DE102006018897A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Kleben von Befestigungselementen - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Kleben von Befestigungselementen Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum schnellen Kleben von Hohlbolzen (1), insbesondere zum induktiv gestützten, anfangsfesten Kleben von Befestigungselementen innerhalb einer Taktzeit von wenigen Sekunden. Mit der Erfindung wird ein Verfahren vorgeschlagen, das es ermöglicht, das vollautomatische Kleben von Befestigungselementen in einer Serienfertigung durchzuführen, ohne mit Klebstoff vorbeschichtete Befestigungselemente verwenden zu müssen, was derartige Elemente stark verteuert, die Prozeßsicherheit verringert und nur die Verwendung von wenigen Spezialklebstoffen erlaubt. Die Erfindung vermeidet zudem einen produktionstechnisch unerwünschten offenen Klebstoffauftrag. Die Erfindung beinhaltet eine Vorrichtung, die es erlaubt, daß der Auftrag eines beliebigen Klebstoffs durch Verwendung von Befestigungselementen (1), die einen Klebstoffkanal (8) aufweisen müssen, vollständig innerhalb eines Klebkopfes (6) stattfindet und die Anfangsfestigkeit der Klebung mittls Erwärmung durch eine Induktionsspule (4) innerhalb von Sekunden erzielt wird.

Description

  • Das robotergestützte Widerstandsschweißen ist derzeit das Standardverfahren zum Setzen von Befestigungsbolzen und Massebolzen im Automobilbau. Durch den Einsatz von schwer oder nicht mehr schweißbaren Materialien oder durch das Vorbeschichten von Blechen wird das Schweißen von Bolzen zukünftig an Bedeutung verlieren und sich das Bolzenkleben zu einer echten Alternative entwickeln. Die induktive Beschleunigung des Klebstoffhärtens schafft die nötige Anfangsfestigkeit zum sicheren Positionieren der Bolzen innerhalb der Taktzeit. Dafür geeignete Vorrichtungen und Verfahren sind unter DE 10 2004 012 786 A1 und DE 203 00 624 U1 beschrieben.
  • Aufgrund der produktionstechnischen Randbedingungen im automobilen Rohbau ist der Klebstoffauftrag vor dem Kleben der Bolzen nicht gewünscht oder nicht möglich, so daß nur Bolzen zum Einsatz kommen können, auf die der Klebstoff vorher aufgetragen wurde und als trockene Schicht vorliegt, um die Bolzen in Form von Schüttgut verarbeiten zu können. Da es sich um strukturelles, d. h. kraftübertragendes, Bolzenkleben handelt, muß ein chemisch reagierendes Klebsystem verwendet werden. Die hohe Reaktivität dieser Klebsysteme steht im Widerspruch zur gewünschten langen Lagerzeit der vorbeschichteten Bolzen und erschwert den Vorbeschichtungsprozeß erheblich. Für das Beschichten muß der Klebstoff verflüssigt werden, um die Bolzenoberfläche zu benetzen, darf dabei aber seine Vernetzungsreaktion nicht beginnen, um nicht im Laufe der geforderten Lagerzeit (im Normalfall 6 Monate bei Raumtemperatur) bereits auszuhärten und für das Bolzenkleben unbrauchbar zu werden.
  • Hier setzt die vorliegende Erfindung an. Durch das Verwenden von hohlen Befestigungselementen (1), die mittels einer Fixiereinheit (10) im Klebkopf (6) gehalten werden, wird es möglich, den Klebstoffauftrag innerhalb der Applikationseinheit nach dem Aufsetzen des Befestigungselements auf das Fügeteil (5) auszuführen, so daß der Verwendung von beliebigen viskosen Klebstoffen nichts mehr im Wege steht. Das Verfahren beruht darauf, daß ein viskoser und reaktiver Klebstoff (3) durch eine Aufsetzeinheit (7) in den Hohlkörper gepreßt und durch einen Kanal in dessen Schaft (8) auf das Bauteil injiziert wird und sich am Flansch in einem speziell vorgesehenen Klebraum (9) flächig ausbreitet. Nach vollständiger Füllung des Klebraums mit Klebstoff erfolgt das Vernetzen dieses Klebstoffs bis zur Fixierfestigkeit durch induktive Erwärmung des Bolzenflansches mittels einer integrierten Solenoidspule (4) und der daraus folgenden Kontakterwärmung des an den Bolzenflansch direkt angrenzenden Klebstoffs auf Reaktionstemperatur. Diese Dosier- und Aushärtemethode erlaubt das Verwenden von beliebigen Klebstoffen. Die Klebstoffzuführung findet komplett im Klebkopf (6) und im aufgesetzten Bolzen statt, so daß ein Verschmutzen des Bauteils oder des Werkzeugs durch austretenden Klebstoff nicht möglich ist. Das Mischen von zweikomponentigen Klebstoffen hat vor der Injektion in den Hohlbolzen zu erfolgen. Die Mischmethode (statisch oder dynamisch) ist für das beschriebene Verfahren unerheblich. Durch das Schaffen einer definierten Klebfläche und einer definierten Klebschichtdicke mit Hilfe des Klebraums (2) ist es möglich, die in einer Serienfertigung nötige Reproduzierbarkeit der Klebungen zu erreichen.
  • Für das Kleben von derartigen Befestigungselementen ist es unerheblich, ob der Auftragskopf stationär verwendet wird oder sich auf einem flexiblen Handhabungswerkzeug, wie z. B. einem 6-Achs-Roboter, befindet. Genauso ist es unerheblich, ob das Befestigungselement selbst induktiv erwärmt wird oder ein Hilfsstück, an das der Hohlkörper angrenzt, induktiv erwärmt wird und ihn durch Kontakterwärmung heizt oder der Klebstoff, der mit speziellen Partikeln (z. B. Nanoferriten) gefüllt ist, selbst induktiv erwärmt wird. Genauso ist es unerheblich, daß die zum Schnellkleben benötigte Erwärmungsmethode nicht auf der Induktionstechnik beruht, sondern beispielsweise mittels konduktiver Erwärmung oder irgendeinem andern elektrotechnischen Verfahren durchgeführt wird oder auf Heißluft oder auf Infrarotstrahlung oder auf irgendeinem anderen, prinzipiell einsetzbaren Erwärmungsverfahren basiert.

Claims (43)

  1. Verfahren zum anfangsfesten Kleben von Befestigungselementen mittels induktiver Erwärmung an beliebigen Klebpositionen und in beliebigen Fügerichtungen, dadurch gekennzeichnet, daß der Auftrag eines beliebigen, viskosen Klebstoffs vollständig innerhalb eines Klebkopfes stattfindet und die Anfangsfestigkeit zum positionsgenauen Fixieren des Befestigungselements durch Erwärmung der Klebschicht innerhalb von Sekunden erzielt wird
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem verwendeten Klebstoff um einen einkomponentigen, chemisch reagierenden Klebstoff mit hoher Festigkeit handelt, der auf Reaktionstemperatur erwärmt werden muß, um die gewünschte Anfangsfestigkeit in Sekunden zu erreichen.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem verwendeten Klebstoff um einen zweikomponentigen Klebstoff handelt, dessen Komponenten zum Reagieren gemischt werden müssen, und dessen Vernetzung durch Erwärmung auf Temperaturen im Bereich von 100 °C so stark beschleunigt wird, daß die gewünschte Anfangsfestigkeit in Sekunden erreicht wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem verwendeten Klebstoff um einen Klebstoff handelt, der durch das beschriebene Verfahren zu der zum Fixieren notwendigen Anfangsfestigkeit gebracht wird und seine Endfestigkeit durch zusätzliche selbsttätig auflaufende Reaktionen ohne zusätzliche weitere Erwärmung erreicht.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den Befestigungselementen um Bolzen handelt, die über einen durch den Flansch führenden Klebstoffkanal verfügen und im Klebbereich eine geeignete Geometrie aufweisen (z. B. eingeprägte Noppen, umlaufender Absatz), damit der zur Klebung notwendige Abstand des Befestigungselements zum Fügeteil sicher eingehalten wird und sich somit eine Klebzone mit einer definierten Klebfläche und einer definierten Klebschichtdicke ausbilden kann.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den Befestigungselementen um Bolzen handelt, die die gleiche äußere Schaftgeometrie aufweisen, wie die Bolzen, die derzeit als Schweißbolzen im automobilen Rohbau eingesetzt werden.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Verfahren um ein Bolzenklebverfahren handelt, das es ermöglicht, Bolzen auf stark gewölbte Flächen zukleben, da durch entsprechende Klebstoffdosierung die Klebschichtdicke so eingestellt werden kann, daß die Klebung einen großen geometrischen Toleranzsausgleich ermöglicht.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungselemente aus Werkstoffen bestehen, die induktiv erwärmbar sind. Für das beschriebene Verfahren sind ferromagnetische Werkstoffe besonders gut geeignet.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungselemente selbst nicht induktiv erwärmbar sind, also beispielsweise aus Kunststoffen bestehen, und mittels geeigneten Hilfsstoffen im Bereich des Aufheizflansches dazu gebracht werden können, die zum schnellen Kleben notwendige Temperatur mittels Induktionserwärmung zu erzeugen.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Erwärmung nötige Hilfsstoff eine Metalleinlage im Bolzen ist.
  11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Erwärmung nötige Hilfsstoff aus induktiv erwärmbaren Partikeln besteht.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die erwärmbaren Partikel aus Nanoferriten bestehen.
  13. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Metalleinlage beim Herstellprozeß im Bolzen eingegossen wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für den Fall, daß die Befestigungselemente und das zu beklebende Bauteil selbst nicht induktiv erwärmbar sind, die Klebschicht mit geeigneten Hilfsstoffen ausgestattet wird, um eine induktive Erwärmung der Klebschicht zum beschleunigten Kleben zu ermöglichen.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsstoff aus einer Metalleinlage besteht.
  16. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsstoff aus induktiv erwärmbaren Partikeln, insbesondere Nanoferriten, besteht.
  17. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim induktiven Aufheizen ausschließlich der Flanschbereich des Befestigungselements aufgeheizt wird.
  18. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufheizen des Befestigungselements über eine alternative Erwärmungsmethode und nicht durch Induktionserwärmung erfolgt.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufheizung des zu beklebenden Fügeteils durch konduktive Erwärmung realisiert wird.
  20. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufheizung des zu beklebenden Fügeteils durch Mikrowellenerwärmung realisiert wird.
  21. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufheizung des zu beklebenden Fügeteils durch Heißlufterwärmung realisiert wird.
  22. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufheizung des zu beklebenden Fügeteils durch Infraroterwärmung realisiert wird.
  23. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufheizung des zu beklebenden Fügeteils durch Kontakterwärmung realisiert wird.
  24. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim induktiven Aufheizen der Flanschbereich des Befestigungselements aufgeheizt wird und gleichzeitig das Fügeteil, auf das das Befestigungselement geklebt wird, auch induktiv aufgeheizt wird.
  25. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Klebprozeß des Befestigungselements das zu beklebende Fügeteil an der Klebstelle örtlich aufgeheizt wird, und das Befestigungselement auf das vorgewärmte Bauteil geklebt wird.
  26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufheizung des zu beklebenden Fügeteils durch induktive Erwärmung realisiert wird.
  27. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufheizung des zu beklebenden Fügeteils durch konduktive Erwärmung realisiert wird.
  28. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufheizung des zu beklebenden Fügeteils durch Mikrowellenerwärmung realisiert wird.
  29. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufheizung des zu beklebenden Fügeteils durch Heißlufterwärmung realisiert wird.
  30. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufheizung des zu beklebenden Fügeteils durch Infraroterwärmung realisiert wird.
  31. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufheizung des zu beklebenden Fügeteils durch Kontakterwärmung realisiert wird.
  32. Vorrichtung (6) zum schnellen Kleben von Befestigungselementen (1), die eine Einrichtung zum Fixieren von Befestigungselementen (10), eine weitere Einrichtung (7) zum Injizieren von Klebstoff durch derartige Befestigungselemente aufweist und eine dritte Einrichtung zum beschleunigten Klebstoffaushärten (4).
  33. Vorrichtung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß der Klebstoffauftrag durch ein Injektionsrohr (7) geschieht, das auf dem Befestigungselement so aufgesetzt wird und so geformt sein muß, daß der gesamte Klebstoff (3) ohne Austritt an der Aufsetzstelle in den Hohlkanal (8) des Befestigungselements injiziert wird.
  34. Vorrichtung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung des Klebflansches von der Schaftseite des Befestigungselements aus erfolgt.
  35. Vorrichtung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung des Klebstoffs so schnell geschieht, daß das Befestigungselement innerhalb der geforderten Taktzeit die Fixierfestigkeit aufweist.
  36. Vorrichtung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung des Klebstoffs nur im Klebflansch und nicht im Injektionskanal geschieht.
  37. Vorrichtung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß das Schnellhärten des Klebstoffs durch Induktionserwärmung des Flansches des Befestigungselements geschieht.
  38. Vorrichtung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß das Schnellhärten des Klebstoffs durch Induktionserwärmung eines Hilfselements geschieht, das den Flansch des Befestigungselements durch Kontakterwärmung aufheizt.
  39. Vorrichtung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß das Schnellhärten des Klebstoffs durch Induktionserwärmung des mit induktiv erwärmbaren Partikeln dotierten Befestigungselements geschieht.
  40. Vorrichtung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß das Schnellhärten des Klebstoffs durch Induktionserwärmung des mit induktiv erwärmbaren Partikeln dotierten Klebstoffs geschieht.
  41. Vorrichtung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungselemente Bolzen sind, die über einen Injektionskanal und eine definierte Klebfläche verfügen müssen.
  42. Vorrichtung nach Anspruch 41, dadurch gekennzeichnet, daß die definierte Klebfläche durch einen ringförmigen Absatz am Bolzenteller realisiert wird.
  43. Vorrichtung nach Anspruch 41, dadurch gekennzeichnet, daß die definierte Klebfläche durch im Bolzenteller integrierte Abstandshalter realisiert wird.
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