DE102006039658A1 - Vorrichtung zur Verbindung von Gegenständen durch thermoplastische Umformung - Google Patents

Vorrichtung zur Verbindung von Gegenständen durch thermoplastische Umformung Download PDF

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DE102006039658A1
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Abstract

Bei einer Vorrichtung gemäß der Erfindung zur Verbindung von Gegenständen durch thermoplastische Verformung mittels Heißstempelnieten werden erwärmte thermoplastische Nietdome umgeformt. Die Vorrichtung umfasst einen als Konturstück ausgebildeten Stempel (2), der am Ende eines für den Nietvorgang in die Arbeitsposition axial verfahrbaren Rohrs (6) vorgesehen ist, eine Heizeinrichtung (8) zum Erwärmen des Stempels und eine Kühleinrichtung (62, 42, 28) zum Abkühlen des Stempels. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine Heizeinheit (8) mit einer zentralen Durchführung (82) für das axial verfahrbare Rohr (6), einer Aufnahme (90) für den Stempel (20) in der Ruheposition am stempelseitigen Ende und einer Heizeinrichtung (88) für die Stempelaufnahme vorgesehen.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verbindung von Gegenständen durch thermoplastische Verformung mittels Heißstempelnieten, bei dem erwärmte thermoplastische Bearbeitungsstellen, insbesondere thermoplastische Nietdome wie Kunststoffnieten und dergleichen, umgeformt werden.
  • Zum Verbinden von Bauteilen werden häufig Fügeverfahren auf der Basis einer thermoplastischen Verformung angewendet. Die Bauteile werden lokal so stark erwärmt, dass sie miteinander verschmelzen. Zum Beispiel zur Zusammensetzung von Verkleidungsmodulen etwa bei Kraftfahrzeugtüren werden Kunststoffnieten, -zapfen oder dergleichen (im folgenden als Nietdom bezeichnet) zur Fixierung bzw. Verfügung eingesetzt, die nach dem Ansetzen von Komponenten thermisch umgeformt werden, wodurch eine feste Verbindung zwischen den Bauteilen erzielt wird.
  • Derartige Kunststoffnieten bzw. Nietdome sind zum Beispiel aus Polypropylen, Polyamid 6, ABS oder POM. Zur Erwärmung werden heiße Stempel, Heißluft, Ultraschallaggregate (Sonotroden), IR-Licht, Laserlicht eingesetzt.
  • In der DE 197 00 518 C2 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Verformen von thermoplastischem Material zum Verbinden zweier Bauteile unter Einsatz von Strahlungsquellen im Hochleistungsbereich wie Diodenlasern oder diodengepumpten Fest körperlasern beschrieben. Insbesondere soll bei Anwendung dieses Verfahrens die Druckbeaufschlagung auf die Fügestelle sehr dosiert erfolgen und ein möglichst lokaler Energieeintrag stattfinden. Die Energiekosten und der Justieraufwand bei diesem Verfahren sind relativ hoch.
  • Beim Heißluftnieten, wie es beispielsweise in der EP 0 965 400 A2 beschrieben ist, werden sehr haltbare, feste Verbindungen erzeugt. Jedoch sind die Energiekosten hoch und das Werkstück wird durch Wärme belastet. Es kann beim Anbau von Teilen wie Armlehen, etc. an Türinnenverkleidungen zu Abzeichnungen im Dekorbereich kommen.
  • Vielfach wird Ultraschweißen angewendet, um Fügeteile zu verbinden, beispielsweise Punktschweißen zum Verbinden von Flächenprodukten, Vlies- und Gewebebahnen. Bei dem Nieten, bei dem wie z.B. in der EP 1 190 804 B1 beschrieben mittels einer Sonotrode vorgewählte Bereiche der Werkstücke lokal aufgeschweißt werden, wird die Sonotrode mit einer gewölbten Auflagefläche auf den Nietdom gedrückt, um eine optisch ansprechend Schweißverbindung zu erhalten. Diese Methode ist kostspielig und in bezug auf die benutzten Ultraschallfrequenzen und weitere Verfahrensparameter verhältnismäßig anfällig.
  • Eine vergleichsweise einfache und robuste Methode ist das Heißstempelnieten, bei dem der Nietdom durch einen angelegten heißen Stempel erwärmt, plastifiziert und umgeformt wird. Die Stempel werden üblicherweise von außen gekühlt, wodurch das Problem unzureichender Kühlung nach dem Umformen des Nietdoms entsteht. Beim Abheben des Stempels bleibt dann Kunststoff an diesem hängen und es bilden sich so Rückstände an der Stempelkontur.
  • Bei einer Heißstempelnietvorrichtung gemäß DE 10 2004 057 453 B3 sitzt der Stempel 1 an einem nach vorne, d.h. in Richtung Nietdom 33, beweglichen Rohr 2. Ein teleskopisch mit dem Rohr gekoppeltes Rohr 4 trägt das mit dem Stempel in Eingriff bringbare Heizelement 3. Die Wärme wird von dem nachgeführten Heizelement 3 über den Stempel 1 auf den Nietdom 33 übertragen. Während der Kühlphase ist das Heizelement 3 durch Anheben des Rohrs 4 von dem Stempel 1 getrennt und erwärmt diesen nicht mehr weiter. Bei einer Ausführungsvariante wird durch einen Anschluss 18 an dem von dem Stempel 1 entfernten Ende Kühlluft durch das Rohr 2 bis zu oberhalb des Stempels 1 vorgesehenen Kühlschlitzen 2b geleitet und strömt durch diese aus. Die Kühlluft wird auf den gebildeten Nietkopf sowie zumindest teilweise auf den Stempel 1 gelenkt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Heißstempelnietvorrichtung zu schaffen, bei der die Beheizung und Kühlung des Stempels effizient ausführbar sind.
  • Diese Aufgabe ist durch die Erfindung bei einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Eine Vorrichtung zur Flächenverbindung ist im Anspruch 10 angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Bei einer Vorrichtung gemäß der Erfindung zur Verbindung von Gegenständen durch thermoplastische Verformung mittels Heißstempelnieten werden somit erwärmte thermoplastische Nietdome umgeformt. Die Vorrichtung umfasst einen als Konturstück ausgebildeten Stempel, der am Ende eines für den Nietvorgang in die Arbeitsposition axial verfahrbaren Rohrs vorgesehen ist, eine Heizeinrichtung zum Erwärmen des Stempels und eine Kühleinrichtung zum Abkühlen des Stempels. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine Heizeinheit mit einer zentralen Durchführung für das axial verfahrbare Rohr, einer Aufnahme für den Stempel in der Ruheposition am stempelseitigen Ende und einer Heizeinrichtung für die Stempelaufnahme vorgesehen.
  • Bei der erfindungsgemäßen Heißnietvorrichtung sind somit die Arbeitsposition am Nietdom und die Ruheposition getrennt derart, daß die Erwärmung des Stempels nur in der Ruheposition vorgesehen ist. Dies ermöglicht es, die Heizeinheit stationär und mit größerer Masse und Heizwirkungsgrad auszulegen als bisher üblich. Der apparative Aufwand für die Beheizung ist zugleich gering, denn diese erfolgt indirekt über Kontaktwärme. Zugleich kann der Stempel leichter und mit kleinerem Volumen gestaltet werden. Für seinen Vorschub wird entsprechend wenig Kraft benötigt. Aufgrund des geringeren Raumbedarfs durch die kleine Stempelgröße bzw. schlankere Bauform des Stempels und das ermöglichte Entfallen einer Kühlung von außen können Anbauten an unzugänglicheren Stellen fixiert werden.
  • Die Beheizung des Stempels bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt, wenn der Stempel nach dem Formvorgang in die Aufnahme an der Heizeinheit zurückgefahren ist und die fertigen Teile entnommen werden. Auf diese Weise wird dieser Zeitraum, in dem kein Formvorgang stattfindet, optimal genutzt.
  • Vorzugsweise ist der Stempel der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Innenkühlung versehen. Hierdurch wird seine Abkühlung für das Entformen rasch durchgeführt und er kann rückstandsfrei vom umgeformten Nietdom abgehoben werden.
  • Zweckmäßig ist die Innenkühlung des Stempels so ausgeführt, daß im Stempel Kühlleitungen schräg nach vorne und außen verlaufen, wodurch sich ein radialer Kühlmittelaustritt an der Oberfläche des Formstempels ergibt. So kann die Kühlung des Konturbereichs des Stempels besonders effizient erfolgen. Als Kühlmedium wird zweckmäßig Luft vorgesehen.
  • Bei einer bevorzugten Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung verläuft ein Sammelkühlkanal durch das axial verfahrbare Rohr und geht in die Kühlleitungen des Stempels über. Dies ist vom baulichen Aufwand sehr einfach.
  • Als Heizeinrichtung sind vorteilhaft elektrisch beheizte Heizpatronen vorgesehen. Dies vereinfacht den Montageaufwand und ermöglicht eine modulare Fertigung. Zugleich ist die zu erwär mende Masse durch die Wahl von Patronen kleiner und es ist je nach Bauform und den weiteren Parametern wie z.B. den verwendeten Werkstoffmaterialien ausreichend, 100 bis 250 W je Stempelbeheizung aufzuwenden.
  • Durch die effiziente Beheizung und Kühlung des Stempels können diese gezielter durchgeführt werden. Entsprechend sind zur besseren Steuerung der Umformungsvorgänge im Stempel Temperatursensoren, insbesondere Thermoelemente, vorgesehen. Es ist so auch eine einfache individuelle Anpassung an die jeweils verwendeten Kunststoffmaterialien ermöglicht, für die die entsprechend erforderlichen Temperaturen in die Regelung eingegeben und mittels der Temperatursensoren nachgefahren werden können.
  • Für die Rückführung des Stempels in die Stempelaufnahme der Heizeinheit sind vorzugsweise Federn vorgesehen. Auf diese Weise erfolgt zwangsweise eine Positionierung in der Ruheposition, in der auch die Beheizung des Stempels erfolgt.
  • Der Vortrieb des Stempels erfolgt zweckmäßig stufenlos. Vorzugsweise ist ein Schrittmotor vorgesehen, der eine feine und rasche Positionseinstellung des Stempels für die verschiedenen Schritte bei dem Verbindungsvorgang ermöglicht.
  • Durch das Vorsehen einer gemeinsamen Einheit, an der die einzelnen Heißstempelnietvorrichtungen mit an die Kontur angepasster Orts- und Längenposition angebracht sind, kann einerseits ein Werkstück als ganzes mit einem Arbeitshub durch die Einheit bearbeitet werden. Andererseits ist jeder Nietkopf individuell einstellbar.
  • Obenstehend wurde die erfindungsgemäße Vorrichtung in der Ausführung als Nietvorrichtung zur Anwendung bei Nietdomen beschrieben. Indessen ist die Erfindung aufgrund der guten Kühlwirkung im Nietstempel auch zur Flächenverbindung anwendbar, d.h. zur flächigen Verschweißung etwa von Schallisoliermate rial aus beispielsweise Polyestervlies mit Polypropylen (PP), ABS, Polyamid (PA) mit einer anderen Lage. Eine für diesen Zweck ausgebildete Vorrichtung umfasst einen flächig ausgebildeten Stempel, der am Ende eines für den Verbindungsvorgang in die Arbeitsposition axial verfahrbaren Rohrs vorgesehen ist, eine Heizeinrichtung zum Erwärmen des Stempels und eine Kühleinrichtung zum Abkühlen des Stempels. Eine Heizeinheit mit einer zentralen Durchführung für das axial verfahrbare Rohr, einer Aufnahme für den Stempel in der Ruheposition am stempelseitigen Ende und einer Heizeinrichtung für die Stempelaufnahme ist vorgesehen und die Arbeitsfläche des Stempels ist plan ausgebildet.
  • Bei einer vorteilhaften Ausführung ist die Arbeitsfläche des Stempels ringförmig. Dies ergibt eine besonders gute Fixierung. Zugleich eignet sich die Ringform des Stempels besonders für eine axiale Drehung des Stempels nach Durchführung des Verschweißens der Lagen. Wenn der Kontaktbereich genügend abgekühlt ist, bewirkt eine Drehung des Stempels um etwa 10° bis 30°, dass die sich der Stempel gut ablöst.
  • Die Erfindung wird im folgenden weiter anhand eines Ausführungsbeispiels und der Zeichnung weiter erläutert, wobei diese Darstellung in den konkret veranschaulichten Merkmalen nicht als einschränkend auszulegen ist. In der Zeichnung zeigen:
  • 1 eine perspektivische Ansicht der gesamten Stempeleinheit mit Stempel, Rohr und Heizeinheit in auseinandergezogener Darstellung,
  • 2 eine Seitenansicht des Stempels mit Schaft,
  • 3 eine Längsschnittansicht des Stempels mit Schaft in vergrößertem Maßstab,
  • 4 eine Vorderansicht ebenfalls in vergrößertem Maßstab,
  • 5 eine perspektivische Ansicht der Heizeinheit,
  • 6 eine Vorderansicht der Heizeinheit und
  • 7 eine Schnittansicht der Heizeinheit längs Linie K-K in 6.
  • 1 zeigt eine perspektivische Ansicht der Stempeleinheit einer Heißstempelnieteinheit gemäß der Erfindung. Diese umfaßt einen Stempel 2 mit einem Schaft 4, der an einem verfahrbaren Rohr 6 angebracht ist. Eine glockenartig ausgeführte Heizeinheit 8 umschließt das verfahrbare Rohr 6.
  • 2 bis 4 stellen den Aufbau des Stempels 2 dar. Der Stempel 2 umfaßt einen Konusteil 20 mit einer konkaven Kontur in der Stirnseite. Der Hohlraum 22 dient zur Aufnahme von aufgeschmolzener Nietdommasse. Eine zentrale Spitze 24 ist vorgesehen, um den Stempel 2 auf dem Nietdom, der in der Regel hohl ist, zu zentrieren. Durch den an den Stempel 2 angeformten Schaft 4 erstreckt sich eine als Sammelkühlkanal dienende zentrale Bohrung 42 bis in den Stempel 2 hinein. Am vorderen Ende verläuft eine z.B. zur Aufnahme eines Thermoelements dienende dünne zentrale Bohrung 26 nach vorne in Richtung der zentralen Spitze 24. Des weiteren zweigen von der zentralen Bohrung 42 radial nach außen und vorne (im gezeigten Ausführungsbeispiel sechs) als Kühlleitung vorgesehene Bohrungen 28 ab, die in einem zylindrischen Umfangsabschnitt 30 des Konusteils 20 nahe der Stirnseite enden.
  • Nicht dargestellt sind Temperatursensoren im Stempel 2, die drahtförmig ausgeführt sind, und die Feststellung der Temperatur dieses Bauteils gestatten.
  • An den Schaft 4 schließt sich das Rohr 6 an, das eine der zentralen Bohrung 42 entsprechende, als Kühlkanal dienende zentrale Bohrung 62 aufweist und an dessen dem Stempel 2 entgegengesetzten Ende ein Kühlluftanschluß sitzt. Das Rohr 6 hat eine der Kontur des zu bearbeitenden Werkstücks angepaßte Länge und ist so an einem Niederhalter angebracht, der weitere Stempeleinheiten trägt, daß sich die Stirnseite des Konusteils 20 in der erforderlichen Höhenposition befindet. Bei Vorschub des Niederhalters nähern sich dann die Konusteilstirnseiten der Stempel 2 jeweils in die passende Position für das Plastifizieren und Umformen des ihnen zugeordneten Nietdoms. Dies ist Stand der Technik und wird daher nicht weiter beschrieben.
  • Die in 5 bis 7 dargestellte Heizeinheit 8, die das verfahrbare Rohr 6 umschließt, ist als zylindrischer Block 80 ausgebildet und weist eine zentrale Durchführung 82 für das verfahrbare Rohr 6 auf. Um die Durchführung 82 herum sind vier kürzere Bohrungen 84 mit Teilinnengewinde und zwei Bohrungen 86 einander diagonal gegenüberliegend angeordnet, wobei sich die Bohrungen 86 fast bis zur Stirnseite des Blocks 80 erstrecken. Die Bohrungen 86 dienen zur Aufnahme von zwei Heizpatronen 88, mit denen der Konusteil 20 erwärmt wird, wenn er sich in der Ruheposition befindet.
  • In der Stirnseite des Blocks 80 eingebracht ist eine Aufnahme 90 für den Konusteil 20. Diese umfaßt eine zylindrische Bohrung 92 mit einem Durchmesser entsprechend dem des zylindrischen Umfangsabschnitts 30 des Konusteils 20. An die zylindrische Bohrung 92 schließt sich axial nach innen ein konisch zulaufender Abschnitt 94 an, dessen Kontur derjenigen des Konusteils 20 entspricht. Auf diese Weise kommt der Konusteil 20 zu einer guten, formschlüssigen Anlage in der Aufnahme 90. Dies ermöglicht eine Erwärmung des Konusteils durch Kontaktwärme, d.h. Wärmeleitung von den Heizpatronen 88 her. Infolge des kurzen Abstandes sind die Wärmeverluste gering und der Wirkungsgrad ist hoch.
  • Durch die Erfassung der Temperatur des Konusteils durch nicht dargestellte Thermoelemente, deren Drähte sich bis zu dem Konusteil 20 erstrecken, kann die für die Erwärmung auf die Arbeitstemperatur des Stempels 2 notwendige Temperatur überprüft werden. Zugleich kann auch die Temperaturregelung der verschiedenen Stempel oder einer Gruppe von gemeinsam betätigten Stempeleinheiten in gemeinsamem Takt kontrolliert werden.
  • Es ist somit ein Arbeitshub über eine gemeinsame Einheit möglich, d.h. die Stempel sind zentral und reproduzierbar verfahrbar, aber die einzelnen Stempeleinheiten können einzeln eingestellt werden. Der Arbeitshub der Stempel kann so auf die lokale Situation jeweils angepaßt werden. Hierdurch sind in einer Anlage mehrere Hubeinrichtungen realisierbar.

Claims (14)

  1. Vorrichtung zur Verbindung von Gegenständen durch thermoplastische Verformung mittels Heißstempelnieten, bei dem erwärmte thermoplastische Nietdome umgeformt werden, umfassend einen als Konturstück ausgebildeten Stempel (2), der am Ende eines für den Nietvorgang in die Arbeitsposition axial verfahrbaren Rohrs vorgesehen ist, eine Heizeinrichtung (8) zum Erwärmen des Stempels und eine Kühleinrichtung (42, 28) zum Abkühlen des Stempels, dadurch gekennzeichnet, dass eine Heizeinheit (8) mit einer zentralen Durchführung (82) für das axial verfahrbare Rohr (6), einer Aufnahme (90) für den Stempel in der Ruheposition am stempelseitigen Ende und einer Heizeinrichtung (88) für die Stempelaufnahme vorgesehen ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stempel (2) mit einer Innenkühlung (42, 28) versehen ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Stempel (2) Kühlleitungen (28) schräg nach vorne und außen verlaufen.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sammelkühlkanal (62) durch das axial verfahrbare Rohr (6) verläuft und in die Kühlleitungen (42) des Stempels (2) übergeht.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlmedium Luft vorgesehen ist.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Heizeinrichtung elektrisch beheizte Heizpatronen (88) vorgesehen sind.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Stempel Temperatursensoren, insbesondere Thermoelemente, vorgesehen sind.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Zugfedern für die Rückführung des Stempels in die Stempelaufnahme der Heizeinheit vorgesehen sind.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass für den Vortrieb des Stempels ein Schrittmotor vorgesehen ist.
  10. Vorrichtung zur Verbindung von Gegenständen, insbesondere flächiger Strukturen, durch thermoplastische Verformung mittels Heißstempelnieten, bei dem erwärmte thermoplastische Bearbeitungsstellen umgeformt werden, umfassend einen flächig ausgebildeten Stempel (2), der am Ende eines für den Verbindungsvorgang in die Arbeitsposition axial verfahrbaren Rohrs vorgesehen ist, eine Heizeinrichtung (8) zum Erwärmen des Stempels und eine Kühleinrichtung (42, 28) zum Abkühlen des Stempels, dadurch gekennzeichnet, dass eine Heizeinheit (8) mit einer zentralen Durchführung (82) für das axial verfahrbare Rohr (6), einer Aufnahme (90) für den Stempel in der Ruheposition am stempelseitigen Ende und einer Heizeinrichtung (88) für die Stempelaufnahme vorgesehen ist und die Arbeitsfläche des Stempels plan ausgebildet ist.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsfläche des Stempels ringförmig ist.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Stempel in der Arbeitsposition axial drehbar ist.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehbereich 10° bis 30° ist.
  14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Stempel zentral verfahrbar sind, wobei der Arbeitshub der Stempel jeweils einzeln einstellbar ist.
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