DE102009018151A1 - Verfahren zum Fügen eines Metallkörpers mit einem Kunststoffkörper - Google Patents
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Abstract
Offenbart ist ein Verfahren zum Verbinden eines Metallkörpers 4 mit einem Kunststoffkörper 6 in Überlappung, wobei durch Führen eines Schweißstiftes 18 über den Metallkörper 4 der Kunststoffkörper 6 bereichsweise plastifiziert wird und sich unter Adhäsionswirkung mit dem Metallkörper 4 verbindet.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden eines Metallkörpers mit einem Kunststoffkörper.
- Ein Verfahren zum Verbinden eines Metallkörpers mit einem Kunststoffkörper ist in der
DE 10 2007 028 789 A1 gezeigt. Bei diesem Verfahren wird der Metallkörper durch den Kunststoffkörper hindurch mittels Laserstrahlung erhitzt und unter Druckbeaufschlagung in den Kunststoffkörper eingepresst. Der Kunststoffkörper kann in dem Bereich, in den der Metallkörper eingepresst wird, einen Hohlraum zur Aufnahme des Metallkörpers aufweisen. - Kritisch an diesem Verfahren ist die Steuerung und Regelung der Laserstrahlung. Insbesondere ist dieses Verfahren nicht bei flächigen Körpern anwendbar, sondern gemäß der Offenbarung zum Beispiel beim Fügen von Brillengläsern mit einem Gestell und beim Fügen von metallischen Gewinden in Kunststoffbauteilen anwendbar.
- Aus der
DE 10 2005 037 134 A1 ist ein Verfahren zum Verbinden von zwei flächigen Bauteilen bekannt. Bei diesem rührreibbasierten Schweißverfahren wird ein oberer niedrigschmelzender Körper in Überlappung mit einem unteren hochschmelzenden Körper angeordnet. In dem unteren Körper ist im Bereich der Überlappung eine Vielzahl von seitlichen Durchbrüchen ausgebildet. Anschließend wird ein rotierender Schweißstift mit einer planen Stirnfläche über den oberen Körper im Bereich der Überlappung geführt, was zu einer bereichsweisen Plastifizierung des oberen Körpers fuhrt. Die Plastifizierung bewirkt, dass geschmolzenes Material des oberen Körpers in die Durchbrüche des unteren Werkstücks eindringt und somit eine formschlüssige Verbindung zwischen beiden Körpern entsteht. - Gemäß der Druckschrift sollen eine Vielzahl von Materialien fügbar sein, so auch thermoplastische Kunststoffe. Jedoch beziehen sich die in der Offenbarung angegebenen Materialkombinationen ausschließlich auf das Fügen unterschiedlicher Metalle wie zum Beispiel das Verbinden eines Stahlblechs mit einem Aluminiumblech.
- Die deutsche Patentanmeldung
DE 10 2007 046 478 A1 der Anmelderin zeigt ein Verfahren zum Verbinden von großflächigen Hybridbauteilen wie Sandwichkörper, die jeweils eine Vielzahl von Kunststoff- und Metallschichten aufweisen. Zum Verbinden benachbarter Sandwichkörper sind an deren Stoßseiten Metallkanten eingeschäftet, die anschließend mittels Rührreibschweißen verbunden werden. Das Einschäften der Metallkanten ist jedoch verhältnismäßig aufwendig. - Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Verbinden eines Metallkörpers mit einem Kunststoffkörper zu schaffen, das die vorgenannten Nachteile beseitigt und eine sichere Verbindung zwischen den Körpern herstellt.
- Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
- Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Verbinden eines Metallkörpers mit einem Kunststoffkörper sieht vor, die beiden Körper in Überlappung anzuordnen. Anschließend wird ein rotierender und kraftbeaufschlagter Schweißstift über den Metallkörper im Bereich der Überlappung derart geführt, dass Kunststoffmaterial im Bereich der Überlappung plastifiziert wird und der Kunststoffkörper mittels Adhäsion an einer Kontaktfläche des Metallkörpers haftet.
- Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht in der technisch einfachen und schnellen Realisierbarkeit dieser sicheren Verbindung. Das Verfahren ist nicht auf ein bestimmtes Metallmaterial begrenzt, sondern es ist/sind eine Vielzahl von Metallen wie zum Beispiel Aluminium, Titan und Magnesium sowie entsprechende Metalllegierungen möglich. Aufgrund des geringen Wärmeeintrags in den Metallkörper ist eine Gefügeumwandlung nicht zu befüchten. Ebenso können in dem Kunststoffkörper Verstärkungsfasern eingeschlossen sein, ohne dass durch diese der Schweißprozess erschwert bzw. behindert werden würde.
- Die Haltbarkeit der Verbindung lässt sich erhöhen, wenn die Kontaktfläche des Metallkörpers aufgeraut wird.
- Weiterhin lässt sich die Haltbarkeit erhöhen, wenn in die Kontaktfläche des Metallkörpers zumindest eine Hinterschneidung eingebracht wird, in die plastifiziertes Kunststoffmaterial eindringt, so dass zusätzlich ein Formschluss zwischen dem Metallkörper und dem Kunststoffkörper gebildet wird.
- Die Hinterschneidung wird vorzugsweise über die gesamte Länge der Überlappung in die Kontaktfläche eingebracht. Dies hat den Vorteil, dass das Material gleichmäßig in die Hinterschneidung eindringen kann.
- Zur Erzielung einer hohen Formstabilität des Kunststoffkörpers kann der Kunststoffkörper mit einer zu plastifizierenden Materialanhäufung versehen sein, die ein Volumen hat, das vorzugsweise einem Volumen der Hinterschneidung entspricht.
- Zur Erzielung stets optimaler Verbindungseigenschaften zwischen dem Metallkörper und dem Kunststoffkörper können Verfahrensparameter wie Vorschub, Drehzahl, Anpressdruck und Durchmesser des Schweißstiftes in Abhängigkeit von einer Materialstärke des Metallkörpers im Bereich der Überlappung eingestellt werden.
- Beispielsweise kann bei wachsender Materialstärke die Drehzahl des Schweißstiftes erhöht, sein Vorschub verlangsamt und/oder sein wirksamer Durchmesser vergrößert werden. Beispielhafte Verfahrensparameter sind eine Anpresskraft von 5000 N, eine Drehzahl von 1500 U/min sowie ein Vorschub von 30 mm/min.
- Sonstige vorteilhafte Ausführungsbeispiele sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
- Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand schematischer Darstellungen näher erläutert. Es zeigen
-
1 eine Seitenansicht eines Metallkörpers und eines Kunststoffkörpers in Überlappung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, -
2 das Ausführungsbeispiel aus1 in Draufsicht, -
3 eine Seitenansicht eines Kunststoffkörpers gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und -
4 eine perspektivische Darstellung einer Verbindung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung. - Die
1 und2 zeigen verschiedene Ansichten einer Anordnung2 zum erfindungsgemäßen Verbinden eines flächigen Metallkörpers4 mit einem flächigen Kunststoffkörper6 . Die Körper4 ,6 sind mit Endabschnitten in Überlappung angeordnet, wobei sich der Metallkörper4 mit einer Kontaktfläche8 auf einer ihm zugewandten ebenen Verbindungsfläche10 des Kunststoffkörpers6 abstützt. Der Metallkörper4 kann aus einem beliebigen Material bestehen, beispielsweise aus einer Titan-, Aluminium- oder Magnesiumlegierung. Der Kunststoffkörper6 ist vorzugsweise ein Thermoplast. - Zur Bildung eines Formschlusses zwischen den beiden Körpern
4 ,6 ist in den Metallkörper4 eine schwalbenschwanzartige Hinterschneidung12 eingebracht, die sich in Längsrichtung der Überlappung erstreckt und über einen trichterförmigen Mündungsbereich14 zur Kontaktfläche8 geöffnet ist. - An einer zu der Kontaktfläche
8 entgegengesetzten Oberfläche16 des Metallkörpers4 greift ein Schweißstift18 mit einer planen Stirnfläche20 an. Die Stirnfläche20 ist kreisförmig und hat einen wirksamen Durchmesser d. Der Schweißstift18 wird mit einer senkrecht zur Oberfläche16 verlaufenden Anpresskraft22 beaufschlagt und mit einer bestimmten Drehzahl24 und mit einem bestimmten Vorschub26 (s.2 ) in Längsrichtung der Überlappung im Bereich der Hinterschneidung12 über den Metallkörper4 geführt wird. - Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren wird durch die Anpresskraft
22 in Kombination mit der Drehzahl24 des Schweißstiftes18 lokal Wärme in den Metallkörper4 eingebracht. Gleichzeitig wird der Schweißstift18 mit einem konstanten Vorschub26 in Längsrichtung der Überlappung bewegt. Der Metallkörper4 erwärmt sich im Bereich des Schweißstiftes18 und gibt einen Teil der Wärme an den Kunststoffkörper6 ab. Der Kunststoffkörper6 wird im Bereich des Schweißstiftes18 aufgeschmolzen und beginnt nach seiner Abkühlung an der Kontaktfläche8 des Metallkörpers4 aufgrund von Adhäsion zu haften. Zur Verbesserung der Adhähionswirkung kann die Kontaktfläche8 aufgeraut sein. Zusätzlich dringt, wie durch Pfeil28 angedeutet, plastifiziertes Kunststoffmaterial in die Hinterschneidung12 ein, so dass nach Abkühlung des plastifizierten Kunststoffmaterials ebenfalls ein Formschluss zwischen den beiden Körpern4 ,6 gebildet ist. - Verfahrensparameter wie Anpresskraft
22 , Drehzahl24 und Vorschub26 richten sich nach den Metall- und Kunststoffeigenschaften der Körper4 ,6 , dem wirksamen Durchmesser d des Schweißstiftes18 sowie insbesondere nach einer Materialstärke s des Metallkörpers4 im Bereich der Überlappung. Parameterbeispiele bei einem Metallkörper4 der Aluminiumlegierung 6056 T78 mit einer Materialstärke s von 4 mm und bei einem wirksamen Durchmesser d von 13 mm sind eine An Presskraft22 von 5000 N, eine Drehzahl24 von 1500 U/min und ein Vorschub26 von 30 mm/min. Je dicker der Metallkörper4 ist, desto mehr Energie zur Erwärmung des Kunststoffkörpers6 ist notwendig. Die hierfür notwendige Energie kann beispielsweise durch eine Anhebung der Drehzahl24 , einen größeren wirksamen Durchmesser d der Stirnfläche20 des Schweißstiftes18 oder durch einen verringerten Vorschub26 eingestellt werden. -
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Kunststoffkörpers6 , der im Bereich seiner Verbindungsfläche10 mit einer Materialanhäufung30 versehen ist. Die Materialanhäufung30 besteht aus dem gleichen Material wie der Kunststoffkörper6 und ist einstückig an diesem ausgebildet. Sie erstreckt sich in Längsrichtung einer herzustellenden Überlappung und hat eine wulst- bzw. sockelartige Gestalt. Sie wird beim erfindungsgemäßen Verbinden plastifiziert und dringt in die Hinterschneidung12 ein. Die Materialanhäufung stellt zusätzliches Kunststoffmaterial zur Verfügung, wodurch einer Verformung des Kunststoffkörpers6 beim Verschweißen entgegengewirkt wird. Zur Erzielung eines optimalen Formschlusses zwischen den Körpern4 ,6 und zur Erreichung einer hohen Formstabilität des Kunststoffkörpers6 entspricht ein Volumen der Materialanhäufung30 einem Volumen der Hinterschneidung12 einschließlich des Mündungsbereichs14 . Wenn, wie beispielsweise in4 gezeigt, die Hinterschneidung12 unmittelbar in die Kontaktfläche8 mündet, entfällt das Volumen des Mündungsbereichs14 . -
4 zeigt eine erfindungsgemäße Verbindung32 eines Metallkörpers4 und eines Kunststoffkörpers6 in Überlappung, bei der in dem Metallkörper4 zwei parallele schwalbenschwanzartige Hinterschneidungen12 ,34 eingebracht sind. - Die Hinterschneidungen
12 ,34 erstrecken sich in Längsrichtung der Überlappung und sind über einen Steg36 voneinander getrennt. Sie münden unmittelbar in die Kontaktfläche8 und sind mit plastifiziertem Kunststoffmaterial38 ,40 des Kunststoffkörpers6 befüllt. Zum bereichsweisen Plastifizieren des Kunststoffkörpers6 wird ein nicht gezeigter, vorbeschriebener Schweißstift18 im Bereich des Stegs36 über eine Oberfläche16 des Metallkörpers4 geführt. Aufgrund der hohen Anpresskraft des Schweißstiftes18 bildet sich in der Oberfläche16 des Metallkörpers4 ein Graben42 aus, der sich in Vorschubrichtung des Schweißstiftes18 erstreckt und dessen Breite b im Wesentlichen dem wirksamen Durchmesser d des Schweißstiftes18 entspricht. Der Graben42 wird vorzugsweise durch ein Abtragen seiner angrenzenden Metallkörperflächen oder durch Auftragschweißen eingeebnet. - Offenbart ist Verfahren zum Verbinden eines Metallkörpers
4 mit einem Kunststoffkörper6 in Überlappung, wobei durch Führen eines Schweißstiftes18 über den Metallkörper4 der Kunststoffkörper6 bereichsweise plastifiziert wird und sich unter Adhäsionswirkung mit dem Metallkörper4 verbindet. -
- 2
- Anordnung
- 4
- Metallkörper
- 6
- Kunststoffkörper
- 8
- Kontaktfläche
- 10
- Verbindungsfläche
- 12
- Hinterschneidung
- 14
- Mündungsbereich
- 16
- Oberfläche
- 18
- Schweißstift
- 20
- Stirnfläche
- 22
- Anpresskraft
- 24
- Drehzahl
- 26
- Vorschub
- 28
- Pfeil
- 30
- Materialanhäufung
- 32
- Verbindung
- 34
- Hinterschneidung
- 36
- Steg
- 38
- Kunststoffmaterial
- 40
- Kunststoffmaterial
- 42
- Graben
- d
- wirksamer Durchmesser
- s
- Materialstärke
- b
- Breite
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 102007028789 A1 [0002]
- - DE 102005037134 A1 [0004]
- - DE 102007046478 A1 [0006]
Claims (11)
- Verfahren zum Verbinden eines Metallkörpers (
4 ) mit einem Kunststoffkörper (6 ), mit den Schritten: – Anordnen des Metallkörpers (4 ) in Überlappung mit dem Kunststoffkörper (6 ) und – Führen eines rotierenden Schweißstifts (18 ) mit einer Anpresskraft (22 ) derart über den Metallkörper (4 ), dass Kunststoffmaterial (38 ,40 ) im Bereich der Überlappung plastifiziert wird und der Kunststoffkörper (6 ) mittels Adhäsion an einer Kontaktfläche (8 ) des Metallkörpers (4 ) haftet. - Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Kontaktfläche (
8 ) des Metallkörpers (4 ) aufgeraut wird. - Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei in die Kontaktfläche (
8 ) zumindest eine Hinterschneidung (12 ,34 ) eingebracht wird, in die das plastifizierte Kunststoffmaterial (38 ,40 ) des Kunststoffkörpers (6 ) eindringt. - Verfahren nach Anspruch 3, wobei sich die zumindest eine Hinterschneidung (
12 ,34 ) in Längsrichtung der Überlappung durch den Metallkörper (4 ) erstreckt. - Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei auf dem Kunststoffkörper (
6 ) im Bereich der Überlappung zumindest eine zu plastifizierende Materialanhäufung (30 ) vorgesehen wird. - Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Materialanhäufung (
30 ) und die Hinterschneidungen (12 ,34 ) ein gleiches Volumen haben. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Verfahrensparameter wie Anpresskraft (
22 ), Drehzahl (24 ), Vorschub (26 ) und ein wirksamer Durchmesser (d) des Schweißstiftes (18 ) in Abhängigkeit von einer Materialstärke (s) des Metallkörpers (4 ) im Bereich der Überlappung eingestellt werden. - Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Drehzahl (
24 ) des Schweißstiftes (18 ) mit zunehmender Materialstärke (s) des Metallkörpers (4 ) erhöht wird. - Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei der Vorschub (
26 ) des Schweißstiftes (18 ) mit zunehmender Materialstärke (s) des Metallkörpers (4 ) verlangsamt wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 7, 8 oder 9, wobei der wirksame Durchmesser (d) des Schweißstiftes (
18 ) mit zunehmender Materialstärke (s) des Metallkörpers (4 ) vergrößert wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei der Schweißstift (
18 ) mit einer Anpresskraft (22 ) von 5000 N auf den Metallkörper (4 ) gedrückt wird und die Drehzahl (24 ) 1500 U/min sowie der Vorschub (26 ) 30 mm/min betragen.
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