DE10024695A1 - Verfahren zum Verkleben zweier Werkstücke, insbesondere zum Verkleben eines metallischen Karosserieteils mit einem Kunststoffteil - Google Patents

Verfahren zum Verkleben zweier Werkstücke, insbesondere zum Verkleben eines metallischen Karosserieteils mit einem Kunststoffteil

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DE10024695A1
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Abstract

Die Erfindung betrifft das Verkleben zweier Werkstücke, welche im Fügebereich klaffende Spalte variabler Höhe aufweisen. Hierzu wird eine Klebstoffraupe aus einem Zweikomponenten-Klebstoff verwendet, deren Querschnittsprofil so gestaltet ist, daß die Klebstoffraupe den toleranzbedingten Spalt der beiden Bauteile im gesamten Fügebereich überbrückt. Aufgrund der hohen Viskosität und der kurzen Aushärtezeit des Zweikomponenten-Klebstoffs kann die Klebstoffraupe für große Spalte so gestaltet werden, daß eine dichtende Verklebung der Werkstücke sichergestellt ist. Besonders vorteilhaft ist die Wahl eines dreieckförmigen Klebstoffprofils.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verkleben zweier Werkstücke, insbesondere zum Ver­ kleben eines metallischen Karosserieteils mit einem Anbauteil aus Kunststoff, sowie eine Vor­ richtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Im Fahrzeugrohbau und in der Fahrzeugmontage ist es allgemein bekannt, Klebstoffe zum Ver­ binden von Bauteilen einzusetzen. Klebeverbindungen bieten insbesondere dann große Vorteile, wenn die zu fügenden Bauteile aus Werkstoffen bestehen, die mit Hilfe anderer Fügetechniken, z. B. Schweißen oder Schrauben, nicht oder nur mit sehr hohem Aufwand gefügt werden kön­ nen. Mit Hilfe von Klebeverbindungen können Verbundteile hergestellt werden, die sich durch eine hohe Festigkeit und Steifigkeit auszeichnen. Beispiele solcher geklebter Verbundteile sind z. B. in der DE 35 44 124 C2, der DE 196 18 255 A1 und der DE 197 48 786 A1 beschrieben.
Damit beim Kleben zweier Bauteile eine feste, dichte Verbindung gewährleistet ist, darf der durch den Klebstoff zu überbrückende Spalt im Verbindungsbereich zwischen den Bauteilen ein gewisses Maximalmaß nicht überschreiten; der Spalt muß insbesondere im gesamten Verbin­ dungsbereich geringer sein als die Dicke der Klebstoffraupe. Weisen die zu fügenden Bauteile im Verbindungsbereich - z. B. aufgrund von Fertigungsungenauigkeiten - starke Klaffungen auf, so müssen die Bauteile während des Klebens mit Hilfe von Spannmitteln so gespannt werden, daß die Klaffungen so weit wie möglich reduziert werden. Hierbei kann es allerdings geschehen, daß die Dimensionen des geklebten Verbundteils in ungewünschter Weise geändert werden. Weiterhin entstehen dabei Spannungen, die die Festigkeit des geklebten Verbundteils herabset­ zen können. Um diese Schwierigkeiten zu vermeiden, ist es oft wünschenswert, die klaffenden Bauteile ohne Kraftaufwendung miteinander zu verkleben, wobei die Klebeverbindung an allen Stellen des Verbindungsbereichs den gesamten Spalt dichtend überbrücken und so ein Eindrin­ gen von Feuchtigkeit etc. in den Hohlraum zwischen den zu verbindenden Bauteile verhindern muß.
Eine Klebeverbindung, die ein Überbrücken eines Spalts zwischen den Bauteilen ermöglicht, ist aus der gattungsbildenden DE 28 54 766 bekannt: Hierbei werden beidseitig neben der Kleb­ stoffraupe Streifen aus einem plastisch verformbaren Dichtmittel aufgetragen, die die Kleb­ stoffraupe seitlich begrenzen, einen durchgängigen Klebstoffsteg zwischen den beiden Bauteilen sicherstellen und ein Ausfließen des Klebstoffs verhindern. Ein solcher aus mehreren Bestand­ teilen aufgebaute Klebebereich ist jedoch sehr aufwendig und teuer herzustellen und nur be­ dingt für die Serienfertigung geeignet. Weiterhin führt er bei gekrümmten Klebebahnen, insbe­ sondere in Eckbereichen, zu Schwierigkeiten, da hier im Innen- und Außenbereich der Krüm­ mung unterschiedliche Dichtmittelmengen benötigt werden, die wohldosiert aufgetragen wer­ den müssen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein kostengünstiges und großserienfähiges Verfahren vorzuschlagen, mit Hilfe dessen Bauteile, die im Verbindungsbereich toleranzbedingt große Spalte aufweisen, dichtend verbunden werden können.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 5 gelöst.
Danach wird zum Verkleben der Bauteile eine Klebstoffraupe aus einem Zweikomponenten- Klebstoff verwendet, deren Querschnittsprofil so gestaltet ist, daß die Klebstoffraupe den tole­ ranzbedingten Spalt der beiden Bauteile im gesamten Fügebereich überbrückt. Der Zweikom­ ponenten-Klebstoff hat - im Vergleich zu einem Einkomponenten-Klebstoff - den Vorteil einer höheren Viskosität und einer schnelleren Aushärtung, so daß auch für große Spalte die benötig­ ten Querschnittsprofile reproduzierbar und prozeßsicher aufgebracht werden können. Eine auf eines der Bauteile aufgetragene Klebstoffraupe behält daher ihr ursprüngliches Querschnitts­ profil während des Aushärtungsprozesses fast unverändert bei, fließt also nur wenig aufgrund ihres Eigengewichts. Wird auf die frisch aufgetragene Klebstoffraupe das zweite Bauteil aufge­ setzt, so wird durch die Klebstoffraupe im gesamten Fügebereich - unabhängig von der lokalen Höhe des Spalts - eine dichtende Verbindung zwischen den beiden Bauteilen dar. Aufgrund der schnellen Aushärtegeschwindigkeit des Klebstoffs bleibt diese dichte Verbindung auch während und nach dem Aushärten des Klebstoffs erhalten.
Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet somit eine dichtende Verklebung eines weiten Spek­ trums von Bauteilen, die - z. B. bedingt durch hohe Bauteiltoleranzen - im Fügebereich große Spalte aufweisen. Die Bauteile brauchen dabei nicht in eine bestimmte Lage gezwungen wer­ den, sondern können in einem spannungsfreien Zustand miteinander gefügt werden. Das Ver­ fahren eignet sich somit insbesondere zur Verklebung metallischer Bauteile mit großen, dünn­ wandigen Werkstücken aus Verbundwerkstoff bzw. Kunststoffteilen, welche oft verfahrensbe­ dingt große Toleranzen aufweisen. Die Klebstoffraupe kann schnell und reproduzierbar z. B. mit­ tels eines robotergeführten Klebewerkzeugs aufgetragen werden, wobei auch komplizierte Kle­ bebahnen prozeßsicher realisiert werden können. Die kurze Aushärtezeit des Klebers gestattet eine schnelle Weiterverwendung der geklebten Teile und erleichtert somit eine Großserienan­ wendung des Verfahrens.
Um eine Überbrückung des Spalts zwischen den beiden Werkstücken im gesamten Verbin­ dungsbereich sicherzustellen, muß die Höhe der Klebstoffraupe mindestens so groß sein wie der maximal auftretende Spalt. Andererseits sollte die Querschnittsfläche der Kleberaupe mög­ lichst gering sein, um Bauteilverschmutzungen durch austretenden überschüssigen Kleber zu vermeiden, und um den Klebstoffverbrauch (und somit die Klebstoffkosten) zu minimieren. Die­ se beiden Anforderungen an das Querschnittsprofil der Klebstoffraupe können vorteilhaft durch ein Dreiecksprofil erfüllt werden, dessen Höhe größer als das maximale Spaltmaß gewählt ist. Der Fuß des Dreiecksprofils sollte dabei möglichst schmal sein, um die aufgetragene Klebstoff­ menge zu minimieren, wobei gleichzeitig - in Abhängigkeit des verwendeten Klebstoffs - ein bestimmter Böschungswinkel des Dreiecksprofils nicht unterschritten werden darf, da sonst ein merkliches Zusammensacken der Klebstoffraupe unter ihrem Eigengewicht auftritt (siehe An­ sprüche 2 und 3).
Für den Spezialfall der Verklebung eines Werkstücks aus Stahlblech mit einem Werkstück aus Glasfaser-Verbundwerkstoff wird zweckmäßigerweise ein Polyurethan-Klebstoff verwendet (sie­ he Anspruch 3). Dieser Zweikomponenten-Klebstoff kann einerseits reproduzierbar in Form ei­ ner Dreiecksraupe mit großem Böschungswinkel, die nur wenig unter ihrem Eigengewicht zu­ sammensackt, aufgebracht werden und härtet andererseits schnell aus, so daß die gefügten Werkstücke schnell weiterverbaut werden können.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungs­ beispieles näher erläutert; dabei zeigen:
Fig. 1 einen Ausschnitt zweier zu verklebender Werkstücke in Zusammenbaulage;
Fig. 2 das Auftragen einer Klebstoffraupe auf einen Fügebereich eines Werkstücks.
Fig. 1 zeigt Ausschnitte zweier Werkstücke 1, 2, die in Fügebereichen 3, 4 miteinander verklebt werden sollen. Das eine Werkstück 1 ist ein Karosserieteil 5 aus Stahlblech, während das ande­ re Werkstück 2 ein Glasfaser-Verbundwerkstoff-Teil 6 ist. Der Fügebereich 3, 4 hat die Form ei­ nes Bandes, das sich entlang der zu verklebenden Ränder 7, 8 der beiden Werkstücke 1, 2 er­ streckt. Aufgrund fertigungsbedingter Ungenauigkeiten weisen die beiden Werkstücke 1, 2 Ab­ weichungen von der Idealform auf, welche in Zusammenbaulage in den Randbereichen 7, 8 zum Auftreten von klaffenden Spalten 9 führen. Die lichte Höhe 10 der Spalte 9 variiert - je nach den Toleranzen der Werkstücke 1, 2 - zwischen Null und einer Maximalklaffung 11.
Zum Verkleben der beiden Werkstücke 1, 2 wird zunächst, wie in Fig. 2 gezeigt, eine Kleb­ stoffraupe 12 auf den Fügebereich 3 des ersten Werkstücks 1 aufgetragen. Dann wird das Werkstück 2 so auf das Werkstück 1 aufgelegt, daß die Fügebereiche 3, 4 aufeinander zu liegen kommen und die Werkstücke 1, 2 in diesen Fügebereichen 3, 4 durch den aufgetragenen Kleb­ stoff fest miteinander verbunden werden. Je nach Anwendungsfall werden die Werkstücke 1, 2 während des Aushärtens des Klebstoffs zueinander fixiert und/oder miteinander verspannt.
Der Klebstoffauftrag auf Werkstück 3 erfolgt mit Hilfe einer Klebevorrichtung 13, deren Auf­ tragsdüse 14 - wie in Fig. 2 durch einen Pfeil angedeutet - entlang einer Klebebahn 15 im Fü­ gebereich 3 auf dem Werkstück 1 entlangbewegt wird. Zum Verkleben des Karosserieteils 5 aus Metall mit dem Verbundwerkstoff-Teil 6 wird ein Zweikomponenten-Klebstoff verwendet. Ein solcher Klebstoff hat den Vorteil, daß er sehr schnell aushärtet, so daß die verklebten Werk­ stücke 5, 6 nach einer sehr kurzen Ruhezeit von wenigen Minuten gehandhabt und weiterver­ baut werden können. Ein solches Klebeverfahren eignet sich somit auch für den Großserienein­ satz.
Sollen die beiden Werkstücke 1, 2 dichtend miteinander verklebt werden, so muß der Klebstoff im Fügebereich 3 auf eine solche Weise aufgetragen werden, daß er im gesamten Fügebereich 3, 4 die dort vorliegenden Spalte 9 überbrückt. Die Höhe H0, H1, H2 der Klebstoffraupe 12 muß daher mindestens der Maximalklaffung 11 entsprechen. Andererseits muß das Volumen der Klebstoffraupe 12 und somit die aufgebrachte Klebstoffmenge so gering wie möglich gehalten werden, um in Bereichen mit geringer Spalthöhe zu verhindern, daß überschüssiger Klebstoff aus diesem Bereich herausgequetscht wird und zu einer Verschmierung der umliegenden Berei­ che führt.
Um diesen beiden Anforderungen gerecht zu werden, ist es günstig, die Klebstoffraupe 12 so zu dimensionieren, daß sie ein näherungsweise dreiecksförmiges Profil hat. Zur Erzeugung einer solchen Klebstoffraupe 12 wird eine Auftragsdüse 14 verwendet, die auf der der Vorschubrich­ tung 16 der Klebevorrichtung 13 entgegengesetzten Seite eine näherungsweise dreiecksförmige Austrittsöffnung 17 mit Basislänge B und Höhe H aufweist. Direkt nach dem Auftrag hat die mit­ tels dieser Auftragsdüse 14 frisch aufgetragene Klebstoffraupe 12 ein der Form der Austrittsöff­ nung 17 entsprechendes Dreiecksprofil Δ0 mit Basislänge B0 ≈ B und Höhe H0 ≈ H. Unter der Einwirkung der Schwerkraft findet ein "Absacken" dieser dreieckigen Klebstoffraupe 12 statt, d. h. die Klebstoffraupe 12 verändert ihre Form von einem dreiecksförmigen Profil Δ0 zu einem tropfenartigen Profil Δ1 auf eine solche Art, daß im Bereich der Basis eine Verbreiterung der Klebstoffraupe 12 eintritt, mit der eine Abnahme der Höhe der Klebstoffraupe 12 einhergeht. Nach einer bestimmten Zeitspanne nach dem Klebstoffauftrag weist das Profil Δ1 der Kleb­ stoffraupe 12 daher eine verbreiterte Basis B1 < B0 und eine verringerte Höhe H1 < H0 auf. Nachdem der gesamte Fügebereich mit Klebstoff versehen wurde, hat der zuletzt aufgetragene Teil der Klebstoffraupe 12 ein Profil Δ0 mit Höhe H0 und Basis B0, während der zuallererst aufge­ tragene Teil der Klebstoffraupe 12 bereits zu einem Profil Δ2 der Höhe H2 < H1 < H0 und der Breite B2 < B1 < B0 abgesackt ist. Dieses kontinuierliche Absacken der Klebstoffraupe 12 ist in Fig. 2 in stark überhöhter Weise dargestellt.
Um ein dichtes Verkleben der beiden Werkstücke 1, 2 im Fügebereich 3, 4 sicherzustellen, muß die Höhe H0, H1, H2 der Klebstoffraupe 12 an jeder Stelle im Fügebereich 3 größer sein als die an dieser Stelle zu erwartende Höhe des Spalts 9. Dies ist insbesondere dann sichergestellt, wenn die minimale Höhe H2 der Klebstoffraupe 12 größer ist als die Maximalklaffung 11. Gleichzeitig muß die größte Breite B2 der Klebstoffraupe 12 geringer sein als die Breite 18 des Fügebereichs 3, da der Klebstoff ansonsten aus dem Fügebereich 3, 4 herausfließt und ein Verschmieren der Werkstücke 1, 2 zur Folge hat. Je nach Fließeigenschaften des gewählten Klebstoffs und nach der zu erwartenden Maximalklaffung 11 muß der Fügebereich 3, 4 somit eine Minimalbreite ha­ ben, um die absackende Klebstoffmenge aufnehmen zu können.
Zur Verklebung des metallischen Werkstücks 5 mit dem Glasfaser-Verbundwerkstoff-Teil 6 wird ein Polyurethan-Klebstoff verwendet; dies ist ein Zweikomponenten-Klebstoff, der sich durch ei­ ne hohe Viskosität auszeichnet. Somit findet ein nur geringfügiges Absacken der hochviskosen Klebstoffraupe 12 statt, und die Höhe H0, H1, H2 der Klebstoffraupe 12 nimmt während der Auf­ tragszeit, welche mehrere Minuten dauert, nur um wenige Prozent ab. Bei Verwendung eines solch hochviskosen Klebstoffs kann eine dichte Verbindung der beiden Werkstücke 5, 6, welche eine Maximalklaffung 11 aufweisen, dann erreicht werden, wenn der Klebstoff durch eine Auf­ tragsdüse 14 mit einer näherungsweise dreiecksförmigen Austrittsöffnung 17 aufgebracht wird, deren Höhe H um etwa 10% größer als die Maximalklaffung 11 gewählt ist.
Zum Verkleben eines Karosserieteils 5 aus Stahlblech mit einem Werkstück 6 aus Glasfaser- Verbundwerkstoff, welche im Fügebereich 3, 4 Spalte 9 zwischen 0 und 12 mm aufweisen, wur­ de ein Polyurethan-Zweiphasen-Klebstoff verwendet, welcher über eine Auftragsdüse 14 mit ei­ ner dreiecksförmigen Austrittsöffnung 17 mit einer Höhe H von 13.5 mm und einer Basislänge B von 7 mm aufgetragen wurde. Das Profil Δ0, Δ1 ,Δ2 der Klebstoffraupe 12 sackte während des Trocknens von einer Höhe H0 von 13.5 mm auf eine Höhe H2 von 12.7 mm ab, wobei die Breite von einem Wert B0 = 7 mm auf einen Wert B2 = 8.7 mm zunahm. Die Minimalbreite 18 des Fü­ gebereichs 3, 4 betrug 10 mm. Mit dieser Dimensionierung des Profils der Austrittsöffnung 17 und der Breite 18 des Fügebereiches 3, 4 konnte reproduzierbar eine verschmierungsfreie und dichte umlaufende Klebeverbindung der beiden Werkstücke 5, 6 erreicht werden.
Um bei den zum Einsatz kommenden hochviskosen Klebstoffen, welche unter hohem Druck aufgetragen werden, eine qualitativ hochwertige dreiecksförmige Kleberaupe 12 zu erzeugen, muß die Auftragsdüse 14 sehr hohen Genauigkeitsanforderungen genügen. Hierbei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn sich der vom Klebstoff durchflossene Innenraum 19 der Auftrags­ düse 14 zur Fügefläche 3 hin konisch aufweitet, was in Fig. 2 gestrichelt dargestellt ist. Wei­ terhin sollte die Austrittsöffnung 17 eine hohe Symmetrie aufweisen, und die Ränder 20 der Austrittsöffnung 17 müssen vollkommen entgratet sein. Zusätzlich hat es sich als vorteilhaft her­ ausgestellt, das Profil der Austrittsöffnung 17 im Scheitelbereich mit einer Verrundung 21 zu versehen.
Alternativ zu dem in Fig. 2 gezeigten Auftrag der Klebstoffraupe 12 auf das metallische Werk­ stück 5, das dann mit dem Verbundwerkstück 6 gefügt wird, kann die Klebstoffraupe 12 auch auf das Verbundwerkstück 6 aufgetragen werden. Das Verfahren eignet sich zum Verkleben ei­ nes weiten Spektrums von Werkstücken gleicher und unterschiedlicher Materialien.

Claims (5)

1. Verfahren zum Verkleben zweier Werkstücke, insbesondere zum Verkleben eines metalli­ schen Karosserieteils mit einem Kunststoffteil, zwischen welchen im Verbindungsbereich ein Spalt variabler Höhe gebildet ist, bei welchem Verfahren der zwischen den Werkstücken gebildete Spalt durch eine Kleb­ stoffraupe überbrückt wird, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß der Spalt (9) durch die Klebstoffraupe (12) ohne Verwendung weiterer Hilfssubstan­ zen dicht verschlossen wird,
  • - und daß als Klebstoff ein Zweikomponenten-Klebstoff verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Verkleben der Werkstücke (1, 2, 5, 6) eine Klebstoffraupe (12) mit näherungsweise dreieckigem Querschnittsprofil (Δ0, Δ1, Δ2) verwendet wird, deren Höhe (H0, H1, H2) minde­ stens der Höhe (11) des maximal zu erwartenden Spalts (9) entspricht.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Verkleben zweier Werkstücke (1, 2, 5, 6),
  • - welche im Fügebereich (3, 4) einen Spalt (9) aufweisen, der zwischen Null und einer Maximalklaffung (11) variiert,
  • - wobei die Breite (18) des Fügebereichs (3, 4) größer als eine Minimalbreite ist, welche zwischen 80% und 100% der Maximalklaffung (11) liegt,
eine Klebevorrichtung (13) mit einer näherungsweise dreiecksförmigen seitlichen Aus­ trittsöffnung (17) verwendet wird,
  • - wobei die Höhe (H) der Austrittsöffnung (17) mindestens 110% der Maximalklaffung (11) beträgt
  • - und wobei die Basis (B) der Austrittsöffnung (17) höchstens 80% der Minimalbreite beträgt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Verkleben eines Werkstücks (5) aus Stahlblech mit einem Werkstück (6) aus Glasfaser-Verbundwerkstoff ein Polyurethan-Klebstoff verwendet wird.
5. Klebevorrichtung zum Auftrag eines Zweikomponentenklebstoffs auf eine Fügefläche, welche eine Auftragsdüse umfaßt, durch die der Klebstoff auf die Fügefläche austritt, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß der vom Klebstoff durchflossene Innenraum (19) der Auftragsdüse (14) sich zur Fü­ gefläche (3) hin konisch aufweitet,
  • - und daß die Auftragsdüse (14) eine seitlich angeordnete Austrittsöffnung (17) aufweist, die näherungsweise die Form eines gleichschenkligen Dreiecks hat,
  • - wobei Höhe (H) dieses Dreiecks mindestens der Höhe (11) eines maximal zu erwar­ tenden Spalts (9) zwischen den zu fügenden Werkstücken (1, 2, 5, 6) im Fügebereich (3, 4) entspricht,
  • - die Basis (B) dieses Dreiecks zwischen 40% und 60% der Höhe des Dreiecks beträgt,
  • - und der Scheitelbereich des Dreiecks mit einer Verrundung (21) versehen ist.
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