DE10217725C1 - Verfahren zur Bearbeitung einer auf einen Trägerwerkstoff aufgetragenen Trennmittelschicht - Google Patents
Verfahren zur Bearbeitung einer auf einen Trägerwerkstoff aufgetragenen TrennmittelschichtInfo
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Abstract
Verfahren zur Bearbeitung einer auf einen Trägerwerkstoff aufgetragenen Trennmittelschicht, bei dem die Trennmittelschicht mit der Strahlungsenergie eines TEA-CO¶2¶-Lasers beaufschlagt wird, wodurch die Trennmittelschicht wenigstens teilweise über die Zersetzungstemperatur des Trennmittels erwärmt wird und das Trennmittel somit seine Trenneigenschaften verliert. Der Trägerwerkstoff kann insbesondere ein eine Fahrzeugscheibe bildendes Glas oder eine auf einer Scheibe aufgetragene Glaspulverschicht bzw. Gummi sein.
Description
In Verbindung mit der Entwicklung neuer Verfahren zum Entlacken von Flugzeugen
wurden intensive Untersuchungen zur Eignung der verschiedenen Laser
durchgeführt, wie im Artikel "Laserentlackung - Stand der Entwicklung" im JOT
Journal für Oberflächentechnik 1997 veröffentlicht. Neben der Möglichkeit der
Entlackung sämtlicher Luftfahrtwerkstoffe war eine Option auf selektives Abtragen
einzelner Lackschichten gefordert. Dabei war zu beachten, dass die sensiblen
Trägerwerkstoffe eine Minimierung der thermischen Belastung erforderlich machten
und keinerlei Schaden nehmen durften.
Wie in diesem Artikel berichtet, kristallisierten sich zur Bewältigung dieser
Anforderung gepulste Laser mit großen Pulsleistungen und maximalen
Strahlgeometrien als mögliche Lösungen heraus. Beispielhaft werden hier genannt
der Kupferdampflaser, der TEA-CO2-Laser der Nd:YAG-Laser und der Eximerlaser.
Welcher der Laser für die konkrete Anwendung der Entlackung besonders geeignet
ist, richtet sich primär nach der emittierten Wellenlänge bestimmend die Absorption
durch den Lack und die Eindringtiefe der Strahlung.
Der Abtrag des Lackes mittels eines kurzzeitgepulsten Lasers wurde aus drei Ansätzen
heraus erläutert, als thermischer, als chemischer und als mechanischer Prozess. Wie
Untersuchungen gezeigt haben, erfolgt die Deponierung der Strahlungsenergie,
insbesondere im langwelligen elektromagnetischen Bereich thermisch. Zunächst ist
die direkte Wechselwirkung (Absorption) zwischen der Laserstrahlung und dem
Bearbeitungswerkstoff vorherrschend. Der Energietransfer von elektromagnetischer
Strahlungsenergie in thermische Energie führt zum eigentlichen
Verdampfungsprozess, der als primärer Abtragsmechanismus gilt. Das verdampfte
Material unterliegt einer weiteren Aufheizung durch den Laserpuls, verbunden mit
einer Ionisation (Plasmabildung). Mit dem Phänomen der mit der Ausbildung von
Schock- und Druckwellen im Bearbeitungswerkstoff verbundenen Kräfte ist auch ein
Materialabtrag durch mechanische Unterstützung zu beobachten. Mit der
Einkopplung der Strahlungsenergie in den Lack wird dieser von einer Druckwelle
erfasst. Der größte Teil dieser Druckwelle wird in den Trägerwerkstoff transmittiert
und erfährt auf der Rückseite in Form von Zugbelastung an der Grenzschicht
Trägerwerkstoff/Luft eine Reflexion. Trifft die reflektierte Welle auf die Grenzschicht
Trägerwerkstoff/Lack, so kommt es an der Grenzfläche zu einer
abtragsunterstützenden Zugspannung. Im Artikel werden des Weiteren die
Möglichkeiten der Prozesskontrolle und eine bei Dornier entwickelte
Entlackungsanlage mit einer TEA-CO2-Strahlungsquelle diskutiert, die durch ein
Aneinanderreihen einzelner Scanfelder zu einem großflächig entlacktem Bauteil mit
einer hochwertigen Oberflächengüte führt. Es werden verschiedene
Anwendungsmöglichkeiten aufgezeigt, bei denen es sämtlich auf einen präzisen
Abtrag Puls für Puls mit einer hohen Auflösung ankommt. Genannt sind
Anwendungen für die Augenheilkunde, die Restauration von Gemälden und die
Reinigung von verschmutzten Denkmälern. Neben den besonderen Möglichkeiten der
Prozesskontrolle, die sich aus optischen und akustischen Effekten bei der
Verfahrensdurchführung ergeben und die eine Abtragssteuerung höchster
Genauigkeit eröffnen, wird der Vorteil eines solchen Abtragverfahrens insbesondere
darin erkannt, dass durch die extrem kurze Dauer der Laserimpulse die Oberfläche
des Trägerwerkstoffs nicht erwärmt wird und somit eine thermische Beschädigung
des Trägerwerkstoffs ausgeschlossen werden kann.
Aus der EP 0 391 113 A2 ist ein Verfahren zur großflächigen Entlackung von
Werkstücken, insbesondere Faserverbundstoffen bekannt, bei dem mittels eines
Eximerlasers die zu entlackende Oberfläche so schnell erhitzt wird, dass der bestrahlte
Lack schneller verdampft als absorbierende Energie in tiefere Schichten diffundiert.
Auch hier wird die Nutzung der auftretenden optischen und akustischen Effekte zur
Regulierung der Entlackungstiefe als besonders vorteilhaft angeführt.
In der DE 44 13 158 A1 wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, mit der mittels eines
TEA-CO2-Lasers Schichten von Lack oder Kunststoff entfernt werden. Insbesondere
um einen möglichst gleichmäßigen Abtrag über die Arbeitsfläche zu erhalten, soll ein
Laserfleck rechteckiger Geometrie und mit einem kastenförmigen Intensitätsprofil
und konstanter Laserenergiedichte erzeugt werden.
Bei all den beschriebenen Lösungen besteht die Aufgabe im berührungslosen
kontrollierten Abtrag einer Schicht von einem Trägerwerkstoff, der keine thermische
Belastung erfahren soll.
Für die nachfolgend beschriebene Problematik besteht eine ganz andere Aufgabe,
obwohl der derzeitige Stand der Technik zur Lösung der konkreten Problematik
scheinbar eine gleiche Aufgabe ableiten lässt.
Insbesondere in der Automobilzulieferindustrie werden um die Kontur von Front- und
Heckscheiben umlaufende Gummilippen im Spritzgussverfahren angebracht. Um
nach Beendigung dieses Prozesses die Spritzgussform ohne Beschädigung der
gegossenen Gummilippe entfernen zu können, wird vor dem Einspritzen der
Gummimasse das Werkzeug mit einem Trennmittel benetzt. Das Trennmittel oder
auch Antihaftmittel genannt, verhindert das Entstehen von Adhäsionskräften
zwischen zwei aneinander liegenden Flächen, hier der Werkzeugoberfläche und der
sich ausbildenden Gummilippenoberfläche. Beim Öffnen dieses Werkzeuges kann das
Trennmittel unkontrolliert auf die Scheibe laufen und neben und auf der Gummilippe
eine Trennmittelschicht unterschiedlicher Dicke und Breite bilden.
Um im Bereich der Trennmittelschicht einen Klebstoff auftragen zu können, zum
Beispiel zwecks Einklebung der Scheibe in die Karosse oder zwecks Aufkleben eines
Zierbandes, wird diese Trennmittelschicht derzeit manuell mechanisch abgetragen.
Schwierigkeiten für die Automatisierung ergeben sich
- - aus der dreidimensionalen Form der Scheibe
- - der unterschiedlichen Breite und Dicke der Trennmittelschicht, wobei abschnittsweise die Breite und/oder Dicke auch Null sein kann
- - aus dem unterschiedlichen Untergrund, der sowohl Gummi, unbeschichtetes transparentes Glas oder mit einem dunklen Glaspulver beschichtetes Glas sein kann.
In der DE 101 23 000 A1 wird ein Verfahren beschrieben, dass es erlaubt,
Oberflächen von Polymeren, die mindestens ein aktives Trennmittel enthalten, zu
aktivieren, so dass in einem weiteren Arbeitsschritt diese Polymeroberflächen mit
einem Reaktivkunststoff, z. B. einem Klebstoff, beschichtet werden können und zwar
derart, dass Haftung zwischen dem Polymer und dem Reaktivkunststoff auftritt. Um
eine Haftung zwischen der Oberfläche des Polymerteils und dem Reaktivkunststoff zu
bewirken, wird die Polymeroberfläche mit UV-Licht bestrahlt. Diese Bestrahlung
ersetzt die Lufttrocknung der vorgefertigten Polymerteile, die je nach Polymer und
Reaktivkunststoff 1 bis 2 Tage dauerte. Das Verfahren ist in seiner Anwendung auf
Polymere beschränkt, die mindestens ein Trennmittel enthalten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, mit dem eine
Teilfläche auf einer mit einer Trennmittelschicht beschichteten Oberfläche eines
Trägerwerkstoffes berührungslos bearbeitet wird, so dass auf dieser Teilfläche ein
Klebstoff haften kann. Dabei soll die Teilfläche auf der Oberfläche unterschiedlicher
Trägerwerkstoffe wie Gummi, Glas oder/und einer abdunkelnden Glaspulverschicht
liegen können. Das Verfahren soll außerdem anwendbar sein, wenn die
Trennmittelschicht ungleichmäßig dick ist.
Sofern die Teilfläche auf der Gummilippe oder der Glaspulverschicht bearbeitet wird,
soll vorteilhaft die Klebefläche nach der Bearbeitung optisch erkennbar sein.
Das Verfahren soll für eine Massenproduktion geeignet sowie schnell und
vollautomatisch ausführbar sein.
Die Aufgabe der Erfindung wird für ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des
Anspruches 1 dadurch gelöst, dass die Trennmittelschicht mit der Strahlungsenergie
eines TEA-CO2-Lasers beaufschlagt wird, wodurch die Trennmittelschicht wenigstens
teilweise über die Zersetzungstemperatur des Trennmittels erwärmt wird und das
Trennmittel somit seine Trenneigenschaften verliert.
Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es nicht darauf ankommt, die
Trennmittelschicht von der Oberfläche des Trägerwerkstoffes zu entfernen, damit ein
aufzutragender Klebstoff gut haftet, sondern dass es ausreicht, die Funktion der
Trennmittelschicht aufzuheben. Dies ist mit einer lokalen Erwärmung auf eine
Temperatur oberhalb der Zersetzungstemperatur des Trennmittels möglich. Für viele
Trennmittel liegt die Zersetzungstemperatur bereits bei ca. 80°. Für eine schnelle und
lokale auf die für den Klebstoff vorgesehene Teilfläche begrenzte Erwärmung wird
ein TEA-CO2-Laser verwendet.
Nachfolgend soll die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel unter Verwendung
von Zeichnungen näher erläutert werden. Hierzu zeigt:
Fig. 1a eine Frontscheibe mit einer Spur auf Glas
Fig. 1b einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 1a
Fig. 1c Energiediagramm bei geringer Überlappung der Flächenelemente
Fig. 2a eine Heckscheibe mit einer Spur auf Glas und einer Spur auf Gummi
Fig. 2b einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 2a
Fig. 2c ein Energiediagramm bei großer Überlappung der Flächenelemente
Die Wirkungsweise eines TEA-CO2-Lasers wurde in der Beschreibung des Standes der
Technik ausführlich beschrieben. Für das nachfolgend beschriebene Verfahren ist
insbesondere die Plasmabildung von Interesse. Eine Notwendigkeit zur Reglung der
Abtragtiefe besteht nicht, da der Abtrag hier nur als ein Nebeneffekt entsteht.
Davon ausgehend, dass das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere zum
Bearbeiten von Fahrzeugscheiben geeignet ist und die Fahrzeugscheiben plan,
meistens jedoch leicht gewölbt sind und im weitesten Sinne eine wenigstens
rechteckähnliche Form aufweisen, stellt die zu bearbeitende Teilfläche, nachfolgend
Spur genannt, in der Regel eine rechteckähnliche Ringfläche bzw. Abschnitte davon
dar.
Die Durchführung des Verfahrens soll an der Bearbeitung einer Frontscheibe an Hand
der Fig. 1a-1c beschrieben werden. Bestimmend für die Geometrie der zu
bearbeitenden Spur 1.1 ist die Außenkontur 2 der Scheibe 3. Parallel zur
Außenkontur 2, die von einer umlaufenden Gummilippe 4 umfasst ist, soll neben der
Gummilippe 4 verlaufend eine streifenförmige Spur 1.1 bearbeitet werden, um
anschließend die Scheibe 3 mittels eines auf diese Spur 1.1 aufgetragenen
Klebstoffes in der Karosse des Fahrzeuges zu fixieren. Die streifenförmige, einen
geschlossenen Ring bildende Spur 1.1 soll beispielsweise eine Breite von 18 mm
aufweisen. Die im Bereich der Spur 1.1 vorhandene Trennmittelschicht kann in ihrer
Dicke von 0 bis ca. 100 µm schwanken. Der Trägerwerkstoff soll in dem anhand der
Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel unbeschichtetes Glas sein.
Zur Bearbeitung der Spur 1.1 wird die Strahlung eines gepulsten TEA-CO2-Lasers mit
einem quadratischen Strahlaustritt von 18 mm × 18 mm, einer maximalen Pulsenergie von
6,5 J und einer maximalen Pulsfrequenz von 50 Hz auf die Scheibe 3 gerichtet.
Entsprechend dem auftreffenden Laserfleck mit einer Kantenlänge a von 18 mm × 18 mm
wird die Spur 1.1 aus einer Vielzahl von nebeneinander liegenden, bzw. sich in
Spurrichtung 5 überlappenden Flächenelementen 6 der Größe von 18 mm × 18 mm
verstanden. Grundsätzlich wird jedes Flächenelement 6 mit einem Laserpuls
beaufschlagt. Eine geringe Überlappung b (b < a/10) der Randbereiche, siehe Fig. 1b,
ist auf Grund des Intensitätsabfalls in den Randbereichen vorteilhaft und dient somit
einem homogenen Energieeintrag über die Spur 1.1, siehe Fig. 1c. Mit einer
Vergrößerung der Überlappung b (b < 50% a) wird der Energieeintrag erhöht. In Fig.
2b ist beispielsweise ein doppelter Energieeintrag (b = a/2) für eine Spur 1.2 und ein
dreifacher Energieeintrag (b = 2a/3) für eine Spur 1.3 dargestellt. Die Spur 1.2 soll auf
einer Glaspulverschicht und die Spur 1.3 auf Gummi erzeugt werden. Ein
Energiediagramm für einen dreifachen Energieeintrag ist in Fig. 2c dargestellt. Der
Energieeintrag kann somit materialspezifisch, abhängig vom Trägerwerkstoff neben
einer Reglung der Laserleistung durch den Betrag der Überlappung b bestimmt
werden. Die Überlappung wird über die Pulsfrequenz des Lasers und über die
Geschwindigkeit, mit welcher die Scheibe 3 in Spurrichtung 5 zum Laserfleck bewegt
wird, festgelegt.
Durch die sehr hohen Amplitudenwerte des Einzelimpulses des TEA-CO2-Lasers in den
ersten 100 ns kommt es zu der schlagartigen Verdampfung der Trennmittelschicht in
einem Absorptionsbereich je nach Parametereinstellung von ungefähr 5-10 µm. Die
Verdampfungsprodukte bilden eine Absorptionswolke, die von der nachfolgenden
Strahlung nur partiell durchdrungen werden kann, aber meist absorbiert wird,
wodurch es zur Plasmabildung kommt. Dieses Plasma vor der Materialoberfläche
erwärmt die nicht verdampfte Trennmittelschicht durch Wärmestrahlung in einem
kleinen Volumenbereich und erhitzt so das Trennmittel über seine
Zersetzungstemperatur. Unter der Zersetzungstemperatur soll die Temperatur
verstanden werden, bei der das Trennmittel seine trennende Wirkung verliert. Die
Wärmeleitung ist durch die kurzen Bestrahlungszeiten während des gesamten
Bearbeitungsprozesses vernachlässigbar gering.
Trifft die Strahlung auf eine trennmittelfreie Stelle, d. h. die Dicke der
Trennmittelschicht ist Null, so kommt es zur Wechselwirkung mit dem
Trägerwerkstoff. Während das Glas unbeschädigt bleiben muss, d. h. der
Energieeintrag wird so gewählt, dass im Glas keine irreversiblen Veränderungen
auftreten, kann ein sichtbarer Abtrag wünschenswert sein, wenn der Trägerwerkstoff
eine aufgesinterte dunkle Glaspulverschicht oder Gummi ist. Dies kann von Vorteil
sein, um für den nachfolgenden Klebeprozess die aufgearbeiteten Spuren 1.2; 1.3 zu
erkennen bzw. die Oberflächenrauheit für eine bessere Klebeverbindung zu erhöhen.
Eine Funktionsbeeinträchtigung geschieht dadurch nicht. Um eine stärkere optische
Wirkung zu erzielen, kann entweder die Laserleistung erhöht werden bis hin zur
Maximalleistung des Lasers, von 250 W oder/und es wird wie bereits erwähnt, eine
höhere Überlappung der die Flächenelemente definierenden Laserflecken realisiert.
Durch eine sehr große Überlappung kann ein Vielfaches an Energie pro Fläche
eingetragen werden als mit einem Einzelimpuls.
Eine Beschädigung des Glases hingegen ist unbedingt zu vermeiden. Sie würde
neben einer Verschlechterung der Transparenz in den anliegenden Bereichen um den
auftreffenden Laserfleck auch zur Zerstörung der Glasoberfläche führen, was einer
funktionellen Beeinträchtigung gleich kommt. Man arbeitet hier mit einer möglichst
geringen Leistung, die bei ungefähr 28 KW liegt.
Der Laserfleck wurde in den beschrieben Beispielen quadratisch mit den
Abmessungen 18 mm × 18 mm angenommen. Der quadratische Laserfleck, der jeweils ein
quadratisches Flächenelement der Spuren 1.1, 1.2 und 1.3 mit Strahlung
beaufschlagt, ist für die beschriebene Anwendung des Verfahrens an eine
Frontscheibe oder Heckscheibe besonders vorteilhaft. Die hier zu bearbeitenden
Spuren 1.1 und 1.2 stellen, wie in Fig. 1a und Fig. 2.a gezeigt, genau genommen
einen trapezförmigen Ring dar, d. h. die Spuren 1.1 und 1.2 werden von vier
geradlinigen Streifen gebildet, die miteinander einen Winkel nahe, jedoch ungleich
90° miteinander einschließen. Zur Bearbeitung der Flächenelemente entlang der
Geraden ist eine lineare Relativbewegung des Laserfleckes um kleiner oder gleich
18 mm notwendig. Zum Richtungswechsel bedarf es keine Drehung um den Winkel,
den die beiden aufeinandertreffenden Streifen miteinander einschließen, sondern nur
um eine Drehung entsprechend der Winkelabweichung von 90°. Das Verfahren ist
damit schneller ausführbar. Selbstverständlich ist der Erfolg des erfindungsgemäßen
Verfahrens nicht an die Form des erzeugten Laserfleckes gebunden. Diese kann z. B.
auch rechteckig oder rund sein, angepasst an die Form der zu bearbeitenden
Teilfläche.
Claims (9)
1. Verfahren zur Bearbeitung einer auf einen Trägerwerkstoff aufgetragenen
Trennmittelschicht, dadurch gekennzeichnet,
dass die Trennmittelschicht mit der Strahlungsenergie eines TEA-CO2-Lasers
beaufschlagt wird, wodurch die Trennmittelschicht wenigstens teilweise über
die Zersetzungstemperatur des Trennmittels erwärmt wird und das Trennmittel
somit seine Trenneigenschaften verliert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass der Trägerwerkstoff Glas ist in Form einer Scheibe (3) und der TEA-CO2-
Laser auf der Scheibe (3) einen Laserfleck erzeugt, der durch die Verschiebung
der Scheibe (3) zum Laser auf der Scheibe (3) eine Spur (1.1) erzeugt, die sich
aus einer Vielzahl von durch den Laserfleck beaufschlagten Flächenelementen
(6) zusammensetzt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass der Trägerwerkstoff eine auf eine Scheibe (3) aufgetragene dunkle
Glaspulverschicht ist und der TEA-CO2-Laser auf der Glaspulverschicht einen
Laserfleck erzeugt, der durch die Verschiebung der Scheibe (3) zum Laser auf
der Glaspulverschicht eine Spur (1.2) erzeugt, die sich aus einer Vielzahl von
durch den Laserfleck beaufschlagten Flächenelementen (6) zusammensetzt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass der Trägerwerkstoff Gummi ist, der auf einer Scheibe (3) haftet und der
TEA-CO2-Laser auf dem Gummi einen Laserfleck erzeugt, der durch die
Verschiebung der Scheibe (3) zum Laser auf dem Gummi eine Spur (1.3)
erzeugt, die sich aus einer Vielzahl von durch den Laserfleck beaufschlagten
Flächenelementen (6) zusammensetzt.
5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
dass der Energieeintrag durch die Laserstrahlung über die Spur (1.1) so
gewählt wird, dass im Trägerwerkstoff keine irreversiblen Veränderungen
eintreten.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet,
dass der Energieeintrag durch die Laserstrahlung über die Spuren (1.2; 1.3) so
gewählt wird, dass im Trägerwerkstoff irreversible sichtbare Veränderungen
eintreten.
7. Verfahren nach den Ansprüchen 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet,
dass der Energieeintrag über die Ansteuerung der Laserleistung bestimmt wird.
8. Verfahren nach den Ansprüchen 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet,
dass der Energieeintrag durch die Überlappung b der Flächenelemente (6) mit
einer Kantenlänge a bestimmt wird, die durch die Frequenz des Lasers und die
Geschwindigkeit vorgegeben wird, mit der der Trägerwerkstoff gegenüber
dem Laser in einer Spurrichtung (5) verschoben wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
dass der Laserfleck quadratisch ist und eine nahezu homogene
Energieverteilung in beiden Achsen besitzt.
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