Patentanmeldung:

Vorrichtung und Verfahren für das Laserstrahlfügen

Anmelderin: Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.

Technisches Anwendungsgebiet

Die Erfindung betrifft eine Spannvorrichtung zum Verspannen zweier Fugepartner sowie eine eine derartige Spaπnvorπchtung umfassende Vorrichtung zum Laserstrahlfugen von zwei Fugepartnern Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein entsprechendes Verfahren zum Laserstrahlfugen von zwei Fugepartnern, bei dem die Fugepartner vor und/oder wahrend der Beaufschlagung mit Laserstrahlung miteinander verspannt werden Bevorzugtes Anwendungsgebiet ist das Laserdurchstrahlfugen von Bauteilen, wie z B das Verschweißen von Kunststoffbauteilen, insbesondere von thermoplastischen Kunststoffen, sowie das Laserstrahlbonden von Silizium und Glas Ein weiteres Anwendungsgebiet ist zum Beispiel das Glasloten

Stand der Technik

Seit Anfang der 90er Jahre hat sich das Laserdurchstrahlfugen, insbesondere das Laserdurchstrahlfugen von Kunststoffen, zu einem etablierten Verfahren entwickelt Werden Bauteile gefugt, indem mit einem Laserstrahl eine Uberlappverbindung aus einem für den Laserstrahl transparenten und einem für den Laserstrahl absorbierenden Bauteil erzeugt wird, spricht man vom Laserdurchstrahlschweißen Die bekannteste Einsatzmoghchkeit des Verfahrens ist das Kunststoffschweißen, aber auch bei anderen Werkstoffen, die für Laserstrahlung transparent oder zumindest teiltransparent sind, wie z B bei Sihzium-Glasverbunden und beim Glasloten, wird das Verfahren des Lasersdurchstrahlfugens angewendet Bei all diesen Verfahren sind die FPL Fallnummer 08F49691 ILT 2 16 12 2009

Fugepartner so angeordnet, dass der Laserstrahl zuerst auf den transparenten Fugepartner trifft und diesen durchdringt Nach Durchgang durch den ersten Fugepartner trifft der Laserstrahl auf den zweiten Fugepartner, der selbst für die Laserstrahlung absorbierend ist oder über eine die Laserstrahlung absorbierende Deckschicht verfugt Durch die Bestrahlung des absorbierenden Fugepartners entsteht Warme, die bei ausreichendem thermischem Kontakt je nach Verfahren zu einem Aufschmelzen der Fugepartner oder auch zu einer thermisch induzierten chemischen Reaktion fuhrt

Im Falle des Kunststoffschweißens wird hierbei nicht nur der absorbierende, sondern auch der transparente Fugepartner plastifiziert, so dass die Molekulketten ineinander diffundieren können Beim Kunststoffschweißen können dabei aufgrund der thermischen Ausdehnung des absorbierenden Fugepartners noch Restspalte von bis zu 150 μm überbrückt werden Die Fugepartner weisen bedingt durch den Fertigungsprozess Toleranzen in Bezug auf die Passgenauigkeit auf Diese sind umso großer, je komplexer und großer die Bauteile werden Oft sind dadurch die resultierenden Restspalte zwischen den Fugepartnern jedoch großer als 150 μm, so dass die Warmeleitung zwischen den Fugepartnern verhindert ist Dies fuhrt vielfach zu einer ungenügenden Plastifizierung des transparenten Fugepartners und damit zu einer nicht ausreichenden Festigkeit der Schweißverbindung

Das Laserstrahlbonden von Silizium und Glas basiert auf der Nutzung von Adhäsionskräften und der Bildung chemischer Verbindungen an der Fugestelle Da bei diesem Prozess die thermische Ausdehnung aufgrund der kleinen Ausdehnungskoeffizienten nicht genutzt werden kann, sind die Bauteile hierbei sogar mit Nullspalt miteinander zu fixieren

Bei den genannten und weiteren Annwendungsbeispielen ist es daher notwendig, dass die Fugepartner vorab miteinander verspannt werden, um Restspalte zwischen den Fugepartnern auszuschließen oder zumindest zu minimieren

An die Spanntechnik sind dabei besondere Anforderungen gestellt So sollte der Laserstrahl durch die Spannvorrichtung nicht behindert bzw abgeschattet werden Bei komplexen Bauteilen mit dreidimensionalen Konturen und sprunghaften Konturanderungen lasst sich das Spannen der Fugepartner durch herkömmliche FPL-Fallπummer 08F49691-ILT 3 16 12 2009

Einsätze deshalb nicht bzw. nur mit sehr komplexen Spann Vorrichtungen realisieren.

Zur Übertragung des zum Verspannen notwendigen Fügedrucks ist z.B. aus E. Haberstroh et al.: "Laserdurchstrahlschweißen von Kunststoffen", KGK - Kautschuk Gummi Kunststoffe 11/2006, S. 590-595 die Verwendung einer Glasplatte bekannt. Diese wird gegen die zu verspannenden Bauteile gepresst. Die Glasplatte ist für den Laserstrahl transparent und eignet sich deswegen als der Laserquelle zugewandte Spannbacke Um dreidimensionale oder ungenau gefertigte zweidimensionale Oberflächen zu spannen ist eine Glasplatte jedoch ungeeignet, da Glasplatten in der Regel ebene Flächen aufweisen. Der Druck kann bei komplexen Bauteilen somit nicht homogen über die Nahtgeometrie aufgebracht werden. Möglich ist es zwar, die Glasplatte zusätzlich mit einem transparenten und an die Schweißnaht angepassten Stempel zu versehen. Aufgrund des jeweils bauteilspezifisch herzustellenden Stempels wird die Ersetzbarkeit der Spannvorrichtung jedoch stark eingeschränkt. Alternativ kann auch eine an die Bauteilkontur angepasste Spannbrille verwendet werden, die den Fύgedruck von außen aufbringt. Dabei bleibt der zu schweißende Bereich frei. Die Fügeteile müssen dafür allerdings mit einem umlaufenden Rand als Auflagefläche für die Spannbrille ausgeführt sein. Darüber hinaus kann es durch die nicht symmetrische Druckbeaufschlagung zu einem mechanischen Verspannen bzw. zu zusätzlicher Spaltbildung kommen.

Darüber hinaus ist aus der EP 1405713 A1 das Verspannen zweier Kunststoffwerkstücke durch mechanisches Anpressen mittels einer transparenten Glaskugel bekannt. Diese kann rollend über den transparenten Fügepartner bewegt werden und dient gleichzeitig als Fokussierlinse für die Laserstrahlung. Mit dieser Anordnung können zwar auch dreidimensionale Fügepartner miteinander verspannt werden, jedoch müssen dabei die konkaven Nahtverläufe größere Radien aufweisen als die der Glaskugel, insbesondere können sprunghafte Konturänderungen (z.B. 90°-Winkel) nicht auf diese Weise verspannt werden. FPL-Fallnummer O8F49691-ILT 4 16 12 2009

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Verspannen zweier Fügepartner bereitzustellen, womit mechanische Verspannungen und eine zusätzliche Spaltbildung vermieden werden, welche/welches darüber hinaus schnell und flexibel für unterschiedlich geformte, insbesondere auch für sehr komplexe dreidimensionale Bauteile verwendbar ist, und welche/welches insbesondere für das Laserdurchstrahlfügen geeignet ist.

Darstellung der Erfindung

Die Lösung dieses technischen Problems erfolgt durch ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen werden durch die abhängigen Ansprüche angegeben oder lassen sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Ausführungsbeispielen entnehmen.

Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass das technische Problem durch eine Spannvorrichtung zum Verspannen zweier Fügepartner gelöst wird, welche ein mit einem gasförmigen oder flüssigen Medium befülltes oder befüllbares Reservoir umfasst, das zumindest teilumfänglich durch ein flexibles Element begrenzt wird. Die zu verspannenden Fügepartner können dabei mit dem flexiblen Element derart in Kontakt gebracht werden, dass durch einen im Reservoir erzeugbaren Druck über das flexible Element eine Kraft auf mindestens einen der zu verspannenden Fügepartner ausgeübt werden kann.

Die Erfindung vermeidet somit eine ungleichmäßige Druckbeaufschlagung. Der gemäß der Erfindung im Reservoir erzeugbare Druck führt zu einer das flexible Element an die Fügepartner, und damit indirekt zu einer die Fügepartner gegeneinander pressenden Kraft. Da der Druck im Reservoir homogen oder nahezu homogen ist, ist die auf das flexible Element bzw. indirekt auf die Fügepartner wirkende Kraft räumlich sehr homogen verteilt. Mechanische Verspannungen bzw. zusätzliche Spaltbildungen zwischen den Fügepartπern werden somit vermieden. FPL Fallπummer 08F49691 ILT 5 16 12 2009

Das Element, das mit den zu verspannenden Fugepartnern in Kontakt gebracht wird, ist flexibel, d h nicht steif sondern nachgiebig, so dass es bei der Krafteinwirkung durch den im Reservoir erzeugten Druck verformbar ist Es kann beispielsweise elastisch sein, insbesondere derart elastisch, dass es bei der Krafteinwirkung durch den im Reservoir erzeugten Druck seine Form andern kann und vorzugsweise nach dessen Wegfall wieder in die Ursprungsform zurückkehrt oder zumindest weitgehend in die Ursprungsform zurückkehrt Es kann aber auch nur in beschranktem Maße elastisch sein, insbesondere kann es z B viskoelastisch oder plastisch verformbar sein In jedem Fall ist es vorzugsweise zumindest nach einer Verformung nochmals verformbar, so dass es vielfach nacheinander zum Verspannen eingesetzt werden kann, wodurch die Verfahrensdauer verkürzt und die Standzeit der Vorrichtung erhöht wird

Die Flexibilität, d h insbesondere die Nachgiebigkeit, Biegsamkeit und Verformbarkeit, des flexiblen Elements ermöglicht es und ist vorzugsweise so ausgeprägt, dass seine Oberflachentopographie sich der Kontur eines zu verspannenden Fugepartners anpassen kann Das flexible Element kann insbesondere gedehnt, gestreckt oder gekrümmt werden Auf diese Weise ist das flexible Element in der Lage, sich bei geeignet gewähltem Druck eng an die Kontur der Fugepartner anzulegen Anders ausgedruckt ist die Wahl des flexiblen Elements, und damit insbesondere seine Nachgiebigkeit bzw Verformbarkeit, und die Hohe des im Reservoir erzeugten Drucks so aufeinander abgestimmt, dass sich das flexible Element durch diesen Druck eng an die Kontur der Fugepartner anlegt Dadurch verteilt sich die Kraftwirkung räumlich homogen auf die gesamte, dem elastischen Element zugewandte Oberflache der Fugepartner

Daher können die Fugepartner insbesondere dreidimensional ausgeführt sein - d h das Verfahren ist nicht auf reine Flachengebilde begrenzt -, ohne dass eine an diese Fugepartner speziell angepasste Anpressvorrichtung hergestellt werden muss Die Spannvorrichtung ist somit sehr vielseitig verwendbar, ohne dass lange Umrustzeiten auftreten

Die erfindungsgemaße Vorrichtung weist vor allem beim Laserstrahlfugen besondere Vorteile auf Dabei kann die Vorrichtung auf einfache Weise nämlich insbesondere so ausgestaltet sein, dass beim Verspannen der Fugepartner eine FPL Fallπummer 08F49691 ILT 6 16 12 2009

Abschattung des Laserstrahls, mit dem die Fugepartner gefugt werden, gänzlich vermieden werden kann Vorzugsweise weist die Spannvorrichtung hierfür einen optischen Zugang auf, durch den hindurch eine Beaufschlagung der Fugepartner mit Strahlung der Laserstrahlquelle ermöglicht wird Insbesondere ist auch das flexible Element für diesen Zweck geeignet ausgebildet Vorzugsweise ist das flexible Element für Strahlung im Bereich von 400 bis 3000 nm, vorzugsweise im Bereich von 700 bis 2200 nm, und insbesondere für die Strahlung der Laserstrahlquelle transparent oder zumindest weitgehend transparent Somit kann eine Laserbeaufschlagung der Fugepartner durch das flexible Element hindurch erfolgen

Ein geeignetes flexibles Element kann beispielsweise einen Polymer-Bestandteil aufweisen oder aus einem Polymer bestehen Vorzugsweise hat das flexible Element einen Silikon- und/oder Teflonanteil oder besteht aus Silikon und/oder Teflon Silikon besitzt eine hohe Transmission im genannten Strahlungsbereich und eine hohe Flexibilität, Teflon weist eine hohe Temperaturbeständigkeit auf

Bei dem Medium, mit dem das Reservoir befullt ist bzw wird, handelt es sich um ein gasformiges oder flussiges Medium Für die Anwendung beim Laserstrahlfugen ist auch das Medium vorzugsweise für Strahlung im Bereich von 400 bis 3000 nm, vorzugsweise im Bereich von 700 bis 2200 nm, und insbesondere für die Strahlung der verwendeten Laserstrahlquelle transparent oder zumindest weitgehend transparent Als Medium gut geeignet, insbesondere für die Anwendung beim Laserstrahlfugen, ist beispielsweise Luft, welche sich insbesondere dadurch auszeichnet, dass sie hochtransparent und sehr leicht verfugbar ist und keine Verschmutzung hinterlasst, so dass der apparative und finanzielle Aufwand vergleichsweise gering bleibt Die gleichen Vorteile weist Wasser auf, wodurch darüber hinaus eine hohe Wärmeleitfähigkeit gegeben ist

Das Reservoir ist ein Raum, der zumindest wahrend des Spannvorgangs für das enthaltene gasformige oder flussige Medium dicht ist Die Spannvorrichtung kann ein oder mehrere verschließbare Einlasseinrichtungen zum Einlassen des Mediums in das Reservoir aufweisen, mit diesen ist vorzugsweise der Druck des Mediums im Reservoir einstellbar Das Reservoir wird zumindest teilumfanghch FPL-Fallnummer 08F49691-ILT 7 16 12 2009

durch das flexible Element begrenzt. Das Volumen des Reservoirs ist vorzugsweise aufgrund der Flexibilität des flexiblen Elements veränderbar.

Möglich ist auch, dass das Reservoir vollständig vom flexiblen Element begrenzt wird. In diesem Fall stellt das vom flexiblen Element begrenzte Reservoir ein "Fluidkissen" dar.

Vorzugsweise weist die Spannvorrichtung ein oder mehrere Begrenzungsmittel auf, welches bzw. welche alleine oder zusammen mit den zu verspannenden Fügepartnern eine Kammer oder zusammen mit den zu verspannenden Fügepartnern und mit einem Auflageelement, auf das die Fύgepartner aufgelegt oder an das die Fügepartner fixiert werden können, eine Kammer bildet/bilden bzw. bilden kann/können, die für das darin befindliche flexible Element undurchdringlich ist.

Das eine oder die mehreren Begrenzungsmittel kann bzw. können somit gemäß einer ersten Alternative bereits allein eine Kammer bilden; zum Verspannen zweier Fügepartner ist diese in diesem Fall zunächst zu öffnen und die Fügepartner mit der relativen Positionierung, mit der sie verbunden werden sollen, sind darin zu platzieren; anschließend ist die Kammer wieder zu verschließen, so dass sie für das darin befindliche flexible Element undurchdringlich ist. Eine derartige Kammer könnte z.B. durch eine Grundplatte als erstes Begrenzungsmittel, auf der die Fügepartner platziert werden können sowie einem oder mehreren weiteren Begrenzungsmitteln nach Art einer Glocke, welche auf die Grundplatte, die Fügepartner in der Kammer einschließend, aufgesetzt wird, realisiert werden.

Abhängig vom Anwendungsfall kann es aber auch vorteilhaft sein, wenn das eine oder die mehreren Begrenzungsmittel noch nicht allein, sondern erst zusammen mit den zu verspannenden Fügepartnern, oder zusammen mit den zu verspannenden Fügepartnern und mit einem Auflageelement, eine Kammer bilden. In diesem Fall ist die Kammer somit nicht Teil der Spannvorrichtung, sondern wird erst während des Spannvorgangs gebildet. Hierfür wird das eine oder die mehreren Begrenzungsmittel so mit zumindest einem der zu verspannenden Fügepartner in Kontakt gebracht, z.B. darauf aufgesetzt, dass sich zwischen Ihnen ein Hohlraum ausbildet, sie also gemeinsam eine Kammer bilden. FPL-Fallnummer 08F49691-ILT 8 16 12 2009

Alternativ wird das eine oder die mehreren Begrenzungsmittel so mit dem Auflageelement, auf das die Fugepartner aufgelegt oder an das sie fixiert sind, in Kontakt gebracht, z B darauf aufgesetzt, dass sie gemeinsam die Kammer bilden Für das Auflagelement sind viele Ausfuhrungsformen denkbar Vorausgesetzt ist für das Auflageelement allein, dass die Fugepartner darauf aufgelegt werden können oder daran fixierbar sind und dass es geeignet ist, der wahrend des Spannvorgangs auf mindestens einen der zu verspannenden Fugepartner wirkenden Kraft eine Gegenkraft entgegenzusetzen, vorzugsweise ist das Auflagenelement starr und in Richtung der auf mindestens einen der zu verspannenden Fugepartner wirkenden Kraft unbeweglich Das Auflageelement kann, muss aber nicht Teil der Spannvorrichtung sein Es kann somit ein in jedem Spannvorgang verwendetes Bauteil sein, möglich ist aber auch, dass für jeden Spannvorgang ein Auflagenelement individuell bereitgestellt ist Als Auflagenelement kommt insbesondere auch ein Tisch oder die Auflageflache eines Forderbandes in Frage

Unabhängig davon, ob die Kammer bereits Teil der Spannvorrichtung ist oder erst wahrend des Spannvorgangs zusammen mit den zu verspannenden Fugepartnern oder zusammen mit den zu verspannenden Fugepartnern und mit dem Auflageelement gebildet wird, ist bzw wird sie in jedem Fall so ausgebildet, dass sie für das dann befindliche flexible Element undurchdringlich ist

Die Kammer stellt dadurch, dass sie für das darin befindliche flexible Element undurchdringlich ist, die äußere Grenze für das Reservoir dar Auf diese Weise kann durch den im Reservoir erzeugten Druck dosierbar und homogen die auf das flexible Element wirkende Kraft gezielt auf die Fugepartner weitergeleitet werden

Dabei trennt das flexible Element in der Kammer vorzugsweise das Reservoir von einem zur Aufnahme der Fugepartner vorgesehenen Bereich Anders ausgedruckt weist die Kammer somit zwei Bereiche auf, nämlich einen das Reservoir enthaltenden Bereich und einen zur Aufnahme der Fugepartner vorgesehenen Bereich, diese beiden Bereiche werden vom flexiblen Element getrennt, insbesondere ist dadurch eine vorzugsweise luftdichte und in Bezug auf das Medium dichte Trennung gegeben Dies bewirkt eine einfache und schnelle FPL Fallnummer O8F49691 ILT 9 16 122009

Handhabbarkeit der Vorrichtung und damit ihre wirtschaftliche Verwendbarkeit in der Massenproduktion

Das oder die Begrenzungsmittel ist bzw sind so ausgebildet, dass sie und insbesondere die Kammer dem im Reservoir wahrend des Spannvorgangs erzeugten Druck standhalten können Vorzugsweise sind zur Gewährleistung der Dichtheit der Kammer und/oder dafür, dass die Kammer für das darin befindliche flexible Element undurchdringlich ist, hierfür geeignete Fixierungselemente vorhanden oder es können hierfür ausreichende Fixierungskrafte auf die Begrenzungsmittel einwirken Beispielsweise kann eine Glocke, die über eine Grundplatte und die darauf aufliegenden Fugepartner gestülpt wird, dabei mit einer Fixierungskraft auf die Grundplatte gedruckt werden, welche ausreicht, dass die Glocke sich aufgrund der Erzeugung des Drucks im Reservoir nicht von der Grundplatte abstoßt und somit diesem Druck standhalt

Die Erzeugung des Druckes im Reservoir kann besonders einfach erfolgen, wenn die Spannvorrichtung eine Druckeinstelleinπchtung zum Verandern des Druckes des Mediums im Reservoir umfasst Hierfür weist die Druckeinstelleinπchtung vorzugsweise zumindest ein Mittel auf, mit dem die Menge des Mediums im Reservoir erhöht und/oder zumindest ein Mittel, mit dem das Volumen des Reservoirs verringert werden kann

Beispielweise kann als Mittel zur Erhöhung der Menge des Mediums im Reservoir eine Einlasseinrichtung zum Einlassen des Mediums in das Reservoir vorhanden sein Dadurch kann auf einfache Weise der Druck des Mediums im Reservoir erhöht werden Der im Reservoir erzeugbare Druck, durch den über das flexible Element eine Kraft auf mindestens einen der zu verspannenden Fugepartner ausgeübt werden kann bzw die vom flexible Element auf mindestens einen der zu verspannenden Fugepartner wirkende Kraft kann somit mit geringem Aufwand genau und reproduzierbar eingestellt werden

Alternativ (oder auch zusätzlich) kann ein Mittel vorhanden sein, mit dem das Volumen der Kammer, insbesondere des Reservoirs, verringert werden kann Beispielsweise kann die Spannvorrichtung eine Verstelleinrichtung aufweisen, mit der ein Begrenzungsmittel oder das Auflagenelement relativ zu einem (anderen) Begrenzungsmittel und/oder dem flexiblen Element bewegt werden kann so dass FPL Fallπummer 08F49691 ILT 10 16 12 2009

die Kammer verkleinert wird Beispielsweise kann dafür ein Begrenzungselement als Hohlkörper ausgeführt sein, in dem ein weiteres Begrenzungselement oder das Auflageelement nach Art eines Zyhnderkolbens gefuhrt wird, um den erforderlichen Druck im Reservoir auf diese Weise mechanisch zu erzeugen

Der im Reservoir erzeugbare Druck liegt typischerweise zwischen 1 bar und 200 bar, vorzugsweise zwischen 2 bar und 7 bar Dies ermöglicht in Zusammenwirken mit dem elastischen Element eine optimale Spannwirkung

In einer besonders vorgezogenen Ausfuhrung der Erfindung weist die Spannvorrichtung eine Heizeinrichtung auf, mit der die Temperatur des Mediums erhöht werden kann Die Erhöhung der Temperatur mittels der Heizeinrichtung kann dabei entweder innerhalb des Reservoirs oder bereits vor Einlass des Mediums in das Reservoir erfolgen

Durch die erhöhte Temperatur des Mediums kann der Fugeprozess unterstutzt werden Darüber hinaus lasst sich durch die vom warmen Medium bewirkte Erwärmung des flexiblen Elements dessen Flexibilität weiter erhohen Dies steigert die Anpassungsfähigkeit des flexiblen Elements an die Kontur der Fugepartner, wodurch die Homogenitat der Krafteinwirkung auf die Fugepartner nochmals erhöht und die Gefahr von durch den Spannprozess bewirkten mechanischen Verspannungen bzw zusätzlichen Spaltbildungen zwischen den Fugepartnern weiter verringert wird

Auch die Fugepartner, insbesondere der obere Fugepartner, werden indirekt, nämlich durch das warme Medium (sowie durch das dadurch erwärmte flexible Element) erwärmt Auch dies erleichtert die Anpressung und das Aufschmelzen der Fugepartner Durch die effektive Erwärmung des oberen Fugepartners kann, bei gleicher Energie des Laserstrahls, eine verbesserte Diffusion stattfinden, welche zu höheren Nahtfestigkeiten fuhren kann Vorzugsweise wird die Temperatur des Mediums beim Spannvorgang so gewählt, dass durch die resultierende Erwärmung des oberen Fugepartners dessen Steifigkeit merklich herabgesetzt wird Gleichzeitig liegt die Temperatur des Mediums beim Spannvorgang naturlich unterhalb der Schmelztemperatur des flexiblen Elements Die Auswahl des flexiblen Elements und die Vorwarmung des Mediums wird insofern entsprechend aufeinander und auf die zu verspannenden Fugepartner FPL-Fallnummer 08F49691-ILT 11 16 12 2009

oder zumindest den oberen Fügepartner abgestimmt. Typischerweise liegt die Temperatur des vorgewärmten Mediums zwischen 40 bis 500 ⁰ C.

Durch die Herabsetzung der Steifigkeit des oberen Fügepartners werden Spannungsrisse infolge Eigenspannungen vermieden. Durch die größere Flexibilität des oder der erwärmten Fügepartner können darüber hinaus größere Spaltmassen zwischen den Fügepartnern überbrückt werden.

Wie bereits ausgeführt werden die zu verspannenden Fügepartner erfindungsgemäß mit dem flexiblen Element derart in Kontakt gebracht, dass durch einen im Reservoir erzeugbaren Druck über das flexible Element eine Kraft auf mindestens einen der zu verspannenden Fügepartner ausgeübt werden kann. Typischerweise werden die beiden Fügepartner in der gewünschten Positionierung zueinander auf ein Auflageelement aufgelegt oder daran fixiert. In der Regel werden die Fügepartner beim Spannvorgang somit nur bereichsweise mit dem flexiblen Element direkt und unmittelbar in Kontakt gebracht, nämlich nur ihre Oberflächenbereiche, die eine unmittelbare Grenzfläche der beim Spannvorgang gebildeten Kammer darstellen; dabei liegt in vielen Anwendungsfällen ein direkter unmittelbarer Kontakt vor allem oder im wesentlichen nur mit einem der Fügepartner vor, im Extremfall kann der direkte Kontakt ausschließlich mit einem der Fügepartner bestehen.

Es ist selbstverständlich auch möglich, dass die Fugepartner nur bereichsweise verspannt werden. Insbesondere ist es bei sehr ausgedehnten Fügepartnern möglich, dass mehrere Bereiche sukzessive von der Spannvorrichtung bearbeitet werden. Andererseits ist es vorteilhaft, wenn die Spannvorrichtung derart ausgebildet ist, dass auch sehr ausgedehnte Fügepartner während der Dauer lediglich eines Spannvorgangs verspannt werden können. Hierzu weist die Spannvorrichung entsprechend einer vorgezogenen Ausführungsform zwei oder mehr Reservoirs auf. Jedes Reservoir ist dabei mit einem gasförmigen oder flüssigen Medium befüllt oder befüllbar, das Medium kann dabei, muss aber im allgemeinen Fall nicht in jedem Reservoir das gleiche sein Es ist jeweils ein flexibles Element vorhanden, das zumindest teilumfänglich ein Reservoir begrenzt. Vorzugsweise ist die Spannvorrichtung dabei so ausgebildet, dass in mindestens FPL-Fallnummer 08F49691-ILT 12 16 12 2009

zwei Reservoirs der Druck unabhängig voneinander eingestellt werden kann. Auf diese Weise ist es im Bedarfsfall möglich, die Fügepartner mit unterschiedlicher Kraftverteilung zu verspannen

Gemäß einem weiteren Aspekt wird das der Erfindung zu Grunde liegende Problem durch ein Verfahren zum Laserstrahlfügen von zwei Fügepartnern gelöst, bei dem die Fügepartner vor und/oder während der Beaufschlagung mit Laserstrahlung miteinander verspannt werden, bei dem die zu verspannenden Fügepartner mit einem flexiblen Element in Kontakt gebracht werden, und bei dem durch einen im mit einem gasförmigen oder flüssigen Medium befüllten und zumindest teilumfänglich durch das flexible Element begrenzten Reservoir erzeugbaren Druck über das flexible Element eine Kraft auf mindestens einen der zu verspannenden Fügepartner ausgeübt wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen ohne Beschränkung des durch die Patentansprüche vorgegebenen Schutzbereichs nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:

Fig. 1 Schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Erfindung

Fig. 2 Schematische Darstellung der Ausführungsform gemäß Fig. 1 bei Erzeugung eines Druckes im Reservoir

Fig. 3: Schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung

Fig. 4: Schematische Darstellung der Ausfuhrungsform gemäß Fig. 3 bei Erzeugung eines Druckes im Reservoir

Fig. 5: Schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der Erfindung FPL Fallnummer 08F49691 ILT 13 16 12 2009

Wege zur Ausführung der Erfindung

Fig 1 und 2 zeigen den Verfahrensablauf für eine erste Ausfuhrungsform der erfindungsgemaßen Vorrichtung Über einem ersten Fugepartner 1 ist oder wird ein zweiter Fugepartner 2 angeordnet, Fugepartner 1 liegt dabei auf einem als Grundplatte ausgebildeten Auflagenelement 7 auf Über die Fugepartner 1 , 2 wird anschließend ein flexibles Element 3 gelegt Ein als Hohlkörper ausgebildetes erstes Begrenzungsmittel 5 und ein, hier als Glasplatte ausgebildetes, zweites Begrenzungsmittel 6 bilden zusammen eine "Glocke", welche, die Fugepartner 1 ,

2 einschließend, auf die Grundplatte bzw das Auflagenelement 7 aufgesetzt wird Das flexible Element 3 kann insbesondere wie hier gezeigt als Folie ausgebildet sein, welche erst beim bzw durch das Aufsetzen der durch die Begrenzungsmittel 5, 6 gebildeten Glocke auf das Auflagenelemeπt 7 fixiert wird Das flexible Element

3 kann stattdessen aber auch mit einem der Begrenzungsmittel, z B dem Hohlkörper 5, dauerhaft verbunden sein, z B als mit dem Hohlkörper dauerhaft verbundene Membran vorliegen, welche beim Aufsetzen der durch die Begrenzungsmittel 5, 6 gebildeten Glocke auf die Fugepartner 1 , 2 herabgesenkt wird

Die Begrenzungsmittel 5, 6 und das Auflageelement 7 (welches auch als weiteres Begrenzungsmittel angesehen werden konnte) bilden bzw umschließen gemeinsam eine Kammer 9 Diese umfasst das mit einem gasformigen oder flussigen Medium befullte oder befullbare Reservoir 10, welches vom flexiblen Element 3 und der durch die Begrenzungsmittel 5, 6 gebildeten Glocke begrenzt wird und abgesehen von einer verschließbaren Einlassoffnung 12 für das Medium dicht ist Die Kammer 9 umfasst darüber hinaus einen zur Aufnahme der Fugepartπer 1 ,2 vorgesehenen Bereich 11 Dieser Bereich 11 wird vom Reservoir 10 durch das flexible Element 3 getrennt

Fig 2 zeigt den weiteren Verfahrensverlauf für diese erste Ausfuhrungsform Erfindungsgemaß wird im Reservoir 10 ein Druck erzeugt Dies geschieht im vorliegenden Fall, indem der Druck p des Mediums im Reservoir 10 durch Zufuhr des Mediums durch die Einlassoffnung 12, für die in einem der Begrenzungsmittel, hier dem Hohlkörper 5 eine Bohrung vorgesehen ist, erhöht wird Dadurch dehnt sich das Reservoir 10 in der Kammer 9 aus, ermöglicht wird dies durch die FPL-Fallnummer 08F49691-ILT 14 16 12 2009

Flexibilität des flexiblen Elements 3. Die übrigen Grenzflächen des Reservoirs 10 sind den Begrenzungsmitteln 5, 6 zugeordnet, welche derart ausgebildet sind, insbesondere hinreichend starr und geeignet fixiert sind, dass sie trotz des erhöhten Drucks im Reservoir 10 bewegungslos bleiben. Hierfür kann beispielsweise, wie hier angedeutet, eine definierte Kraft F über den Hohlkörper 5 eingeleitet werden, welche hinreichend groß ist, dass die durch die Begrenzungsmittel 5, 6 gebildete Glocke sich nicht von der Grundplatte 7 abstößt und die umlaufende Dichtung 4 ausreichend gestaucht ist um den in der Glocke herrschenden Druck Stand zu halten. Beispielsweise wird in der Kammer ein Druck von p = 7 bar eingestellt und die Glocke mit einer Kraft von F = 7000 N auf der Grundplatte fixiert, wobei die Glocke auf der Grundplatte eine Fläche von 10000 mm ² umschließt.

Somit hält insbesondere die gesamte Kammer 9 dem erzeugten Druck stand, d.h. bildet eine starre, vom erhöhten Druck nicht verschobene bzw. nicht verschiebbare äußere Grenze für das Reservoir 10. Das Reservoir 10 dehnt sich aufgrund des erzeugten Druckes maximal so weit aus, wie es die Kammer 9 und die darin vorhandenen Fügepartner 1 , 2 zulassen. Die Ausdehnung des Reservoirs führt somit schließlich dazu, dass sich das flexible Element 3, bzw. zumindest ein Abschnitt des flexiblen Elements 3, eng an die Fügepartner 1 , 2 anlegt. Der Druck im Reservoir 10 bewirkt eine das flexible Element 3 in Richtung der Fügepartner 1 , 2 treibende, in der Abbildung durch Pfeile symbolisierte Kraft, d.h. das flexible Element 3 wird gegen die Fügepartner 1 , 2 gepresst. Das flexible Element 3, hier eine Folie aus Silikon, ist dabei so ausgebildet, insbesondere so elastisch, dass es sich bei geeignet gewähltem Druck der gegebenen Kontur anpasst. Das flexible Element 3 übt somit homogen eine über den Druck einzustellende Kraft auf die Fügepartner 1 , 2 aus, unmittelbar vor allem auf den oberen Fügepartner 2. Dieser obere Fügepartner 2 wird auf diese Weise gegen den unteren Fügepartner gepresst. Aufgrund der räumlich homogenen Verteilung dieser Kraft, welche durch die Druckregelung im Reservoir 10 exakt einstellbar ist, kann eine optimale Spannwirkung erzielt werden, ohne dass es zu unerwünschten mechanischen Verspannungen kommt. FPL-Fallnummer 08F49691-ILT 15 16 12 2009

Die in Fig. 1 und 2 gezeigte Spannvorrichtung ist geeignet und dient vorzugsweise als Teil einer Vorrichtung zum Laserstrahlfügen. Hierfür wird ein in den Abbildungen nicht gezeigter Laserstrahl einer Laserstrahlquelle mittels eines optischen Zugangs, welcher hier durch die Glasplatte 6 realisiert wird, in die Kammer 9 hinein gekoppelt und auf die mittels der Spannvorrichtung - wie in Fig. 2 dargestellt - miteinander verspannten Fügepartner 1 , 2 gerichtet. Beim Laserdurchstrahlfügen handelt es sich bei dem Fügepartner 2 um ein für die Wellenlänge des Laserstrahls transparentes oder zumindest im wesentlichen transparentes Werkstück, so dass der Laserstrahl diesen durchdringt und anschließend auf den Fügepartner 1 trifft. Dieser ist für die Wellenlänge des Laserstrahls absorbierend oder zumindest bereichsweise, z.B. in Form einer absorbierenden Deckschicht, ausreichend absorbierend, dass die entstehende Wärme im Falle des Kunststoffschweißens ein Plastifizieren beider Fügepartner 1 , 2 und damit ein Aufschmelzen bewirken kann. Das flexible Element 3 ist ebenfalls für die Wellenlänge der verwendeten Laserstrahlung transparent oder zumindest im wesentlichen transparent, genauso wie das verwendete Medium im Reservoir 10.

Somit kann jeder Bereich der zwischen den beiden Fügepartnern 1 , 2 vorliegenden und von ihnen gebildeten Grenzfläche mit dem Laserstrahl ohne Schwierigkeiten erreicht werden.

Alternativ zum in den Fig. 1 und 2 gezeigten Beispiel ist es auch möglich, dass die Laserstrahlung statt durch ein Begrenzungsmittel 6 durch das Auflageelement 7 eingekoppelt wird. In diesem Fall wären die Absorptions- bzw Transmissionseigenschaft genau umzukehren, so dass etwa der auf dem Auflageelement 7 aufliegende oder daran fixierte "untere" Fügepartner 1 in diesem Fall der transparente Fügepartner und Fügepartner 2 der absorbierende Fügepartner wäre. Bei diesem Ausführungsbeispiel wären besondere transmissive Eigenschaften von flexiblen Element 3 und Medium offensichtlich nicht erforderlich.

Im Übrigen sei betont, dass die in den Fig. 1 bis 5 gezeigten Vorrichtungen selbstverständlich nur eine relative Anordnung der einzelnen Bauteile zueinander angeben. So müssen die Fügepartner 1 , 2 beispielsweise offensichtlich nicht im FPL Fallnummer 08F49691 ILT 16 16 12 2009

Schwerkraftssinne "auf dem Auflagenelement 7 aufliegen, d h bedarfsweise konnte sich das Auflagenelement 7 (im Schwerkraftssinne) innerhalb der Spannvorrichtung auch "oben", beispielsweise an der oberen Seite der Kammer 9 befinden Entscheidend ist, dass das Auflagenelement 7 geeignet ist, der wahrend des Spannvorgangs auf die zu verspannenden Fugepartπer 1 , 2 wirkenden Kraft eine Gegenkraft entgegenzusetzen

Fig 3 und 4 zeigen den Verfahrensablauf für eine zweite Ausfuhrungsform der erfmdungsgemaßen Vorrichtung Der Unterschied zur ersten Ausfuhrungsform besteht dabei in der Ausgestaltung und Fixierung des flexiblen Elements 3 Dieses ist hier mit einem der Begrenzungsmittel, in diesem Fall dem Hohlkörper 5 dauerhaft verbunden und wird somit nicht unbedingt erst beim bzw durch das Aufsetzen der durch die Begrenzungsmittel 5, 6 gebildeten Glocke auf das Auflagenelement 7 fixiert

Konkret besteht die Fixierung aus einer Verbindung des flexiblen Elements 3 mit einem Begrenzungsmittels 5 entlang eines geschlossenen Weges an der Innenseite des Begrenzungsmittels 5, dabei eine Einlassoffnung 12 für das Medium umschließend Das flexible Element 3 bildet dabei insbesondere ein sackartiges Gebilde bzw ein Gebilde, welches als Fluidkissen bezeichnet werden kann, und welches von außerhalb des Begrenzungsmittels 5 durch Emlass des Mediums mit Druck beaufschlagt werden kann

Bei diesem Ausfuhrungsbeispiel besteht das Reservoir 10 aus dem vom flexiblen Element 3 eingeschlossenen Volumen, anders ausgedruckt wird es (abgesehen von der verschließbaren Einlassoffnung) ausschließlich vom flexiblen Element 3 begrenzt Bei hinreichender Druckbeaufschlagung legt sich das vom flexiblen Element 3 gebildete sackartige Gebilde bzw Fluidkissen vollumfanghch an die Innenseite der gebildeten Kammer 9 und die Fugepartner 1 , 2 an

Auch in dieser Ausfuhrungsform der Erfindung muss zwar dafür Sorge getragen werden, dass die durch die Begreπzungsmittel 5, 6 gebildete Glocke sich nicht von der Grundplatte 7 abstoßt, etwa wiederum mittels einer definierten Kraft F, die über den Hohlkörper 5 eingeleitet wird Allerdings muss hier keine Vorkehrung FPL Fallnummer 08F49691 ILT 17 16 12 2009

getroffen werden zur Abdichtung der Kammer 9, z B in Form einer umlaufenden Dichtung 4, da das mit Druck beaufschlagte Reservoir 10 durch das flexible Element 3 in diesem Fall in sich dicht ist

Hinsichtlich der Eignung und Verwendung der Ausfuhrungsform aus Fig 3 für das Laserstrahlfugen gelten die Ausfuhrungen bzgl der Fig 1 und 2 in gleichem Sinne

Ein weiteres erfindungsgemaßes Ausfuhrungsbeispiel ist in Fig 5 dargestellt Es weist wie das in Fig 3 und 4 gezeigte Beispiel ein flexibles Element 3 in Form eines sackartigen Gebildes bzw eines Fluidkissens auf Gemäß diesem weiteren Beispiel wird dem von diesem flexiblen Element 3 umgebenen Reservoir 10, welches eine bestimmte Menge des gasformigen oder flussigen Mediums aufweist, zum Verspannen keine weitere Menge des Mediums zugeführt Das Reservoir 10 benotigt insbesondere somit keine Einlassoffnung und kann insbesondere auch aufgrund des umgebenen flexiblen Elements 3 völlig dicht für das bei Herstellung des Reservoirs 10 eingefüllte Medium ausgebildet sein Das vom flexiblen Element 3 umgebene Reservoir 10 kann, muss jedoch nicht an einem der Begrenzungsmittel 5, 6 fixiert sein

Der Druck wird in dieser Ausfuhrungsform somit nicht durch eine Erhöhung der Menge des Mediums im Reservoir 10 erzeugt Stattdessen ist ein Mittel vorhanden, mit dem das Volumen der Kammer 9 verringert werden kann, beispielsweise kann hierfür, wie in Fig 5 dargestellt, das Auflagenelement 7 relativ zu den Begrenzungsmitteln 5, 6 bewegt werden Eine hinreichende Verkleinerung der Kammer 9 fuhrt zu einem mechanischen Druck auf das vom flexiblen Element 3 umgebene Reservoir 10 Ähnlich wie im Ausfuhrungsbeispiel der Fig 3 und 4 legt sich schließlich - diese Verfahrenssituation ist in Fig 5 dargestellt - das vom flexiblen Element 3 vollständig umgebene Reservoir 10 vollumfanglich an die Innenseite der (in diesem Fall verkleinerten) Kammer 9 und die Fugepartner 1 , 2 an Der bei Verkleinerung der Kammer 9 auf das Reservoir 10 wirkende Druck wird auf diese Weise auf die Fugepartner 1 , 2 weitergeleitet Durch hinreichende Große des Reservoirs 10 ist dabei sichergestellt, dass die Kraft auf die Fugepartner 1 , 2 räumlich homogen ist Es genügt, dass die Kraft auf den FPL Fallnummer 08F49691 ILT 18 16 12 2009

Fugepartner 2 im wesentlichen nur durch den homogenen Druck im Reservoir 10 herrührt

Figur 6 zeigt eine Ausfuhrungsform der Erfindung, die insbesondere für sehr ausgedehnte Fugepartner 1 , 2 geeignet ist oder für eine Anwendung, bei der das Verspannen mit einer speziellen Druckverteilung erfolgen soll

Die Spannvorrichtung weist hierfür mehrere Reservoirs 10, 10', 10" auf Es sind ein oder mehrere flexible Elemente 3, 3', 3" vorhanden, insbesondere ist grundsätzlich für jedes Reservoir 10, 10', 10" jeweils ein flexibles Element 3, 3', 3" vorhanden, das zumindest teilumfanglich das Reservoir 10, 10', 10" begrenzt Im vorliegenden Fall ist jedes flexible Element 3, 3', 3" einem Reservoir 10, 10', 10" zugeordnet In diesen Reservoirs 10, 10', 10" ist jeweils ein bestimmter Druck erzeugbar, so dass die flexiblen Elemente 3, 3', 3" jeweils mit einem Abschnitt der zu verspannenden Fugepartner 1 , 2 in Kontakt gebracht werden und somit gemäß des allgemeinen Erfindungsgedankens jeweils eine Kraft auf einen Abschnitt des mindestens einen der zu verspannenden Fugepartner 1 , 2 ausübt

Die Begrenzungmittel 5, 6 sind dabei so ausgestaltet, dass beim Aufsetzen dieser Begrenzungmittel 5, 6 auf das Auflagenelement 7 bzw die Fugepartner 1 , 2 mehrere separate Kammern 9, 9', 9" gebildet werden Die flexiblen Elemente 3, 3', 3" können unterschiedlich voneinander die verschiedenen bereits beschriebenen Ausgestaltungen haben Das in Fig 6 gezeigte Beispiel veranschaulicht dies, indem ein elastisches Element 3" etwa wie in der in Fig 1 und 2 dargestellten Ausfuhrungsform als Folie ausgeführt ist, ein weiteres elastisches Element 3 wie in der in Fig 3 und 4 dargestellten Ausfuhrungsform als von außen mit einem Medium befullbares Fluidkissen und schließlich ein drittes elastisches Element 3' entsprechend der in Fig 5 gezeigten Ausfuhrungsform als befulltes Fluidkissen, welches von außen nicht weiter befullt wird oder befullbar ist

Mit der Ausfuhrungsform der Fig 6 ist es möglich verschiedene Abschnitte der Fugepartner 1 , 2 mit einem voneinander verschiedenen Druck zu beaufschlagen und damit eine Verspannung der Fugepartner 1 , 2 mit einer definierten Druckverteilung zu erzeugen Insbesondere kann hierfür auch für verschiedene FPL-Fallπummer 08F49691-ILT 19 16 12.2009

Reservoirs 10, 10', 10" ein unterschiedliches Medium oder eine unterschiedliche Vorwärmung des oder der Medien vorgesehen werden.

Selbstverständlich können auch mehr als die drei gezeigten Reservoirs 10, 10', 10" bzw. Kammern 9, 9', 9" vorgesehen werden, insbesondere können diese auch in einer Flächenstruktur und nicht lediglich wie hier gezeigt in Reihe angeordnet sein.

FPL-Fallnummer 08F49691-ILT 20 16 12 2009

Bezugszeichenliste

1 Fugepartner

2 Fugepartner

3 flexibles Element

4 Dichtung

5 Begrenzungsmittel

6 transparentes Begrenzungsmittel

7 Auflageelement

9 Kammer

10 Reservoir

11 zur Aufnahme der Fugepartner vorgesehenen Bereich des Reservoir

12 Einlassoffnung