Dichtflächen an Formwerkzeugen

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bearbeiten, insbesondere zum Polieren und Strukturieren von beliebigen 3D-Formflachen bzw. Frei- formflächen mittels eines Laser und die Anwendung dieses Verfahrens zur Herstellung von komplementären Dicht¬ flächen an komplementären Formwerkzeugen.

Aus der DE-OS 42 41 527 ist es bekannt, Laserstrahlen, insbesondere gepulste Excimer-Laser zum Glätten von Metalloberflächen zu verwenden. Durch die gepulste Beauf¬ schlagung mit Energiedichten im Bereich von 5 x 10 ⁷ Watt/cm ² wird die Oberfläche des Metalls aufgeschmolzen. Durch die Verwendung eines UV- bzw. Excimer-Lasers ge- schieht dies nur in den obersten Randbereichen des Metalls bis zu einer Tiefe von 1 bis 2 μm, so daß keiner¬ lei Verformungen oder Risse entstehen und die Metallober¬ fläche geglättet wird.

Aus der DE-OS-42 17 530, der DE-OS-39 22 377, der EP-A- 0 419 999 und der US-A-4,825,035 sind Verfahren und Vor¬ richtungen zum Härten von hochbeanspruchten metallischen Oberflächen, wie z. B. Kolbenlaufflächen, bekannt.

Aus der DE-OS 41 33 620 ist es bekannt, metallische Ober¬ flächen mittels Laserstrahl zu strukturieren. Hierbei durchläuft der Laserstrahl Bahnkurven auf der Metallober¬ fläche, deren Form der gewünschten Strukturierung ent¬ spricht.

ERSÄΓZBLAΠ (REGEL 26)

Aus der DE-OS 44 01 597 ist eine Laserbearbeitungs- bzw. Laserschneidvorrichtung bekannt, bei der die zu erzeu¬ gende Schnittform in Form von CAD-Daten eingegeben werden kann.

Aus der DE-OS 41 06 008 ist ein automatischer Schwei߬ roboter bekannt, bei dem die Qualität der Schweißnähte online über optische Überwachung der Schweißnähte bzw. der Schweißspritzer überwacht wird.

Aus der DE-OS-37 11 470 ist ein Verfahren zum Herstellen eins dreidimensionalen Modells bekannt, das aus einer Vielzahl von Scheiben zusammengesetzt ist, die die Modellkonturen aufweisen und aus Plattenwerkstoff durch materialabtragende Bearbeitung mittels Laser hergestellt werden. Hierbei wird an einer bestimmten Stelle solange Material abgetragen, bis der SOLL-Wert erreicht ist.

Aus der DE-OS-42 19 809 ist ein Verfahren und eine Vor- richtung zum kontrollierten Abtragen von Schichten von einer Oberfläche mittels Laser bekannt. Um die Steuerung bzw. Regelung der Abtragung zu vereinfachen wird gewähr¬ leistet, daß aufeinanderfolgend bearbeitete Teilflächen immer eine konstante Fläche aufweisen.

Die aus dem Stand der Technik bekannten Strahl- bzw. Laserbearbeitungsverfahren und -Vorrichtungen weisen den Nachteil auf, daß im wesentlichen nur im voraus bekannte Formen damit bearbeitet werden können. Ein großtechni- scher Einsatz und das Bearbeiten von beliebigen, kompli¬ ziert geformten 3D-Formflachen ist damit jedoch nicht möglich.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bearbeiten, insbesondere zum Polie¬ ren und Strukturieren von Werkstücken zur Verfügung zu

stellen, mit der sich beliebige 2D- bzw. 3D-Formflächen bearbeiten lassen. Weiter ist es Aufgabe der Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen von komplementären Dichtflächen and komplementären Formwerk- zeugen bereitzustellen.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1, 11 bzw. 16.

Dadurch, daß mittels der 3D-Konturmeßeinrichtung zunächst die tatsächliche Oberflächenform und -Struktur ermittelt wird, kann der Laserstrahl hinsichtlich Leistung, Abstand vom Werkstück, Bearbeitungsgeschwindigkeit (Geschwindigkeit mit der der Arbeitstrahl über die zu be- arbeitende Oberfläche fährt), Impulsdauer, Impuls¬ frequenz, Winkel zwischen Oberfläche und optischer Achse des Arbeitstrahls und Anzahl des aufeinanderfolgenden Überstreichens der zu bearbeitenden Oberflächen, so opti¬ miert werden, daß eine gewünschte Rauhigkeit bzw. Glätte erreicht wird. Auf diese Weise ist es nicht nur möglich, die Oberfläche zu glätten bzw. zu polieren, sondern es können auch zusätzlich materialabtragende, die Form bzw. Kontur des Werkstücks verändernde Bearbeitungsschritte zwischengeschaltet werden.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird erst unmittel¬ bar vor dem Bearbeiten der jeweiligen Teilfläche deren IST-Form ermittelt und mit der Soll-Form verglichen. We¬ gen der minimalen Zeitdauer zwischen Erfassung der IST- Form und eigentlicher Bearbeitung werden den Materialab¬ trag oder den Polierprozeß beeinflussende Störungen un¬ wahrscheinlicher. Auch kann dadurch erreicht werden, daß derartige Störungen die Messung der IST-Form und die Be¬ arbeitung der jeweiligen Teilfläche in gleicher Weise be- einflussen, so daß sich die Störungen herausmitteln.

ERSATZBLÄTT(REGEL26).

Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird das erfin¬ dungsgemäße Verfahren zur einfachen Herstellung von be¬ liebig geformten, komplementären Dichtflächen an komple¬ mentären Formwerkzeugen genutzt. Durch die hohe Genauig- keit des erfindungsgemäßen Verfahrens wird erreicht, daß die aufeinander zu liegen kommenden komplementären Dicht¬ flächen sehr gut zueinander passen und damit sehr gut ab¬ dichten.

Bei einer ersten Variante wird zunächst von den komple¬ mentären Teildichtflächenpaaren nur eine Hälfte bearbei¬ tet und die nach der Bearbeitung ermittelte aktualisierte IST-Form wird als SOLL-Form für die zweite Hälfte der Teildichtflächenpaare verwendet. Dadurch werden Fehler bzw. Abweichungen der ersten Hälfte der Teildichtflächen¬ paare von der SOLL-Form bei der Bearbeitung der zweiten Hälfte der Teildichtflächenpaare ausgeglichen bzw. neu¬ tralisiert.

Bei einer zweiten Variante erfolgt die Bearbeitung der komplementären Teildichtflächen auf einen konstanten Ab¬ stand zwischen den komplementären Teildichtflächen hin. Damit lassen sich mit nur einem Satz von SOLL-Daten zwei benachbarte, komplementäre Dichtflächen bearbeiten bzw. herstellen.

Trägt man den durch einen Laserstrahl verursachten Mate¬ rialabtrag als Funktion der Laserfluenz auf der zu bear¬ beitenden Fläche auf, so ergibt sich bei Konstanthaltung anderer Bearbeitungsparameter eine Kurve, die im Bereich niedriger Laserfluenz flach ansteigt, im Bereich mittle¬ rer Laserfluenz stark ansteigt und im Bereich hoher La¬ serfluenz wieder flacher ansteigt. Gemäß einer bevorzug¬ ten Ausführungsform der Erfindung wird der Laser in den Bereichen mit flachem Anstieg betrieben, da sich dort ge¬ ringfügige Fluenzschwankungen kaum auf den Materialabtrag

ERSATZBLÄΓT (REGEL 26)

auswirken, so daß sich glatte, gleichmäßige Oberflächen ergeben.

Beim Laserpolieren von Werkstücken wird vorzugsweise der flache Bereich der Kurve bei niedriger Laserfluenz ge¬ nutzt, da beim Laserpolieren kein Abtrag erwünscht ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung um¬ faßt die Strahlbearbeitungseinrichtung eine Optik mit großer Rayleighlänge, vorzugsweise von 300 μm und mehr. Dadurch wird erreicht, daß kleine Änderungen des Abstan- des zwischen Optik und Werkstück um die Brennweite herum aufgrund von Vibrationen und Zittern der Roboterarme le¬ diglich zu vernachlässigbaren Schwankungen der Strahl- fluenz auf der Werkstückoberfläche führen.

Dadurch, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Kon¬ turmeßeinrichtung umfaßt, die die IST-Form der zu bear¬ beitenden Teilfläche unmittelbar vor dem Bearbeiten auf- nimmt, können die Bearbeitungsparameter gezielt und zeit¬ nah gesteuert werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist ein zweites 3D-Konturmeßgerät vorgesehen, das dem Laserstrahl nach- läuft. Damit kann im Sinne einer Qualitätskontrolle fest¬ gestellt werden, ob z. B. die Laserpolierung mit aus¬ reichender Verringerung der Rauhigkeit durchgeführt wor¬ den ist oder nicht. Zusätzlich können die Meßdaten dieses nachlaufenden Konturmeßgeräts auch dazu verwendet werden, die Strategie hinsichtlich eines mehrmaligen Überstrei¬ chens der zu polierenden Fläche mit dem Laserstrahl zu optimieren.

Die Konturmeßeinrichtungen können die Form durch optische Abtastung, z. B. Triangulation, oder durch mechanische Abtastung ermitteln.

Die übrigen Unteransprüche beziehen sich auf weitere vor¬ teilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer beispielhaften Ausführungsform anhand der Zeichnung. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer beispiel¬ haften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsvorrichtung,

Fig. 2 ein Detail der Ausführungsform nach Fig. 1,

Fig. 3 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Arbeitsweise einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 4 ein Flußdiagramm zur Veranschaulichung einer be¬ vorzugten Variante des erfinderischen Verfahrens,

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Formwerkzeu¬ ges mit zwei komplementären Teilen,

Fig. 6 ein Flußdiagramm zur Erläuterung einer bevorzug¬ ten Ausführungsform des Verfahrens zur Herstel¬ lung von Dichtflächen gemäß der vorliegenden Er¬ findung,

Fig. 7 eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung von Dichtflächen,

Fig. 8 eine qualitative Darstellung des Materialabtrags als Funktion der Laserfluenz, und

ERSÄΓZBLAΓT (REGEL 26)

Fig. 9a und 9b Abbildungsoptiken mit großer und kleiner Rayleighlänge.

Die in Fig. 1 gezeigte beispielhafte Ausführungsform der Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Er¬ findung umfaßt eine Lasereinrichtung 2 bestehend aus einem Laserkopf 3 und einer Laserstrahlerzeugungseinrich¬ tung 4 mit zugehöriger Steuereinrichtung 6, durch die sich Bearbeitungsparameter, wie z. B. Pulsfrequenz, Puls¬ dauer, Fokkussierungsgrad, Vorschub, etc. des Arbeits¬ bzw. Laserstrahls 5 einstellen und steuern bzw. regeln lassen. Die Laserstrahlerzeugungseinrichtung 4 ist über ein Lichtleitkabel 7 mit dem Laserkopf 3 verbunden. Der Laserkopf 3 ist an einer Laserkopfhalterung 8 befestigt, die Teil einer XYZ-Positioniereinrichtung 10 ist. Der Laserkopf 3 umfaßt auch eine Abbildungsoptik bzw. Fokus- siereinrichtung 12, durch die der aus dem Laserkopf 3 austretende Laserstrahl 5 auf der zu bearbeitenden Ober- fläche eines Werkstücks 14 fokussiert wird. Auf diese Weise läßt sich der Laserkopf 3 und damit der aus dem Laserkopf 3 austretende Laserstrahl 5 in allen drei Raum¬ richtungen X, Y und Z bewegen und positionieren.

Mit dem Laserkopf 3 verbunden sind auch Meßsensoren 16, mittels denen sich die die Kontur der Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstücks 14, beispielsweise durch Trian¬ gulation, unmittelbar vor dem Überstreichen des Laser¬ strahls 5 und unmittelbar nach dem Überstreichen des Laserstrahls 5 ermitteln läßt. Auf diese Weise wird un¬ mittelbar während der Bearbeitung das Ergebnis der Bear¬ beitung mit dem Laserstrahl 5 überprüft und die Anzahl des Überstreichens der 3D-Formflache mit dem Laserstrahl 5 kann entsprechend dem gewünschten Arbeitsergebnis opti- miert werden.

ERSAΓZBLÄΓT (REGEL 26)

Die Steuerung der gesamten Anlage erfolgt durch die Steu¬ ereinrichtung 6, durch die sowohl die Lasereinrichtung 2, bestehend aus Laserkopf 3 und Laserstrahlerzeugungsein¬ richtung 4, als auch die Positioniereinrichtung 10 und Meßsensoren 16 gesteuert und geregelt werden. Die Steuer¬ einrichtung 6 bildet zusammen mit den Meßsensoren 16 eine 2D- bzw. 3D-Konturmeßeinrichtung 18. Bei der Steuerein¬ richtung 6 handelt es sich beispielsweise um einen Mikro¬ computer mit einer Massenspeichereinrichtung. In diese Speichereinrichtung können beispielsweise CNC-Daten des zu bearbeitenden Werkstücks 14 eingespeichert werden. Mit der Konturmeßeinrichtung 18 kann damit die Soll-Ist-Ab- weichung erfaßt werden und die Anzahl der Bearbeitungs¬ schritte und ebenso die Laserstrahlcharakteristiken ent- sprechend eingestellt werden.

Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung mit der Laserstrahlerzeugungs¬ einrichtung 4, der Steuereinrichtung 6 und der Abbil- dungsoptik 12 aus der der Laserstrahl 5 austritt und auf die zu bearbeitende Oberfläche des Werkstücks 14 auf¬ tritt, das als Konturlinie 20 (IST-Form) dargestellt ist. Strichliert ist die SOLL-Form 22 dargestellt. Die Kontur¬ meßeinrichtung 18 ist hier in die Abbildungsoptik 12 integriert und der Arbeitsstrahl 5 wird gleichzeitig als Meßstrahl für die Konturmeßeinrichtung 18 verwendet. Durch die Steuereinrichtung 6 läßt sich mittels nicht näher dargestellter Stellantriebe der Abstand zwischen Abbildungsoptik 12 und der Werkstückoberfläche 20 variie- ren, was durch einen Doppelpfeil 24 angedeutet ist. Eben¬ falls mit der Steuereinrichtung 6 und entsprechender Stellantriebe wird auch der Vorschub bezüglich des Werk¬ stücks 14 bewirkt und gesteuert. Dies ist durch einen Pfeil 26 dargestellt. Wie aus Fig. 3 zu ersehen ist, wird der Übergang von der IST-Form 20 zur SOLL-Form 22 nicht notwendigerweise mit einem einmaligen Überstreichen des

ERSÄΓZBLÄΓT (REGEL 26)

Laserstrahls 5 erreicht. In dem bereits überstrichenen Bereich 28 ist immer noch eine Abweichung zwischen SOLL- und IST zu sehen.

Fig. 4 zeigt eine Flußdiagramm des erfindungsgemäßen Ver¬ fahrens mit dem die Oberfläche eines Werkstücks 14 von der IST-Form in die SOLL-Form überführt wird. In einem Schritt SI wird zunächst in einem Referenzkoordinaten¬ system die gewünschte SOLL-Form festgelegt. Die SOLL-Form kann beispielsweise in Form von CNC- oder CAD-Daten vor¬ liegen. In einem Schritt S2 wird dann die IST-Form des noch unbearbeiteten oder vorbearbeiteten Werkstücks 14 ermittelt und in Koordinaten des Referenzkoordinaten¬ systems dargestellt. In einem Schritt S3 wird abgefragt, ob der IST-Wert an der zu bearbeitenden Teilfläche des Werkstücks 14 bereits mit dem SOLL-Wert übereinstimmt oder nicht. Ist dies der Fall wird in einem Schritt S4 abgefragt, ob bereits alle Teilflächen bearbeitet sind oder nicht. Ist dies der Fall, ist die Bearbeitung been- det. Sind noch nicht alle Teilflächen bearbeitet, so er¬ folgt in einem Schritt S5 der Übergang zur nächsten Teil¬ fläche und die Bearbeitung beginnt wieder bei Schritt S2.

Ergibt die Abfrage in Schritt S3 ein NEIN, so wird zu einem Schritt S6 verzweigt, in dem aufgrund des Ver¬ gleichs von SOLL- und IST-Daten, aufgrund externer Ein¬ gaben über das zu bearbeitende Material, etc. die Bear- beitungsparamer für den Laser 2 und die Strategie der Be¬ arbeitung ermittelt wird. In einem Schritt S7 wird dann die Laserbearbeitung der jeweiligen Teilfläche entspre¬ chend den in Schritt S6 ermittelten Parametern ausge¬ führt. Anschließend wird zurück zu dem Schritt S2 ver¬ zweigt.

Fig. 5 zeigt schematisch ein Formwerkzeug 30, das aus zwei komplementären Teilen 32 und 33 besteht. Die beiden

ERSÄTZBLAπ REGEL26

Teile 32 und 33 lassen sich zusammenfügen und der von ihnen dann umschlossene Hohlraum wird dann durch zwei komplementäre Teildichtflächen 34 und 36 abgedichtet. Die Teildichtflächen 34 und 36 können nahezu beliebig geformt sein.

Fig. 6 zeigt ein Flußdiagramm zur Erläuterung der Her¬ stellung der Dichtflächen 34 und 36 mit dem Verfahren ge¬ mäß der vorliegenden Erfindung. In einem Schritt SI' wird zunächst die SOLL-Form von nur einer der beiden Teil¬ dichtflächen, beispielsweise der Teildichtflache 34, festgelegt. Anschließend erfolgt die Bearbeitung gemäß den Schritten S2 bis S7 nach Fig. 4. Ist die erste Teil¬ dichtfläche 34 vollständig bearbeitet, so wird in einem Schritt S8 die nach Bearbeitung vorliegende IST-Form der ersten Teildichtfläche 34 als SOLL-Form für die zweite Teildichtfläche 36 festegelegt. Die Bearbeitung der zwei¬ ten Teildichtfläche 36 erfolgt dann wiederum analog den Schritten S2 bis S7 gemäß Fig. 4.

Fig. 7 zeigt schematisch einen Schnitt durch einen Teil der Teile 32 und 33 des Formwerkzeugs 30 bzw. einen Schnitt durch einen Teil der Teildichtflächen 34 und 36, wobei Bereiche 38 und 39 vergrößert dargestellt sind. Die beiden Teile 32 und 33, genauer deren Teildichtflächen 34 und 36 sind mit einem Abstand D voneinander entfernt an¬ geordnet. Aufgrund der Rauhigkeit der vorbearbeiteten Teildichtflächen 34 und 36 variiert der tatsächliche Ab¬ stand D _j (IST-Abstand) zwischen einander gegenüberliegen- den Flächenelementen der Teildichtflächen 34 und 36. Die beiden Formwerkzeugteile 32 und 33 werden in festem Ab¬ stand zueinander räumlich fixiert und der IST-Abstand Dj zwischen einander gegebüberliegenden Flächenelementen der Teildichtflächen 34 und 36 wird gemessen. Anschließend wird der SOLL-Abstand D _s festgelegt und die beiden Teil¬ dichtflächen 34 und 36 werden mit dem Laser derart bear-

ERSATZB π(REGEL26)

beitet, daß innerhalb der Toleranzen Dj = D _s ist. Ist diese Bedingung erfüllt, weisen die beiden Teildicht¬ flächen die gewünschte SOLL-Form 34' und 36' auf.

In Fig. 8 ist der durch den Laserstrahl 5 verursachte Materialabtrag A in um als Funktion der Laserfluenz (Leistungsdichte mal Bestrahlungszeit) in J/cm ² aufgetra¬ gen. Es ergibt sich ein Kurvenverlauf in der Form eines langgezogenen S mit einem flachen Kurvenverlauf im Be- reich geringer Laserfluenz, Bezugszeichen 40, und im Be¬ reich hoher Laserfluenz, Bezugszeichen 42, und einem steilen Kurvenverlauf im Bereich mittlerer Laserfluenz, Bezugszeichen 41. Die in Fig. 8 angegebenen Werte gelten für einen Kupferdampflasersystem, wie er aus der DE- OS 44 12 443 bekannt ist und auf die hier vollinhaltlich bezug genommen wird. Für einen solchen Kupferdampflaser und Aluminium als zu bearbeitendem Material endet der Be¬ reich 40 bzw. beginnt der Bereich 41 bei ca. 1 J/cm ² und das Ende des Bereichs 41 bzw. der Beginn des Bereichs 42 liegt bei ca. 250 J/cm ² . Bis zu einer Laserfluenz von un¬ gefähr 1 J/cm ² liegt der Aluminiumabtrag im Bereich von 1 μm, Bereich 40, und im Bereich 42 mit einer Laserfluenz über 250 J/cm ² liegt der Aluminiumabtrag bei ca. 80 μm.

Der Laser 2 wird erfindungsgemäß in den Bereichen 40 und 42 mit flachem Kurvenverlauf betrieben, da dort geringe Fluenzschwankungen, wie sie beispielsweise durch Varia¬ tionen des Abstands zwischen Laserkopf 3 und zu bearbei¬ tender Fläche aufgrund von Vibrationen auftreten, sich kaum auf die Größe des Materialabtrags auswirken. Folg¬ lich ist eine kontrollierte und genaue Formgebung einfa¬ cher. Der Bereich 40 mit niedriger Laserintensität ist insbesondere beim Laserpolieren vorteilhaft, da beim La¬ serpolieren ein großer Materialabtrag nicht gewünscht ist.

ERSÄΓZBLÄΓT (REGEL 26)

Eine weitere Maßnahme, um die Lasereinrichtung 2 unemp¬ findlicher gegenüber Lage- bzw. Positionsschwankungen zu machen, wie sie bei Roboterarmen unweigerlich auftreten, wird anhand von Fig. 9a und 9b erläutert. Hierzu wird in der Lasereinrichtung 2 eine Fokussiervorrichtung bzw. eine Abbildungsoptik 12 verwendet, die eine große Rayleighlänge, vorzugsweise ≥ 300 μm aufweisen. Bekannt¬ lich ist bei realen optischen Systemen der Brennpunkt B kein idealer mathematischer Punkt, sondern ein Raumbe- reich. Die Rayleighlänge ist ein Maß für die Variation des Querschnitts des Strahlenbündels im Bereich des geo¬ metrischen Brennpunkts. Je kleiner die Rayleighlänge ist, desto mehr stimmt das reale Strahlenbündel mit dem geome¬ trischen Strahlengang überein.

Fig. 9a zeigt eine Optik 12 mit großer Rayleiglänge und Fig. 9b eine Optik 12' mit kleiner Rayleighlänge. Vari¬ iert in beiden Fällen der Abstand zwischen Abbildungs¬ optik 12, 12' und zu bearbeitender Fläche um den Brenn- punkt B um ΔD, so schwankt bei kleiner Rayleighlänge - Fig. 9b - die Querschnittsfläche F des Strahlenbündels im Bereich zwischen +ΔD und -ΔD und damit die Laserintensi¬ tät erheblich mehr als bei großer Rayleighlänge - Fig. 9a. Eine Lasereinrichtung 2 mit einer Abbildungsoptik 12 mit großer Rayleighlänge ist daher unempfindlicher gegen¬ über Vibrationsschwankungen.