und das Bearbeitungsmodul (12) in einer gemeinsamen Einheit (13) angeordnet sind; wobei die Steuerung konfiguriert ist, die Operation des Kaltgasspritzkopf (11) und des Bearbeitungsmoduls (12) so zu steuern, dass ein erster Arbeitsschritt durch den Kaltgasspritzkopf (11) und ein zweiter Arbeitsschritt durch das Bearbeitungsmodul (12) ausgeführt wird, wobei der erste Arbeitsschritt und der zweite Arbeitsschritt aufeinanderfolgend oder gleichzeitig initiiert werden.
  2. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei das Bearbeitungsmodul (12) ein auftragendes Modul zum Durchführen eines auftragenden Arbeitsschritts, oder ein abtragendes Modul zum Durchführen eines abtragenden Arbeitsschritts, ist.
  3. Vorrichtung (10) nach Anspruch 2, wobei das Bearbeitungsmodul (12) eines aus einer Versiegelungseinheit zum Auftragen einer Versiegelung, einer Lasereinheit, einer Schleifeinheit, einer Fräseinheit und einer Hohneinheit ist.
  4. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei das Bearbeitungsmodul (12) ein zweiter Kaltgasspritzkopf ist.
  5. Vorrichtung (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Absaugung, welche in der gemeinsamen Einheit (13) angeordnet ist und die konfiguriert ist, überschüssiges Arbeitsmaterial aus zumindest einem Arbeitsschritt abzusaugen.
  6. Vorrichtung (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Bearbeitungsmodul (12) modular auswechselbar ist und ein Identifikator-Tag (15) zum Identifizieren eines Typs des Bearbeitungsmoduls (12) durch die Steuerung (14) umfasst.
  7. Vorrichtung (10) nach Anspruch 6, wobei die Steuerung (14) konfiguriert ist, abhängig vom Typ des Bearbeitungsmoduls (12) ein Fertigungsverfahren durchzuführen.
  8. Vorrichtung (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner umfassend ein Überwachungsmodul (16) zum Überwachen der Qualität der gefertigten hybriden Struktur.
  9. Vorrichtung (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner umfassend einen Roboterarm (17), wobei die gemeinsame Einheit (13) ein Endeffektor (13) des Roboterarms (17) ist.
  10. Verfahren (200) zum Fertigen einer hybriden Struktur unter Verwendung einer Vorrichtung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das Verfahren (200) die folgenden Schritte umfasst: In einem ersten Schritt (110), Laden eines Bearbeitungsprogramms in die Vorrichtung (10); In einem zweiten Schritt (120), Positionieren der gemeinsamen Einheit (13) in einer Anfangsposition; In einem dritten Schritt (130), Auftragen einer ersten Schicht (20) auf ein Trägermaterial mit dem Kaltgasspritzkopf (11); und In einem vierten Schritt (125, 135, 136), Vorbearbeiten (125), vor Beginn des dritten Schrittes (130), des Trägermaterials (18), auf welchem die hybride Struktur gebildet wird, oder Auftragen (135) einer zweiten Schicht (30) oder Nachbearbeiten (136) der ersten Schicht (20), nach Abschluss des dritten Schrittes (130), mit dem Bearbeitungsmodul (12).
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