DE4219423C1 - Vorrichtung zum Erzeugen einer dreidimensionalen Struktur an einem Werkstück - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen einer dreidimensionalen Struktur an einem Werkstück gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus dem JP-Abstract 63-191572(A) ist eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bekannt, mit der Werkstückoberflächen unter Verwendung eines abrasivstoffhaltigen Flüssigkeitsstrahles poliert werden können. Der Druck dieses aus einer Strahldüse mit relativ großer Austrittsfläche austretenden abrasivstoffhaltigen Flüssigkeitsstrahles wird durch einen Drucksensor ermittelt und an eine Steuerung, die den Abstand zwischen Düse und Werkstück ermittelt, weitergegeben. Der Drucksensor ist von der Strahldüse verhältnismäßig weit entfernt angeordnet und greift den Druck in der Strahldüsenzuleitung ab. Stimmt der ermittelte Abstand nicht mit vorgegebenen Abstands-Parametern überein, greift die Steuerung korrigierend ein, so daß stets ein konstanter Abstand zwischen Düse und Werkstück eingehalten wird. Die der bekannten Vorrichtung zugrundeliegende Aufgabe - nämlich ein effektives, kontaktloses Polieren von Werkstückoberflächen zu ermöglichen - kann damit zufriedenstellend gelöst werden.

Eine Werkstückbearbeitung zum Erzeugen beliebiger dreidimensionaler Feinststrukturen erscheint mit dieser Vorrichtung dagegen nicht zufriedenstellend möglich, weil die Steuerung dazu nicht ausgelegt ist und weil der Drucksensor aufgrund seiner verhältnismäßig weiten Entfernung von der Strahldüse und der relativ großen Austrittsfläche der Strahldüse die dazu erforderlichen hochgenauen, verzögerungsfreien Meßwerte nicht liefern kann.

Aus der DE 40 18 132 A1 ist eine derartige Vorrichtung bekannt. Zum Erzeugen einer gewünschten Struktur wird dort ein aus einer strahlformenden Düse austretender Partikelstrahl gezielt auf die zu bearbeitenden Werkstückbereiche gerichtet. Dieses unter dem Begriff "Strahlen" bekannte Bearbeitungsverfahren (deutsche Industrienorm DIN 8200) bewirkt einen definierten dreidimensionalen Materialabtrag. Um den Materialabtrag seitlich exakt zu begrenzen, ist zuvor auf das zu bearbeitende Werkstück eine beispielsweise fototechnisch hergestellte Maske aufzubringen, die nach dem Bearbeitungsvorgang sorgfältig wieder entfernt werden muß. Das bekannte Verfahren ist auf eine Bearbeitungstiefe von ca. 1 mm begrenzt, weil ab dieser Tiefe ein Aushöhlen der von der Maske abgedeckten Seitenbereiche durch den Partikelstrahl unvermeidbar wird. Mit der bekannten Vorrichtung lassen sich daher keine beliebigen dreidimensionalen Strukturen erzeugen. Aufgrund der Grenzen der Maskentechnik lassen sich Strukturbreiten unterhalb von ca. 300 µm nicht mehr zuverlässig reproduzierbar erzeugen.

Bekannt sind weiterhin meßtechnische Maßnahmen zur Abstandsmessung.

So ist aus der Meßtechnik (H. Zill: "Messen und Lehren", VEB Verlag Technik Berlin, 1977, S. 163-165) unter dem Namen Solex-Verfahren eine Meßmethode bekannt, bei der der Druck von aus einer Meßdüse ausströmender Luft ein Maß für den Abstand der Meßdüse zu einem Prüfling darstellt.

Aus der Meßtechnik (H. Brink: "Entwicklung von fluidischen Sensoren", Dissertation, Berlin 1981, Seiten 33 bis 73) ist ferner ein Abstandsmeßverfahren bekannt, bei dem eine erste zentrale Meßdüse von einer zweiten ringförmigen druckbeaufschlagten Düse umgeben ist. Diese Meßanordnung erlaubt die präzise Messung in einem Abstandsbereich bis ca. 2 mm und weist zumindest in einem Teilbereich eine lineare Meßkennlinie auf.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der hochpräzise beliebige dreidimensionale Feinststrukturen eines Werkstücks erzeugt werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der Drucksensor am Umfang der Strahldüse im Bereich der Austrittsöffnung der Strahldüse angeordnet ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kommt vorteilhafterweise ohne Maskentechnik aus, so daß die damit verbundenen aufwendigen Aufbringungs-, Belichtungs- und Entfernungsbearbeitungsschritte eingespart werden können. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können beliebige dreidimensionale Strukturen mit hoher Präzision in einem ununterbrochenen Arbeitsgang hergestellt werden, indem die ermittelten Druckmeßwerte in geeigneter Form direkt NC-Maschinensteuerprogrammen zugeführt werden. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung lassen sich Strukturen und Genauigkeiten im Bereich weniger µm erzeugen.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die strahlformende Düse vorteilhafterweise in Doppelfunktion gleichzeitig als zusätzliche Druckmeßdüse zur Abstandsmessung eingesetzt werden.

Eine hinsichtlich der Genauigkeit der Abstandsmessung und der Präzision der Werkstückbearbeitung besonders vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, daß der Drucksensor eine druckbeaufschlagte Ringdüse ist, die beispielsweise für sich aus der genannten Dissertation von H. Brink (z. B. Seite 48) bekannt ist.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, daß der Drucksensor mindestens zwei separate Sensorbereiche aufweist, deren separate Druckmeßwerte durch vergleichende Auswertung zur Steuerung der Neigung der Düsenlängsachse in Bezug auf das Werkstück dienen. Durch die Aufteilung des Drucksensors in mindestens zwei separate Sensorbereiche oder Sektoren treten bei einer von der Senkrechten (zumindest in einem Freiheitsgrad) abweichenden Stellung der Düsenlängsachse zur Werkstückoberfläche Druckdifferenzen zwischen den Sensorbereichen auf. Diese stellen ein Maß für die Neigung der Düsenlängsachse in bezug auf die Werkstückoberfläche dar. Entsprechend kann durch Vorgabe einer gewünschten Differenz zwischen den separaten Sensorbereichen eine annähernd beliebige Neigung der Düsenlängsachse zur zu bearbeitenden Oberfläche eingestellt werden. Damit können besondere Strukturierungen oder - auf das jeweilige zu bearbeitende Material abgestimmte - optimale Anstrahlwinkel für den Partikelstrahl eingestellt werden.

Eine hinsichtlich der meßtechnischen Auswertung und der Herstellung des Drucksensors besonders vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, daß der Drucksensor vier separate Sensorbereiche aufweist und daß die Druckmeßwerte von jeweils zwei sich annähernd gegenüberliegenden Sensorbereichen durch vergleichende Auswertung zur Steuerung der Neigung der Düsenlängsachse in jeweils einem Freiheitsgrad in bezug auf das Werkstück dienen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in schematischer Darstellung;

Fig. 2 einen Ausschnitt aus der Fig. 1 im Bereich eines Werkstücks und

Fig. 3 eine Aufsicht auf die Austrittsfläche einer Düse.

Gemäß Fig. 1 enthält die Vorrichtung zum Erzeugen einer dreidimensionalen äußeren Struktur eines Werkstücks 1 eine strahlformende Düse 2, aus deren Bohrung 3 ein Partikelstrahl 4 in Richtung auf das Werkstück 1 austritt. Das Werkstück 1 ist in der Werktischebene 5 mittels eines Antriebs 6 relativ zu der Düse 2 in zwei Freiheitsgraden verfahrbar und weist einen Abstand 7 zu der Düse 2 auf, der ggf. durch einen entsprechenden Antrieb 8 einstellbar ist. Die strahlformende Düse 2 ist von einem am Umfang ihrer Bohrung 3 angeordneten Drucksensor 10 umgeben, der über einen Präzisionsdruckregler 11 von einer Druckluftquelle 12 beaufschlagt ist. Ausgangsseitig liefert der als Ringdüse ausgebildete Drucksensor 10 einen Druckmeßwert 13 an einen induktiven Druckaufnehmer 14, dem ein Meßverstärker 15 nachgeordnet ist.

Der aus der strahlformenden Düse 2 austretende Partikelstrahl 4 wird von einer Quelle 20 über einen Präzisionsdruckregler 21 mit 5 bis 7 bar zugeführt. Als Partikel sind beispielsweise Korundkörner mit einer Partikelgröße von 10 µm geeignet.

Über einen induktiven Druckaufnehmer 30 wird zusätzlich der Druck im Austrittsbereich der strahlformenden Düse 2 gemessen und über einen Meßverstärker 31 einer Steuerung 32 zugeführt, die eingangsseitig auch mit dem Ausgangssignal des Meßverstärkers 15 beaufschlagt ist. In der Steuerung sind vorab z. B. experimentell bestimmte Abhängigkeiten zwischen dem Abstand 7 der Düsenstirnfläche zu der Werkstückoberfläche und gemessenen Druckwerten ρ bei vorgegebenen Quelldrücken gespeichert. In die Steuerung 32 ist über einen geeigneten Dateneingang 33 eine durch gewünschte ortsabhängige Positionen und Abstände zwischen der Düse 2 und dem Werkstück 1 dargestellte Oberflächenstruktur einlesbar. In Abhängigkeit von den Ausgangswerten der Meßverstärker 15 und 31 wird der mechanische Antrieb 6 derart beaufschlagt, daß das Werkstück 1 relativ zu der Düse 2 bewegt wird und die Düse 2 an den gewünschten Orten jeweils solange verharrt, bis die gewünschte Bearbeitungstiefe in dem Werkstück 1 erreicht ist. Gegebenenfalls wird die Düse 2 in senkrechter Richtung mittels des Antriebs 8 nachgeführt.

Fig. 2 zeigt in vergrößerter Darstellung den Bereich der Düse 2, wobei das Werkstück 1 bereits durch gezielte Abtragungen erzeugte Ausnehmungen 40 aufweist. Diese Ausnehmungen 40 sind durch das präzise gesteuerte Einwirken des Partikelstrahls 4 für eine vorgegebene Zeit an vorgegebenen Orten erzeugt. Nur schematisch ist neben der strahlformenden Düse 2 auch die Ringdüse 10 dargestellt. Die strahlformende Düse 2 weist einen Bohrungsdurchmesserbereich von ca. 0,02 bis 3 mm, vorzugsweise 0,2 bis 1 mm auf.

Fig. 3 zeigt die Stirnfläche einer strahlformenden Düse 50 mit einem peripher angeordneten Drucksensor 51. Der Drucksensor 51 ist als Ringdüse ausgebildet und weist separate Sensorbereiche (Sektoren) 51a bis 51d auf. Jeder Sensorbereich oder Sektor 51a bis 51b wird von einer Druckluftquelle beaufschlagt und ist mit einem separaten Druckaufnehmer mit nachgeordnetem Meßverstärker verbunden, wie in Fig. 1 exemplarisch für den gesamten Drucksensor 10 gezeigt. Die sich jeweils annähernd gegenüberliegenden Sektoren, beispielsweise also die Sektoren 51a und 51c, werden jeweils hinsichtlich der Differenz der von ihnen erfaßten Drücke bzw. der von den jeweiligen Meßverstärkern gelieferten Signale ausgewertet. Ist die auf diese Weise ermittelte Druckdifferenz jedes Sektorenpaares jeweils annähernd Null, ist auf ein annähernd senkrechtes Auftreffen des Partikelstrahls auf das zu behandelnde Werkstück zu schließen. Ist dagegen beispielsweise die Differenz der Druckmeßwerte der Sektoren 51b und 51d von Null verschieden, so läßt dies auf eine Neigung Düsenlängsachse 53 (Fig. 2) um die schematisch angedeutete Achse 54 schließen. Dadurch kann in vorteilhafter Weise eine Ausrichtung der Düse 2 in zwei Freiheitsgraden (in orthogonalen, jeweils zur Werkstückoberfläche senkrechten Ebenen) jeweils in einem von 90° abweichenden Winkel 60 (Fig. 2) zur Werkstückoberfläche erkannt bzw. bewußt eingestellt werden. Das Vorzeichen der jeweils ermittelten Druckdifferenz zwischen den gegenüberliegenden Sektoren 51a, 51c; 51b, 51d ist ein Maß für den Sinn der jeweiligen von 90° abweichenden Orientierung in der jeweiligen Vorzugsrichtung (Freiheitsgrad).

Die erfindungsgemäße Vorrichtung läßt mit einfachen Mitteln und ohne zusätzliche Behandlungsschritte beliebige dreidimensionale Strukturen mit hoher Präzision und hoher Auflösung auf Werkstücken entstehen. Dabei kann die strahlformende Düse durch eine automatische Steuerung bzw. Regelung gemäß der gewünschten Struktur geführt werden. Die dazu notwendigen Abstandssensoren sind kompakt in die Vorrichtung integriert und sind aufgrund der kontaktfreien Abstandsmessung annähernd verschleißfrei.

Claims (5)

1. Vorrichtung zum Erzeugen einer dreidimensionalen Struktur an einem Werkstück (1) mit einer Strahldüse (2), aus der ein Partikelstrahl (4) zum definierten Materialabtrag auf das Werkstück (1) austritt, und mit mindestens einem Drucksensor (10) für die Messung des Strahldruckes zur Steuerung der Position der Strahldüse (2) relativ zum Werkstück (1), dadurch gekennzeichnet, daß der Drucksensor (10) am Umfang der Strahldüse (2) im Bereich der Austrittsöffnung der Strahldüse (2) angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahldüse (2) als weiterer Drucksensor ausgebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Drucksensor (10) eine druckbeaufschlagte Ringdüse ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Drucksensor (10) mindestens zwei separate Sensorbereiche (51a und 51c) aufweist, deren separate Druckmeßwerte durch vergleichende Auswertung zur Steuerung der Neigung der Düsenlängsachse (53) in bezug auf das Werkstück (1) dienen.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Drucksensor (10) vier separate Sensorbereiche (51a, 51b, 51c, 51d) aufweist und daß die Druckmeßwerte von jeweils zwei sich annähernd gegenüberliegenden Sensorbereichen (51a, 51c; 51b, 51c) durch vergleichende Auswertung zur Steuerung der Neigung der Strahldüsenlängsachse (53) in jeweils einem Freiheitsgrad in bezug auf das Werkstück (1) dienen.