DE10027073C1 - Kunstoffgehäuse mit einem verschließenden Deckel aus mit Glaskugeln gefülltem Kunststoff - Google Patents

Kunstoffgehäuse mit einem verschließenden Deckel aus mit Glaskugeln gefülltem Kunststoff

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DE10027073C1
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Abstract

Die Erfindung betrifft Kunststoffgehäuse aus einem Laserlicht absorbierenden Grundkörper und einem diesen Grundkörper verschließenden Deckel aus einem gefüllten Polybutylenterephthalat (PBT). Bei dem Deckel sind in eine Kunststoffmatrix aus PBT Glaskugeln eingelagert. Die Glaskugeln sind aus einem Kalk-Soda-Glas der Zusammensetzung 72,5% SiO2, 13,7% Na2O, 9,8% CaO, 3,3% MgO, 0,4% Al2O3, 0,2% FeO/Fe2O3, 0,1% K2O und weisen einen mittleren Kugeldurchmesser im Bereich von 50 Mikrometer bis 150 Mikrometer auf. Die Glaskugeln sind bevorzugt mit einem Silan als Haftvermittler zwischen Kugelglas und Kunststoffmatrix beschichtet. Der Gewichtsanteil der Glaskugeln am gefüllten PBT beträgt zwischen 10% und 40% des Gesamtgewichts des gefüllten PBT.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kunststoffgehäuse mit einem verschließenden Deckel aus mit Glaskugeln gefülltem Kunststoff, das im Laser-Durchstrahlverfahren geschweißt werden kann.
Aus der EP 0751 865 B1 ist es bekannt mittels Laserschweißen Gehäuseteile aus Kunststoff zu einem Gehäuse zu verschweissen. Hier wird ein erstes transparentes Werkstück und ein zweites absorbierendes Werkstück mit einer Fügezone zu einem Werkstück verbunden. Die beiden Werkstückteile enthalten jeweils Additive, insbesondere Farbstoffpigmente, mit deren Hilfe die beiden Werkstückteile derart eingestellt werden, daß das erste Werkstückteil für das Emmissionsspektrum des Laserschweißgerätes wenigstens teilweise transparent ist und das zweite Werkstück die durch das erste Werkstück transmittierten Laserstrahlen des Laser­ schweißgerätes absorbiert.
Als Zusätze für das erste transparente Werstück sind Additive, Glasfasern oder ähnliches an­ geführt. Die Kunststoffmatrix besteht allgemein aus thermoplastischen Kunststoffen. Als speziell geeignete Kunststoffe sind Styrol-Acrylnitril-Copolymerisat oder Polyamid ange­ führt.
Auch sind bereits Polyesterfolien bekannt, die mit Glaskugeln gefüllt sind. Die Glaskugeln selbst sind unter dem Markennamen SPHERIGLASS von der Firma Potters Industries erhält­ lich. Die Glaskugeln werden eingesetzt um Polyester Folien hochgradig transparent zu ma­ chen. Eine derartige mit Glaskugeln gefüllte Polyesterfolie ist z. B. in der EP 0634 452 A2 offenbart. Die Dicke dieser Folien liegt typischerweise im Bereich von 10 Mikrometer bis 100 Mikrometer. Eine Schweißbarkeit der Folie ist jedoch aus der EP 0634 452 A2 nicht zu entnehmen. Ebensowenig können solche Folien als konstruktive Bestandteile eines Gehäuses eingesetzt werden.
Bei einem Schweißverfahren entsprechend der EP 0751865 B1 ist die Güte der Schweißnaht in der Fügezone zwischen dem ersten und dem zweiten Werkstück sehr stark von den Trans­ missionseigenschaften des ersten zu durchstrahlenden Werkstückes abhängig. Besondere Probleme beim Kunststoffschweißen mittels Laserstrahlen macht das auf Grund seiner me­ chanischen Festigkeitseigenschaften an sich für Kunststoffgehäuse sehr gut geeignete teilkri­ stalline, thermoplastische Polybutylenterephthalat (PBT). Die Teilkristallinität macht dieses Material schon bei relativ geringen Wandstärken für Durchstrahlschweißverfahren ungeeig­ net.
Erfindungsgemäße Aufgabe ist es daher ein Kunststoffgehäuse aus Polybutylenterephthalat (PBT) anzugeben, das für Laserdurchstrahlschweißverfahren bei gängigen Wandstärken trotz der Teilkristallinität des PBT besonders geeignet ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch die Merkmale des unabhängigen An­ spruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des Gegenstandes nach Anspruch 1 sind in den Unteransprüchen enthalten.
Die Lösung gelingt mit einem Kunststoffgehäuse aus einem Laserlicht absorbierenden Grundkörper und einem diesen Grundkörper verschließenden Deckel aus einem gefüllten Polybutylenterephthalat (PBT). Bei dem Deckel sind in eine Kunststoffmatrix Glaskugeln eingelagert. Die Glaskugeln sind aus einem Kalk-Soda-Glas der Zusammensetzung 72,5% SiO2, 13,7% Na2O, 9,8% CaO, 3,3% MgO, 0,4% Al2O3, 0,2% FeO/Fe2O3, 0,1% K2O und weisen einen mittleren Kugeldurchmesser im Bereich von 50 Mikrometer bis 150 Mikrome­ ter auf. Die Glaskugeln sind bevorzugt mit einem Silan als Haftvermittler zwischen Kugel­ glas und Kunststoffmatrix beschichtet. Der Gewichtsanteil der Glaskugeln am gefüllten Poly­ esther beträgt zwischen 10% und 40% des Gesamtgewichts des gefüllten Polyesthers.
Mit der Erfindung werden hauptsächlich die folgenden Vorteile erzielt:
Bei der Verstärkung der bisher beim Laserschweißen verwendeten Kunststoffteilen mit übli­ chen Partikeln wie Glasfasern oder mineralischen Partikeln wird die Laserstrahlung stark gestreut. Das Durchstrahlschweissen ist dann bei Werkstücken mit großen Durchstrahllängen problematisch bis unmöglich. Verwendet man hingegen Glaskugeln anstelle von Glasfasern zur Materialverstärkung, wird das Laserlicht weniger gestreut. Auch die Verluste an Trans­ mission durch die vielen Phasenübergänge bei der Verwendung von Glasfasern werden redu­ ziert. Durch die Verwendung von Glaskugeln ist eine Erhöhung der Laserlichttransmission auf Transmissionsanteile von etwa 45%-50% der eingestrahlten Intensität möglich. Bei ei­ nem ungefüllten oder mit Glasfasern gefüllten, ansonsten aber gleichen Werkstück sind höch­ stens Transmissionanteile von 30% der eingestrahlten Laserlichtintensität zu erzielen. Die Größe des Zuwachses an Transmissionsvermögen ist überrraschend hoch.
Durch die vorteilhafte Verwendung einer zusätzlichen Silan-Beschichtung der Glaskugeln nach Anspruch gelingt der Zuwachs an Transmissionsvermögen ohne nennenswerte Einbußen der Festig­ keitseigenschaften für das Kunststoffgehäuse.
Die Anwendbarkeit des Laserschweißens bei der Herstellung von Kunststoffgehäusen wird durch mit Glaskugeln gefüllte Kunststoffe in Richtung höhere Wandstärken der Kunststoff­ gehäuse und größere Auswahlmöglichkeiten bei der Wahl der Kunststoffe erweitert.
Bevorzugte Anwendungen des erfindungsgemäßen Kunststoffgehäuses liegen in Gehäusen für Fahrzeugelektronik. An die Dichtigkeit der Elektronikgehäuse in Fahrzeugen müssen oft hohe Anforderungen gestellt werden. So werden z. B. bei ABS-Gehäuses oder bei Steuerge­ räten für Airbags oftmals Garantien bis zu 25 Jahren verlangt, in denen die einwandfreie Funktion der Elektronik gegeben sein muß. Dies gelingt in der Regel nur, wenn die Gehäuse insbesondere gegen Feuchtigkeit hermetisch verschlossen werden können. Das Laserstrahl­ schweißen von Gehäusen und dafür besonders geeignete Kunststoffgehäuse gewinnen daher immer mehr an Bedeutung, zumal wegen der kurzen Prozeßzeiten zusätzlich auch ein wirt­ schaftlicher Vorteil entsteht.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Fig. 1 bzw. Fig. 2 näher erläutert.
Fig. 1 zeigt schematisch ein Kunststoffgehäuse 1 in dreidimensionaler Teilschnittdarstellung. Das an sich allseitig geschlossene Gehäuse ist an der Vorderseite zur besseren Erläuterung der Erfindung aufgeschnitten.
Auf einen Kunststoffgrundkörper 2 ist ein verschließender Deckel 3 angepaßt. In dem ge­ zeigten Ausführungsbeispiel ist der Deckel 3 in eine an der Oberseite des Grundkörpers 2 um­ laufende Fuge eingepaßt. Der Grundkörper 2 besteht zumindest im Bereich 4 der Fuge aus ei­ nem gefüllten Kunststoff. Als Füllung für den Grundkörper 2 kommen insbesondere Farbpig­ mente oder Ruß in Betracht, die in der Lage sind, das üblicherweise von Laserschweißgeräten emmittierte Laserlicht möglichst gut zu absorbieren. Typischerweise emmittieren die Laser­ schweißgeräte Licht der Wellenlänge im Bereich von 1000 Nanometer.
Der verschließende Deckel 3 ist aus einem Polybutylenterephthalat (PBT) gebildet, bei dem in eine Kunststoffmatrix aus PBT Glaskugeln 9 eingelagert sind. Die Glaskugeln 9 sind aus einem Kalk-Soda-Glas der Zusammensetzung 72,5% SiO2, 13,7% Na2O, 9,8% CaO, 3,3% MgO, 0,4% Al2O3, 0,2% FeO/Fe2O3, 0,1% K2O und weisen einen mittleren Kugel­ durchmesser im Bereich von 50 Mikrometer bis 150 Mikrometer auf. Die Glaskugeln 9 sind bevorzugt mit einer Silan-Beschichtung 10 als Haftvermittler zwischen Kugelglas und Kunst­ stoffmatrix versehen. Der Gewichtsanteil der Glaskugeln 9 beträgt zwischen 10% und 40% des Gesamtgewichts des gefüllten PBT. Hierdurch wird der Deckel 3 für Laserlicht transpa­ rent, so daß Deckel 3 und Grundkörper 2 mit an sich bekannten Lasern 5 verschweißt werden können. Der Deckel 3 kann zusätzlich mit Farbpigmenten eingefärbt sein. Allerdings sind hier im Deckel 3 Farbpigmente zu verwenden, die im Bereich der Lichtwellenlänge der Laser­ schweißgeräte nicht absorbieren.
Bekannte Laserschweißgeräte oder Laserschweißverfahren haben in der Regel allseitig be­ wegliche Laserschweißköpfe, was in Fig. 1 durch Richtungspfeile 6 angedeutet ist. Hierdurch sind selbst komplizierteste Geometrien an Laserschweißnähten möglich, so daß auch in ihren Konturen aufwendig geformte Deckel 3 mit einem passenden Gehäusegrundkörper 2 ver­ schweißt werden können.
Das Kunststoffgehäuse 1 wird im sogenannten an sich bekannten Durchstrahlschweißverfah­ ren verschweißt. Durch den für den Laserstrahl 7 weitgehend transparenten Deckel 3 wird der Laserstrahl 7 zunächst hindurchgeleitet. Durch die Füllung des Kunststoffdeckels 3 mit Glasku­ geln 9 wird hierbei der Laserstrahl 7 im Deckel 3 kaum gestreut, so daß er als konzentrierter Strahl den Deckel 3 durchdringt und auf den darunterliegenden Grundkörper 2 trifft, in des­ sen Oberflächenbereich 4 die Strahlenergie absorbiert wird. Die durch die Absorption er­ zeugte lokale Erhitzung in der Fügezone zwischen Deckel 3 und Grundkörper 2 schmilzt die Materialien in den Oberflächenbereichen 4 der Fügezone teilweise auf und läßt eine Schweißnaht 8 entstehen. Da die Schweißnaht 8 umlaufend gestaltet werden kann, gelingt ein hermetisches Verschließen des Gehäuses 1.
In einer weniger günstigen Ausführung hat der verschließende Deckel 3 aus PBT eine Dicke h von 1,5 Millimeter und eine Transmission von 35% bis 40% der einfallenden Laserlichtin­ tensität der Wellenlänge im Bereich von 1000 Nanometer.
Bevorzugterweise hat der verschließende Deckel 3 aus PBT eine Dicke h von einem Milli­ meter und eine Transmission von 40% bis 45% der einfallenden Laserlichtintensität der Wellenlänge im Bereich von 1000 Nanometer.
Ganz besonders bevorzugt hat der verschließende Deckel 3 aus PBT eine Dicke h von 0,8 Millimeter und eine Transmission von 45% bis 50% der einfallenden Laserlichtintensität der Wellenlänge im Bereich von 1000 Nanometer.
Fig. 2 zeigt nochmals einen Auschnitt des Deckels 3 im Schnitt. In nicht maßstabsgetreuer Weise ist die Silan-Beschichtung 10 der Glaskugeln 9 dargestellt. Die Silan-Beschichtung 10 ermöglicht die Einbettung der Glaskugeln 9 in die Kunststoffmatrix des Deckels 3, ohne daß der Deckel 3 mechanischer Stabilität oder Festigkeit verliert.

Claims (5)

1. Kunststoffgehäuse (1) geeignet für Laserdurchstrahlschweißen mit einem verschließen­ den Deckel (3) aus mit Glaskugeln (9) gefülltem Polybutylenterephthalat (PBT) und ei­ nem Grundkörper (2), der zumindest im Bereich (4) einer konstruktiv vorgesehenen Schweißnaht (8) aus einem mit Laserlicht absorbierenden Farbpigmenten oder Ruß ge­ füllten Kunststoff gebildet ist, wobei in dem Deckel (3) in eine Kunststoffmatrix aus PBT Glaskugeln (9) aus Kalk-Soda-Glas der Zusammensetzung 72,5% SiO2, 13,7% Na2O, 9,8% CaO, 3,3% MgO, 0,4% Al2O3, 0,2% FeO/Fe2O3, 0,1% K2O eingelagert sind, die Glaskugeln (9) einen mittleren Durch­ messer im Bereich von 50 Mikrometer bis 150 Mikrometer haben und der Gewichtsanteil der Glaskugeln (9) 10%-40% des Gesamtgewichts des Deckels (3) beträgt.
2. Kunststoffgehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Glaskugeln (9) mit einer Silan-Beschichtung (10) versehen sind.
3. Kunststoffgehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der verschließende Deckel (3) eine Dicke (h) von 1,5 Millimeter und eine Transmission von 35% bis 40% der einfallenden Laserlichtintensität der Wellenlänge im Bereich von 1000 Nanometer hat.
4. Kunststoffgehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der verschließende Deckel (3) eine Dicke (h) von einem Millimeter und eine Transmission von 40% bis 45% der einfallenden Laserlichtintensität der Wellenlänge im Bereich von 1000 Nanometer hat.
5. Kunststoffgehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der verschließende Deckel (3) eine Dicke (h) von 0,8 Millimeter und eine Transmission von 45% bis 50% der einfallenden Laserlichtintensität der Wellenlänge im Bereich von 1000 Nanometer hat.
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