DE102005047511A1 - Verfahren zum Verbinden zweier Kunststoffteile - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbindung zweier Kunststoffteile mittels eines Laserstrahls, wobei beide Kunststoffteile aus Kunststoff hergestellt sind.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden zweier Kunststoffteile mittels eines Laserstrahls, sowie ein Kunststoffwerkstück, insbesondere einen Schlüssel für ein Kraftfahrzeug.
  • Verfahren zum Verschweißen von Kunststoffteilen mittels Laser sind hinlänglich bekannt.
  • So ist aus DE 200 23 490 U1 eine Vorrichtung zum Schweißen von Kunststoff bekannt. Hierbei wird mittels eines Lasers eine Verbindung zwischen einer ersten Fügefläche eines Bauteils und einer zweiten Fügefläche eines zweiten Bauteils hergestellt, wobei die Fügeflächen des ersten und zweiten Bauteils Querschnitte begrenzen und an einem Fügefeld aus aneinanderschließenden Feldabschnitten diese mittels eines Lasers verbunden werden. Die Verbindung der Fügeflächen erfolgt dadurch, dass der Laserstrahl an der Grenzflächen beider Fügeflächen entlang geführt wird.
  • Aus EP 0 773 164 A1 ist ein Verfahren zum Siegeln einer Verpackungsmaterialfolie bekannt. Hierbei sind zwei Typen von speziellen Abschnitten in die Folie integriert, welche mittels eines Lasers erhitzt werden und dadurch miteinander verschmelzen.
  • Aus DE 199 19 191 A1 ist ein weiteres Verfahren zur Verbindung zweier Flächen, insbesondere von thermoplastischem Kunststoff bekannt. Im sogenannten Durchstrahl-Schweißverfahren wird die verdeckte Fläche durch die abdeckende Fläche hindurch mit einem Laserstrahl im Durchlauf mehrfach abgescannt und dadurch schrittweise erwärmt. Diese Vorerwärmung wird wiederholt, bis die Schmelztemperatur erreicht ist. Im Bereich der verdeckten Fläche entsteht dadurch gleichzeitig über die gesamte Nahtlänge eine Schmelze, welche die abdeckende Fläche benetzt und durch Wärmeleitung ebenfalls in Schmelze überführt. Mit Beginn der Materialerweichung werden die Flächen gegeneinander bis zum Anschlag bewegt. Dadurch verschweißen beide Flächen im Prinzip so, als wären sie über die gesamte Nahtlänge simultan plastifiziert worden, was Dichtheit und Festigkeit der Naht wesentlich erhöht.
    •
  • Nachteilig an diesen genannten Verfahren ist, dass jeweils ein spezieller Kunststoff in grösserer Menge verwendet werden muss, der die Laserstrahlen absolviert und in Wärme umwandelt und somit kein durchgehender transmissiver Werkstoff verwendet werden kann. Dies hat zur Folge, dass bei der Konstruktion und der Herstellung der zu verbindenden Kunststoffe auf einen transmissiven und nicht transmissiven Werkstoff bei der Materialwahl und somit bei der möglichen Gestaltung eines Kunststoffteiles geachtet werden muss.
  • Diese Aufgabe wird anhand der Merkmale des Patentanspruchs 1 und 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich anhand der abhängigen Ansprüche, der weiteren Beschreibung und der beigefügten Figuren.
  • Beim Verbinden von zwei Bauteilen, insbesondere Bauteilen aus thermoplastischem Kunststoff, vorzugsweise von zwei Kunststoffhalbschalen, sind normalerweise die vorgegebenen Materialeigenschaften der Fügeflächen der Bauteile und insbesondere die Materialeigenschaft des gesamten Bauteil bezüglich der Berücksichtigung einer späteren Lasertransparenz und Laserabsorption zur späteren Verbindung der Bauteile stark eingeschränkt.
  • Um dieses zu umgehen, werden daher zwei Bauteile, bestehend aus unterschiedlichen Kunststoffmaterialien, vorzugsweise thermoplastischem Kunststoff, wobei die zwei Teile, welche zusammengefügt werden sollen, aus unterschiedlichen oder gleichen oder identischen Kunststoffen bestehen, aber ein Bauteil lasertransparente Eigenschaft aufweist, zusammengefügt. In einem Fügebereich, d. h. demjenigen Bereich, in welchem die zwei Bauteile untrennbar miteinander verbunden werden sollen, ist ein weiteres Element, welches zumindest teilweise flächendeckend über die Verbindungsfläche oder zumindest in einem Bereich die Oberflächen beider Bauteile berührend, aufgebracht ist, vorhanden, welches laserabsorbierend oder lasertransparent ausgestaltet ist.
  • Ein Laserstrahl durchdringt das lasertransparente Bauteile. Trifft der Laserstrahl aber auf das Element, welches zwischen den Bauteilen angeordnet ist und welches laserabsorbierend in seiner Materialeigenschaft ist, so wird der Laser von diesem Element absorbiert und die Laserleistung wird in Wärme umgesetzt. Durch den Laser wird das Element erhitzt und schmilzt auf und durch diese Schmelze wird der Kunststoff des lasertransparenten Bauteils ebenfalls aufgeschmolzen. Das Element ist mit dem anderen Bauelement, welches laserabsorbierend ist, bereits im Vorfeld untrennbar verbunden und vorzugsweise in 2K-Spritzgusstechnik hergestellt. Es besteht auch die Möglichkeit das Element vor dem zusammenfügen der Bauteile zwischen diese einzufügen. Um weitere Effekte zu erzielen, insbesondere optische Effekte, ist das Material in der 2k-Spritzgusstechnik nicht nur vorzugsweise an der Fügefläche vorhanden, sondern auch an weiteren Stellen den des/der Bauteil/e. Ist das Material von einer anderen Farbgebung als das Bauteil, so können beispielsweise reliefartige Strukturen hergestellt werden.
  • Durch den Einsatz des Lasers kommt es dann zu einer untrennbaren Verbindung zwischen den Bauteilen.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das Material mit dem lasertransparenten Bauteil in 2K-Spritzgusstechnik hergestellt. Der Laserstahl erwärmt dann die Grenzfläche zwischen dem Material und dem laserabsorbierenden Kunststoff und die beiden Bauteile werden auf diese Weise untrennbar miteinander verbunden.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden, um die oben genannte Problematik zu umgehen, zwei Bauteile, bestehend aus ein und demselben Kunststoffmaterial, vorzugsweise thermoplastischem Kunststoff, wobei die zwei Teile, welche zusammengefügt werden sollen, aus gleichem lasertransparenten Kunststoff bestehen, zusammengefügt. In einem Fügebereich, d. h. demjenigen Bereich, in welchem die zwei Bauteile untrennbar miteinander verbunden werden sollen, ist ein weiteres Element, welches flächendeckend über die Verbindungsfläche aufgebracht ist, vorhanden, welches laserabsorbierend ausgestaltet ist.
  • Ein Laserstrahl durchdringt die Bauteile, da diese lasertransparent ausgestaltet sind. Trifft der Laserstrahl aber auf das Element, welches zwischen den Bauteilen angeordnet ist und welches laserabsorbierend in seiner Materialeigenschaft ist, so wird der Laser von diesem Element absorbiert und die Laserleitung wird in Wärme umgesetzt. Durch den Laser wird das Element erhitzt und schmilzt selbst auf und durch diese Schmelze wird der Kunststoff der Bauteile ebenfalls aufgeschmolzen. Hierdurch kommt es dann zu einer untrennbaren Verbindung zwischen den Bauteilen.
  • Besonders vorteilhaft bei dieser Erfindung ist, dass bei der Fertigung und dem Schweißvorgang mittel Laser nicht darauf geachtet werden muss, dass das Werkstück, bestehend aus den beiden Bauteilen und dem Element, richtig orientiert zum Laser verbracht wird. Es muss auch nicht richtig orientiert liegend zum Laser transportiert werden, da es eben gerade nicht darauf ankommt, dass der Laser "von der richtigen Seite" das Werkstück bestrahlt. Da beide Bauteile lasertransparent sind, ist es egal von welcher Seite der Laser in das Werkstück eindringt. In soweit ist fertigungstechnisch eine Vereinfachung gegeben, indem der Laserstrahl nur an derjenigen Stelle absorbiert wird, an der das Element angeordnet ist, welches den Laserstrahl absorbiert.
  • Als weiterhin besonders vorteilhaft hat sich in soweit erwiesen, einen Laservorhang zu verwenden, durch welchen dann das Werkstück mit den beiden Bauteilen geführt wird. In soweit erfolgt dann nur eine Erwärmung derjenigen Zonen, welche mit dem Element befüllt oder an denen das Element angeordnet ist.
    •
  • Im Weiteren wird die Erfindung anhand von konkreten Ausführungsbeispielen näher beschrieben, insbesondere anhand eines Schlüssels für ein Kraftfahrzeug.
  • Es zeigt 1, 2 und 3 jeweils einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Schlüssel für ein Kraftfahrzeug.
  • Zunächst wird konkret der Einsatz von lasertransparentem Kunststoff für beide Kunststoffhalbschalen K1 und K2 beschrieben.
  • 1 zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Schlüssel für ein Kraftfahrzeug, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist. Der Schlüssel besteht aus zwei Kunststoffhalbschalen K1 und K2, welche an mindestens einer Fügestelle F bzw. einem Fügebereich F miteinander formschlüssig und dicht, vorzugsweise luft- und/oder wasserdicht, verbunden werden sollen. Die zwei Kunststoffhalbschalen K1 und K2 sind aus gleichartigem Kunststoff hergestellt. In soweit ist hierbei nicht darauf zu achten, dass Farbe und sonstige Eigenschaften der Kunststoffe entsprechend gewählt werden müssen, damit diese zusammen passen. Dieses Problem stellt sich nicht, da die Kunststoffhalbschalen K1 und K2 aus gleichartigem Kunststoff bestehen. Wesentlich für die Erfindung ist, dass der zur Herstellung der Kunststoffhalbschalen K1 und K2 verwendete Kunststoff lasertransparent ist, d.h. der Laser L dringt durch den Kunststoff der Kunststoffhalbschalen K1 und K2 hindurch.
  • Im Fügebereich F ist ein Stoff S, vorzugsweise ein thermoplastischer Kunststoff, angeordnet. Dieser Stoff S ist in seiner Materialeigenschaft laserabsorbierend ausgestaltet. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist in den Stoff S ein hoher Anteil von Ruß integriert und der Stoff S ist ein Thermoplast, was dazu führt, dass der Laserstrahl L von dem Stoff S absorbiert wird und die Laserstrahlen L den Stoff S erwärmen. Daher schmilzt der Stoff S auf, durch die Wärmeeinwirkung des Lasers L wird auch Wärmeübertragung in die Kunststoffhalbschalen K1 und K2 erzeugt, so dass der Kunststoff dieser beiden Kunststoffhalbschalen K1 und K2 in den Kontaktflächen zum Stoff S und den angrenzenden Flächen ebenfalls schmilzt. Hierdurch verschweißen die zwei Kunststoffhalbschalen K1 und K2 miteinander.
  • Es ist gemäß 1 vorgesehen, dass der Stoff S an eine der Kunststoffhalbschalen K1 oder K2, nämlich der Kunststoffhalbschale K1 in einem so genannten 2K-Spritzgußverfahren angefügt ist. Der Fügebereich F liegt damit in der Fläche zwischen der Kunststoffkalbschale K2 und dem Stoff S. In 2 ist vorgesehen, dass der Stoff S an eine der Kunststoffhalbschalen K1 oder K2, nämlich der Kunststoffhalbschale K2 in einem so genannten 2K-Spritzgußverfahren angefügt ist. Der Fügebereich F liegt damit in der Fläche zwischen der Kunststoffkalbschale K1 und dem Stoff S.
  • In soweit erfolgt dann in vorteilhafter Weise nur eine Aufschmelzung des Kunststoffes einer der Kunststoffhalbschalen K1 oder K2. Die Aufschmelzung des Kunststoffes der Kunststoffhalbschalen K1 oder K2 erfolgt dann nur in der Übergangsfläche zwischen der jeweiligen Kunststoffhalbschale K1 oder K2 und der berührenden Fläche des Stoffes S.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Stoff S formflächig über die Oberfläche zumindest einer der Kunststoffhalbschalen K1 oder K2 angeordnet. Der Laser L dringt somit durch den Kunststoff der Kunststoffhalbschale K1 ein und erwärmt den Stoff S an der absorbierenden Stelle und über diesen ggf. auch den Kunststoff der Kunststoffhalbschale k2. Dadurch wird der Kunststoff aufgeschmolzen, zugleich wird durch die Wärmeübertragung auch der Kunststoff des Materials aus der Halbschale K1 aufgeschmolzen und es ergibt sich eine formfeste Verbindung, natürlich erst nach dem Erkalten.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Stoff S kein thermoplastischer Kunststoff, sondern ein sonstiges nichtschmelzender aber laserabsorbierender Stoff S ist. Dieser Stoff S erwärmt sich durch den Laser L und dringt somit in beide Kunststoffe der Kunststoffhalbschalen K1 und K2 ein, sobald diese auf deren Schmelzpunkt erwärmt sind, jedoch nur an den Stellen, an welchen diese mit dem Stoff S in Verbindung stehen, d. h. die thermoplastischen Kunststoffe der Kunststoffhalbschalen K1 und K2 werden an den Fügestellen F zum Schmelzen gebracht und verbinden sich über den Stoff S kraft- und formschlüssig beim späteren Abkühlen.
  • Nunmehr wird konkret der Einsatz von lasertransparentem Kunststoff für die Kunststoffhalbschalen K1 und lasertransparentem Stoff S und laserabsorbierendem Kunststoff für die Kunststoffhalbschale K2 beschrieben.
  • 3 zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Schlüssel für ein Kraftfahrzeug, der mit dem Verfahren hergestellt wird. Der Schlüssel besteht aus zwei Kunststoffhalbschalen K1 und K2, welche an mindestens einer Fügestelle F bzw. einem Fügebereich F miteinander formschlüssig und dicht verbunden werden sollen. Die Kunststoffhalbschale K1 ist aus lasertransparentem Kunststoff und die Kunststoffhalbschale K2 ist aus laserabsorbierendem Kunststoff hergestellt. In soweit ist dann darauf zu achten, dass der optische Eindruck der Kunststoffhalbschalen K1 und K2 für einen Betrachter gleichfarbig erscheint. Es müssen die Eigenschaften der eingesetzten Kunststoffe entsprechend gewählt werden, damit diese farblich zusammen passen.
  • Im Fügebereich F ist ein Stoff S, vorzugsweise ein thermoplastischer Kunststoff, angeordnet. Dieser Stoff S ist in seiner Materialeigenschaft lasertransparent ausgestaltet. Die Kunststoffhalbschale K1 und der Stoff S sind im 2K-Spritzgussverfahren hergestellt und miteinander fest verbunden. Es muss daher nur noch eine Verbindung zwischen dem Stoff S und der Kunststoffhalbschale K2 erfolgen. Beim Einsatz eines Lasers S auf den Fügebereich F wird der Kunststoff in der Kunststoffhalbschale K2 im Fügebereich F erwärmt. Daher schmilzt der Kunststoff der Kunststoffhalbschale K2 auf, durch die Wärmeeinwirkung des Lasers L wird auch Wärmeübertragung in den Stoff S erzeugt, so dass dieser ebenfalls aufschmilzt und sich mit dem Kunststoff der Kunststoffhalbschale K2 in den Kontaktflächen verbindet. Hierdurch werden die zwei Kunststoffhalbschalen K1 und K2 über den Stoff S miteinander verbunden.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass es sich bei dem Stoff S um einen Kleber handelt. Dieser Kleber wird durch die Einwirkung des Laserstrahles L aktiviert und verklebt somit die zwei Kunststoffhalbschalen K1 und K2 miteinander.
  • Nunmehr wird konkret der Einsatz von lasertransparentem Kunststoff für die Kunststoffhalbschalen K1 und laserabsorbierendem Stoff S und laserabsorbierendem Kunststoff für die Kunststoffhalbschale K2 beschrieben.
  • 4 zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Schlüssel für ein Kraftfahrzeug, der mit dem Verfahren hergestellt wird. Der Schlüssel besteht aus zwei Kunststoffhalbschalen K1 und K2, welche an mindestens einer Fügestelle F bzw. einem Fügebereich F miteinander formschlüssig und dicht verbunden werden sollen. Die Kunststoffhalbschale K1 ist aus lasertransparentem Kunststoff und die Kunststoffhalbschale K2 ist aus laserabsorbierendem Kunststoff hergestellt. In soweit ist dann darauf zu achten, dass der optische Eindruck der Kunststoffhalbschalen K1 und K2 für einen Betrachter gleichfarbig erscheint. Es müssen die Eigenschaften der eingesetzten Kunststoffe entsprechend gewählt werden, damit diese farblich zusammen passen.
  • Im Fügebereich F ist ein Stoff S, vorzugsweise ein thermoplastischer Kunststoff, angeordnet. Dieser Stoff S ist in seiner Materialeigenschaft laserabsorbierend ausgestaltet. Die Kunststoffhalbschale K2 und der Stoff S sind im 2K-Spritzgussverfahren hergestellt und miteinander fest verbunden. Es muss daher nur noch eine Verbindung zwischen dem Stoff S und der Kunststoffhalbschale K1 erfolgen. Beim Einsatz eines Lasers S auf den Fügebereich F wird der Stoff S im Fügebereich F erwärmt. Daher schmilzt der Stoff S auf, durch die Wärmeeinwirkung des Lasers L wird auch Wärmeübertragung in den Kunststoff der Kunststoffhalbschale K1 erzeugt, so dass dieser ebenfalls aufschmilzt und sich mit dem Stoff S in den Kontaktflächen verbindet. Hierdurch werden die zwei Kunststoffhalbschalen K1 und K2 über den Stoff S miteinander verbunden.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass es sich bei dem Stoff S um einen Kleber handelt. Dieser Kleber wird durch die Einwirkung des Laserstrahles L aktiviert und verklebt somit die zwei Kunststoffhalbschalen K1 und K2 miteinander.

Claims (10)

  1. Verfahren zur Verbindung zweier Kunststoffteile (K1, K2) mittels eines Laserstrahls (L), wobei die beiden Kunststoffteile (K1, K2) aus Kunststoff hergestellt sind, der transmissive Eigenschaft für den Laserstrahl (L) aufweist und an einer Grenzfläche (F) zwischen den Kunststoffteilen (K1, K2) ein weiterer Stoff (S) eingebracht ist, welcher laserabsorbierend ausgestaltet ist und bei Einwirkung des Laserstrahls (L) auf den Stoff (S) dieser sich erwärmt und aufschmilzt und durch die Temperatureinwirkung des Laserstrahls (S) in den Stoff (S) die beiden Kunststoffteile (K1, K2) in der angrenzenden Schicht zum Stoff (S) ebenfalls aufschmelzen und somit beide Kunststoffteile (K1, K2) jeweils mit dem Stoff (S) und/oder mit dem Stoff (S) und miteinander verbunden werden oder der Stoff (S) sich derartig erwärmt, dass an seiner Grenzfläche die beiden Kunststoffe der Kunststoffteile (K1, K2) aufschmelzen und diese miteinander eine untrennbare Verbindung eingehen.
  2. Verfahren zur Verbindung zweier Kunststoffteile (K1, K2) mittels eines Laserstrahls (L), wobei beide Kunststoffteile (K1, K2) aus farblich gleichem Kunststoff hergestellt sind, der Kunststoff des ersten Kunststoffteils (K1) transmissive Eigenschaft für den Laserstrahl (L) aufweist und an einer Grenzfläche (F) zwischen den Kunststoffteilen (K1, K2) ein weiterer Stoff (S) eingeordnet ist, welcher laserabsorbierend ausgestaltet ist und bei Einwirkung des Laserstrahls (L) das erste Kunststoffteil (K1) durchdringend, den Stoff (S) erwärmt und aufschmilzt und durch die Temperatureinwirkung auf den Stoff (S) der Kunststoff des ersten Kunststoffteils (K1) in der angrenzenden Schicht Stoff (S) aufschmilzt und somit die erste Kunststoffhalbschale (K1) mit dem Stoff (S) verbindet, indem in der Grenzfläche zwischen dem ersten Kunststoffteil (K1) und dem Stoff (S) ein Aufschmelzen des Kunststoffes erfolgt und somit eine untrennbare Verbindung erfolgt und das zweite Kunststoffteil (K2) mit dem Stoff (S) mittels eines 2K-Spritzgußverfahren hergestellt und verbunden ist.
  3. Verfahren zur Verbindung zweier Kunststoffteile (K1, K2) mittels eines Laserstrahls (L), wobei beide Kunststoffteile (K1, K2) aus farblich gleichem Kunststoff hergestellt sind, der Kunststoff des ersten Kunststoffteils (K1) transmissive Eigenschaft für einen Laserstrahl (L) aufweist und an einer Grenzfläche (F) zwischen den Kunststoffteilen (K1, K2) ein weiterer Stoff (S) eingebracht ist, welcher ebenfalls lasertransparent ausgestaltet ist und bei Einwirkung des Laserstrahls (L) den Kunststoff der ersten Kunststoffhalbschale (K1) den Stoff (S) durchdringend den Kunststoff des zweiten Kunststoffteils (K2) in der angrenzenden Schicht durch die Einwirkung des Lasers (L) aufschmilzt und somit das zweite Kunststoffteil (K2) mit dem Stoff (S) verbindet, indem in der Grenzfläche zwischen dem zweiten Kunststoffteil (K2) und dem Stoff (S) ein Aufschmelzen des Kunststoffes erfolgt und somit eine untrennbare Verbindung erfolgt und das erste Kunststoffteil (K1) mit dem Stoff (S) durch ein 2K-Spritzgußverfahren hergestellt und verbunden ist.
  4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stoff (S) ein thermoplastischer Kunststoff ist.
  5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stoff (S) farblich unterschiedlich ist zur Farbe der Kunststoffteile (K1, K2).
  6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Kunststoffteil (K1) oder das zweite Kunststoffteil (K2) mit dem mit dem Stoff (S) verbunden ist und im 2K-Spitzgußverfahrens hergestellt ist.
  7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffteile (K1, K2) Kunststoffhalbschalen sind.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffhalbschalen (K1, K2) zur Ausformung eines Schlüssels für ein Kraftfahrzeug dienen.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beide Kunststoffteile (K1, K2) aus dem gleichartigem oder gleichem oder identischem Kunststoff hergestellt sind.
  10. Schlüssel für ein Kraftfahrzeug bestehend aus zwei miteinander verschweißten Kunststoffhalbschalen (K1, K2) hergestellt nach den Verfahrensmerkmalen der Ansprüche 1 bis 9.
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