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Dokumentenidentifikation DE102005002014B4 22.02.2007
Titel Verfahren und Vorrichtung zum Einbringen einer Öffnung in ein Werkstück
Anmelder SONOTRONIC Nagel GmbH, 76307 Karlsbad, DE
Erfinder Nagel, Dieter, 76307 Karlsbad, DE;
Lichtenberger, Klaus, 75334 Straubenhardt, DE
Vertreter porta patent- und rechtsanwälte Dr. techn. Waldemar Leitner, Tanja Zeiher, 75172 Pforzheim
DE-Anmeldedatum 15.01.2005
DE-Aktenzeichen 102005002014
Offenlegungstag 27.07.2006
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 22.02.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.02.2007
IPC-Hauptklasse B21D 28/26(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse B26F 3/00(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   B26D 7/08(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einbringen einer Öffnung in ein Werkstück, bei dem ein Bearbeitungselement eines Werkzeugs auf eine mit der Öffnung zu versehende Stelle einer ersten Oberfläche des Werkstücks aufgesetzt und ein vom Bearbeitungselements des Werkzeugs umschlossene Bereich des Werkstücks dann durch Ausübung einer zum Werkstück hin gerichteten Vorschubkraft aus dem Werkstück freigeschnitten wird, wobei das Werkzeug durch Ultraschallschwingungen beaufschlagt wird, deren Amplitude derart gewählt wird, dass beim Eindringvorgang der Öffnung in das Werkstück nur ein oberflächisches Erweichen oder Anschmelzen eines das Werkzeug umgebenden, die herzustellende Öffnung begrenzenden Materialbereichs des Werkstücks erfolgt, sowie eine Vorrichtung zum Einbringen einer Öffnung in ein Werkstück, die eine Ultraschall-Erzeugungseinrichtung und ein an diese gekoppeltes Sonotroden-Werkzeug aufweist, wobei das Sonotroden-Werkzeug durch von der Ultraschall-Erzeugungseinrichtung erzeugte Ultraschallschwingungen beaufschlagbar ist, und die eine Vorschubeinrichtung zum Vorschub des Sonotroden-Werkzeugs gegen eine erste Oberfläche des Werkstücks aufweist.

Eine dertige Vorrichtung sowie ein derartiges Verfahren sind aus der DE 101 44 136 er Anmelderin bekannt. Das in dieser Druckschrift beschriebene Verfahren sowie die darin offenbarte Vorrichtung erlauben in einfacher Art und Weise die Herstellung von maßhaltigen Öffnungen in einem Werkstück, da bei dem bekannten Verfahren auf eine großflächige Erwärmung oder ein Anschmelzen des Werkstücks im Bereich der herzustellenden Öffnung verzichtet wird, indem das zu bearbeitende Werkstück nicht mehr im Bereich seiner herzustellenden Öffnung durch Ultraschall großflächig erweicht, sondern nur ein das Werkzeug umgebender Materialberich lokal oberflächlich angeschmolzen wird.

Das bekannte Verfahren und die bekannte Vorrichtung ermöglichen es aber nicht, auf der gegenüberliegenden Seite der Öffnung oder in deren Innenwand eine Kontur auszubilden.

Die EP 1 468 794 schlägt nun vor, zusätzlich zum Sonotroden-Werkzeug ein Gegenlager zu verwenden, das mit einem entsprechend ausgeführten Profil versehen ist. Auf diese Art und Weise soll sich nach den Ausführungen in der vorgenannten Druckschrift auf der Innenseite der Öffnung von einer geraden Form abweichende Konturen realisieren lassen. Bei der Durchführung einer derartigen Vorgehensweise hat sich aber gezeigt, dass hierdurch eine Maßhaltigkeit der herzustellenden Öffnung nicht mehr gegeben ist und negative Auswirkungen auf die Form der durch das Sonotroden-Werkzeug hergestellten Öffnung auftreten.

Die DE 35 28 910 A1 offenbart ein Verfahren zum Schneiden von Formteilen, die entlang ihrer Schnittlinie zwischen einer durch Ultraschall angeregten Sonotrode und einem Messer angeordnet sind. Durch die Ultraschallschwingungen wird der Werkstoff partiell plastifiziert und das Messer wird dann durch eine geeignete Vorschubbewegung in Richtung der Sonotrode bewegt.

Es ist nun Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass in einfacher Art und Weise eine in einem Werkstück herzustellende Öffnung an mehr als einer Seite konturiert werden kann.

Als Lösung dieser Aufgabe sieht das erfindungsgemäße Verfahren vor, dass bei einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Patent-Anspruchs 1 nach der Herstellung der Öffnung eine der ersten Oberfläche gegenüberliegende zweite Oberfläche des Werkstücks und/oder eine Innenwand der Öffnung des Werkstücks mit einer thermischen und/oder mechanischen Schneideinrichtung beaufschlagt wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung sieht zur Lösung der vorgenannte Aufgabe vor, dass bei einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patent Anspruchs 8 vorgesehen ist, dass die Vorrichtung eine mechanische und/oder thermische Schneideinrichtung aufweist, durch die eine zweite Oberfläche und/oder eine Innenwand der Öffnung des Werkstücks beaufschlagbar ist.

Die erfindungsgemäßen Maßnahmen besitzen nun den Vorteil, dass in einfacher Art und Weise eine Konturierung der Innenwand der im Werkstück hergestellten Öffnung ermöglicht wird. Im Falle einer thermischen Beaufschlagung wird bevorzugt, dass ein Schneidlaserstrahl verwendet wird, der durch die gestanzte und ggf. verprägte Öffnung so zugeführt wird, dass er die Innenwand der Öffnung in einem entsprechenden Winkel trifft und das überschüssige Material durch einen Verbrennungs- oder Schmelzvorgang entfernt. Im Falle einer mechanischen Schneidvorrichtung wird bevorzugt, dass das Werkstück mit einem Schneidmesser mit entsprechender Schneidengeometrie zur Entfernung des übrigen Materials zur Ausbildung einer Innenkontur beaufschlagt wird.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind dem Ausführungsbeispiel zu entnehmen, das im folgenden anhand der Figuren beschrieben wird. Es zeigen:

1: eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens,

2: eine schematische Darstellung einer als thermische Schneideinrichtung ausgebildeten Ausführungsform der Schneideinrichtung, und

3: eine schematische Darstellung einer als mechanische Schneideinrichtung ausgebildete Ausführungsform der Schneideinrichtung.

In 1 ist nun ein Werkstück W dargestellt, das auf einer Werkstückauflage 10 einer hier nur schematisch dargestellten Vorrichtung 1 zum Einbringen einer Öffnung in das Werkstück W positioniert ist. Die Werkstückauflage 10 weist eine Ausnehmung 11 auf, über der ein Sonotroden-Werkzeug 20 mit einem Bearbeitungselement 22, das im hier gezeigten Fall als ein Stanz- oder Schneidwerkzeug 21 ausgebildet ist, angeordnet ist. Das Stanz- oder Schneidwerkzeug 21 weist als Bearbeitungselement 22 eine messerartig ausgebildete Schneid- oder Stanzkante 22' auf, deren Kontur die Kontur der herzustellenden Öffnung festlegt. Das Sonotroden-Werkzeug 20 ist am Ausgang einer an und für sich bekannten und daher nicht dargestellten sowie beschriebenen Ultraschall-Erzeugungseinrichtung der Vorrichtung 1 angebracht, so daß von der Ultraschall-Erzeugungseinrichtung erzeugte Ultraschallschwingungen auf das Sonotroden-Werkzeug 20 und somit auf die Schneid- oder Stanzkante 22', also auf das Bearbeitungselement 22 des Sonotroden-Werkzeugs 20, übertragen werden. Die Vorrichtung 1 weist desweiteren noch eine an und für sich bekannte und daher ebenfalls nicht gezeigte und nicht beschriebene Vorschubeinrichtung auf, mit der das Sonotroden-Werkzeug 20 in Richtung des Werkstücks W vorgeschoben und mit einer hinreichend großen Bearbeitungskraft auf das Werkstück W gepreßt werden kann.

Zur Herstellung der Öffnung im Werkstück W wird nun das Sonotroden-Werkzeug 20 durch die Vorschubeinrichtung der Vorrichtung 1 in Richtung einer ersten Oberfläche W' des Werkstücks W zugestellt und das Bearbeitungselement 22 wird auf die Oberfläche W' des Werkstücks W gedrückt, wobei die Vorschubkraft in Abstimmung auf das Material des Werkstücks W derart gewählt ist, daß der Einarbeitungsvorgang der Öffnung in das Werkstück W im wesentlichen durch die Vorschubkraft bestimmt wird. Typischerweise wird hierbei eine Vorschubkraft – bei einem Kunststoffmaterial, aus dem typischerweise Stoßfänger für Kraftfahrzeuge ausgebildet sind – von etwa 3–4 kN vorgesehen, während bei einem derartigen Stanzvorgang ohne die nachstehend beschriebene Ultraschall-Unterstützung typischerweise 5–6 kN erforderlich wären.

Dieser Vorschubkraft wird dann eine durch die von der Ultraschall-Erzeugungseinrichtung erzeugten Ultraschallschwingungen hervorgerufene Oszillationsbewegung des Sonotroden-Werkzeugs 20 überlagert, wobei vorgesehen ist, daß hierbei die axiale Schwingungsamplitude des Sonotroden-Werkzeugs 20 nur gering ist, unter 50 &mgr;m liegt und vorzugsweise im Bereich zwischen 15 &mgr;m und 25 &mgr;m ist.

Die Überlagerung der dem Einarbeitungsvorgang der Öffnung in das Werkstück W dominierenden, von der Vorschubkraft hervorgerufene Vorschubbewegung mit den durch die Ultraschallschwingungen mit kleiner Schwingungsamplitude erzeugten Oszillation des Sonotroden-Werkzeugs 20 führt nun infolge des hierdurch bewirkten, in vorteilhafter Art und Weise nur geringen Eintrags von Ultraschallenergie dazu, daß das Werkstück W nun nicht mehr in seinem gesamten Bereich der herzustellenden Öffnung aufgeschmolzen oder zumindest erweicht wird, sondern daß in vorteilhafter Art und Weise nur ein oberflächliches Erweichen oder Anschmelzen des dem Sonotroden-Werkzeug 20 unmittelbar benachbarten Materialbereichs des Werkstücks W bewirkt wird.

Eine derartige Maßnahme besitzt den Vorteil, daß die auf diese Art und Weise hergestellten Öffnungen im Werkstück W sich durch eine hohe Maßhaltigkeit und somit geringe Toleranzen auszeichnen, da beim beschriebenen Verfahren das Sonotroden-Werkzeug 20 nicht – wie bei den bekannten Verfahren – in einen großflächig erweichten Bereich des Werkstücks W eindringt, sondern in ein im wesentlichen festes, d. h. nur geringfügig erweichtes oder aufgeschmolzenes Material, daß also das Sonotroden-Werkzeug 20 im wesentlichen in einer Art und Weise in das Werkstück W eindringt, die einem Schneiden oder Stanzen von Öffnungen in ein Werkstück ohne die Verwendung von Ultraschall entspricht.

Die Unterstützung der durch die Vorschubkraft bewirkten Vorschubbewegung des Sonotroden-Werkzeugs 20 durch die Oszillationsbewegung des Sonotroden-Werkzeugs 20, welche durch die von der Ultraschall-Erzeugungseinrichtung hervorgerufenen Ultraschallschwingungen mit kleiner axialen Schwingungsamplitude erzeugt werden, besitzt desweiteren den Vorteil, daß die die Öffnung des Werkstücks W begrenzende Schnitt- oder Stanzfläche, also den die Schneid- bzw. Stanzkante 22' umgebenden Bereich des Werkstücks W, durch die Ultraschallschwingungen aufgeschmolzen oder zumindest erweicht wird. Dies besitzt den Vorteil, daß hierdurch das nachteilige Auftreten von faser- oder spanförmigen Schnitt- oder Stanzrückständen unterdrückt wird.

Wie aus der 1 ebenfalls ersichtlich, weist das Sonotroden-Werkzeug 20 in seinem Übergangsbereich 23 zwischen Bearbeitungselement 22 und Werkzeugkörper 24 ein Prägeelement 25 auf, welches dazu dient, den Rand der herzustellenden Öffnung entsprechend zu konturieren, insbesondere mit einer Rundung zu versehen.

Um nun die Öffnung auch an einer der ersten Oberfläche W des Werkstücks W gegenüberliegenden zweiten Oberfläche W' und/oder eine Innenwand W''' der Öffnung entsprechend konturieren zu können, ist in vorteilhafter Weise vorgesehen, dass die Vorrichtung eine Oberfläche W' und/oder eine Innenwand W''' der Öffnung Schneideinrichtung 30 aufweist, die im folgenden anhand der 2 und 3 erläutert wird.

Bei der ersten Ausführungsform der Schneideinrichtung 30 ist gemäß 2 vorgesehen, dass die Schneideinrichtung 30 als eine thermische Schneideinrichtung ausgebildet ist, die eine Lasereinheit 31 aufweist, durch welche die Innenwand W''' der Öffnung mit einem von der Lasereinheit 31 erzeugten Schneidlaserstrahl L beaufschlagt wird. Hierbei wird die im hier gezeigten Fall über der Öffnung, also an der ersten Oberfläche W des Werkstücks W angeordnete Lasereinheit 31 mittels einer entsprechenden Führungseinrichtung und/oder der Schneidlaserstrahl L wird mittels einer entsprechenden Strahlführungseinrichtung (jeweils nicht gezeigt) durch die bereits gestanzte und hier verprägte Öffnung so geführt, dass er auf die Innenwand W''' der Öffnung in einem entsprechenden Winkel auftrifftund derart eine (hier: konische Konturierung) der Innenwand W''' erzeugt. In vorteilhafter Art und Weise wird hierbei das abzutragende Material des Werkstücks durch den Schneidlaserstrahl L verdampft und/oder abgeschmolzen, so dass in vorteilhafter Art und Weise bei dieser Bearbeitung keine Späne oder sonstigen störenden Abfallprodukte entstehen.

In 3 ist nun ein zweites Ausführungsbeispiel der Schneideinrichtung 30 dargestellt, bei dem die Schneideinrichtung 30 auf mechanischer Basis ausgebildet ist. Die Schneideinrichtung 30 weist hierzu ein entsprechend konturiertes Schneidmesser 32 auf, welches die zweite Oberfläche W' des Werkstücks W beaufschlagt und derart die Innenwand W''' der Öffnung konturiert. Hierbei kann vorgesehen sein, dass das Schneidmesser 32 durch Ultraschallschwingungen beaufschlagt wird, die von einer in 3 nicht gezeigten Ultraschall-Erzeugungseinrichtung erzeugt werden. Auch hier wird wiederum bevorzugt, dass die Amplitude der Ultraschallschwingungen kleiner als 50 &mgr;m ist.


Anspruch[de]
Verfahren zum Einbringen einer Öffnung in einer Werkstück (W), bei dem ein Bearbeitungselement (22) eines Werkzeugs (20) auf eine mit der Öffnung zu versehende Stelle einer ersten Oberfläche (W) des Werkstücks (W) aufgesetzt und ein vom Bearbeitungselement (22) des Werkzeugs (20) umschlossener Bereich des Werkstücks (W) dann durch Ausübung einer zum Werkstück (W) hin gerichteten Vorschubkraft aus dem Werkstück (W) freigeschnitten wird, wobei das Werkzeug (20) durch Ultraschallschwingungen beaufschlagt wird, deren Amplitude derart gewählt wird, dass beim Einbringvorgang der Öffnung in das Werkstück (W) nur ein oberflächliches Erweichen oder Anschmelzen einer das Werkzeug (20) umgebenden, die herzustellende Öffnung begrenzenden Materialbereichs des Werkstücks (W) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Herstellung der Öffnung eine der ersten Oberfläche (W ) gegenüberliegende zweite Oberfläche (W') des Werkstücks (W) und/oder eine Innenwand (W''') der Öffnung des Werkstücks (W) mit einer thermischen und/oder mechanischen Schneideinrichtung (30) beaufschlagt wird. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schneidlaserstrahl (L) der Schneideinrichtung (30) verwendet wird. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schneidmesser (32) der Schneideinrichtung (30) verwendet wird. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Schneidmesser (32) mit Ultraschallschwingungen beaufschlagt wird. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ampitude der Ultraschallschwingungen kleiner als 50 &mgr;m ist. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Bearbeitungswerkzeug ein Sonotroden-Werkzeug (20) verwendet wird, und dass das Sonotroden-Werkzeug (20) von Ultraschallschwingungen, die von einer Ultraschall-Erzeugungseinrichtung erzeugt wird, beaufschlagt wird. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Werkzeug (20) ein Werkzeug mit einem Prägeelement (25) verwendet wird. Vorrichtung zum Einbringen einer Öffnung in ein Werkstück (W), die eine Ultraschall-Erzeugungseinrichtung und ein an diese gekoppeltes Sonotroden-Werkzeug (20) aufweist, wobei das Sonotroden-Werkzeug (20) durch von der Ultraschall-Erzeugungseinrichtung erzeugte Ultraschallschwingungen beaufschlagbar ist, und die eine Vorschubeinrichtung zum Vorschub des Sonotroden-Werkzeugs (20) aufweist, durch die das Werkzeug (20) fegen eine erste Oberfläche (W') des Werkstücks (W) bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine mechanische und/oder thermische Schneideinrichtung (30) aufweist, durch die eine zweite Oberfläche (W') und/oder eine Innenwand (W''') der Öffnung des Werkstücks (W) beaufschlagbar ist. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneideinrichtung (30) einen Schneidlaserstrahl (L) erzeugt. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneideinrichtung (30) ein Schneidmesser (32) aufweist. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Schneidmesser (32) mit Ultraschallschwingungen beaufschlagbar ist.






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