DE102010040933A1 - Verfahren zum thermischen Fügen von zwei Bauteilen sowie Thermofügeband - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zum thermischen Fügen von zwei Bauteilen 10, 12, wobei diese mit einem thermoplastischen Material gebildet sind, und die für den Fügeprozess notwendige Wärme in einer Fügezone 14 mittels mindestens eines reaktiven Flächengebildes, insbesondere mit mindestens einer Nanofolie 16, erzeugt wird, mit den folgenden Schritten: a) Anordnen des mindestens einen reaktiven Flächengebildes in der Fügezone 16, b) zumindest bereichsweises Platzieren eines vielfach durchbrochenen metallischen Flächengebildes, insbesondere eines Metallgewebes 18, 20, auf jeder Seite des reaktiven Flächengebildes als Haftvermittler, und c) thermisches Fügen der Bauteile 10, 12 im Bereich der Fügezone 16 durch Aktivieren des reaktiven Flächengebildes. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt das thermische Fügen von zwei nahezu beliebig großen thermoplastischen Bauteilen 10, 12 ohne das Erfordernis von voluminösen Heizöfen. Die für den Fügevorgang notwendige Prozesswärme wirkt lokal begrenzt ein. Daneben betrifft die Erfindung ein Verfahren zum thermischen Fügen eines thermoplastischen Bauteils 32 mit einem metallischen Bauteil 30 sowie ein Thermofügeband 50 zum verfahrenstechnisch erleichterten thermischen Fügen von thermoplastischen und/oder metallischen Bauteilen.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum thermischen Fügen von zwei Bauteilen, wobei beide Bauteile mit einem thermoplastischen Material gebildet sind, und die für den Fügeprozess notwendige Wärme in einer Fügezone mittels mindestens eines reaktiven Flächengebildes, insbesondere mit mindestens einer Nanofolie, erzeugt wird.
- Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum thermischen Fügen von zwei Bauteilen, wobei das eine Bauteil mit einem thermoplastischen Material und das andere Bauteil mit einem metallischen Material gebildet ist, und die für den Fügeprozess notwendige Wärme in einer Fügezone mittels mindestens eines reaktiven Flächengebildes, insbesondere mit mindestens einer Nanofolie, erzeugt wird.
- Daneben hat die Erfindung ein Thermofügeband zum thermischen Fügen von zwei Bauteilen zum Gegenstand, wobei mindestens ein Bauteil mit einem thermoplastischen Kunststoffmaterial gebildet ist und das Thermofügeband zumindest abschnittsweise mindestens eine Lage mit einem reaktiven Flächengebilde, insbesondere mit mindestens einer Nanofolie, zur Erzeugung der für den Fügeprozess notwendigen Wärme aufweist.
- Im modernen Flugzeugbau finden neben klassischen metallischen Materialien, wie zum Beispiel Aluminiumlegierungen und Titanlegierungen, auch im Strukturbereich zunehmend Komponenten aus Kunststoffmaterialien Verwendung. Hierdurch ergibt sich ein hohes Gewichtseinsparungspotential, das unter anderem zu reduzierten Kraftstoffverbräuchen im Flugbetrieb führt. Darüber hinaus weisen Kunststoffmaterialien im Vergleich zu metallischen Werkstoffen eine höhere Korrosionsresistenz auf, wodurch insbesondere der Wartungsaufwand signifikant reduziert werden kann. Als Kunststoffmaterialien kommen verbreitet kohlefaser- oder glasfaserverstärkte thermoplastische Hochleistungskunststoffe oder faserverstärke duroplastische Kunststoffe zum Einsatz. Das Zusammenfügen von metallischen Materialien und Kunststoffmaterialien erfolgt in vielen Fällen durch Verbindungselemente, wie zum Beispiel Nieten oder Bolzen. Durch diese Verbindungselemente wird jedoch zusätzliches Gewicht in die Struktur eingetragen. Daneben bedeuten die notwendigen Bohrungen in den Bauteilen eine strukturelle Schwächung der Gesamtkonstruktion und erfordern zudem einen hohen Fertigungsaufwand. Thermische Fügungen solcher Bauteile verfügen hingegen über eine hohe Lasttragfähigkeit und benötigen keine zusätzlichen Verbindungselemente. Vielfach bereitet jedoch das thermische Zusammenfügen von thermoplastischen Kunststoffbauteilen untereinander oder von Kunststoffbauteilen mit metallischen Komponenten erhebliche prozesstechnische Schwierigkeiten, da unter anderem die Sicherstellung einer lokal begrenzten Einwirkung der notwendigen Fügetemperaturen einen verfahrenstechnisch hohen Aufwand bedeutet und darüber hinaus das Fügen großformatiger thermoplastischer Bauteile große Öfen erfordert. Daneben ist die Gewährleistung einer hinreichend hohen Prozesssicherheit, die zu sicher reproduzierbaren Fügeergebnissen führt, schwer zu realisieren.
- Unter anderem aus der
US 2005/0082344 A1 - Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum thermischen Fügen von zwei mit thermoplastischen Materialien gebildeten Bauteilen oder zum thermischen Fügen eines mit einem thermoplastischen Material gebildeten Bauteils mit einem mit einem metallischen Material gebildeten Bauteil unter Verwendung von Nanofolien anzugeben. Daneben ist es Aufgabe der Erfindung, ein Thermofügeband zum thermischen Fügen solcher Bauteile anzugeben.
- Diese Aufgabe wird zunächst durch ein Verfahren mit nachfolgenden Verfahrensschritten nach Maßgabe des Patentanspruchs 1 gelöst:
- a) Anordnen des mindestens einen reaktiven Flächengebildes in der Fügezone,
- b) zumindest bereichsweises Platzieren eines vielfach durchbrochenen metallischen Flächengebildes, insbesondere eines Metallgewebes, auf jeder Seite des reaktiven Flächengebildes als Haftvermittler, und
- c) thermisches Fügen der Bauteile im Bereich der Fügezone durch Aktivieren des reaktiven Flächengebildes.
- Im Verfahrensschritt a) wird zunächst ein reaktives Flächengebilde, bei dem es sich bevorzugt um eine unter dem Markennamen ”Nanofoil®” vertriebene Nanofolie handelt, in die Fügezone eingebracht. Derartige Nanofolien weisen eine Materialstärke von bis zu 0,8 mm auf. Im Verfahrensschritt b) wird zumindest bereichsweise ein feines Metallgewebe auf beiden Seiten der Nanofolie angeordnet. Das Metallgewebe kann zum Beispiel mit einer Vielzahl von feinen Drähten aus einer Edelstahllegierung (Chrom-Nickel-Basis) aufgebaut sein. Das beidseitig auf der Nanofolie angeordnete Metallgewebe hat unter anderem den Zweck, die von der Nanofolie beim Zünden ausgehenden hohen Temperaturen zwischen 1.000°C und 1.500°C zu vergleichmäßigen bzw. zu Puffern, dosiert durchzuleiten, eine thermische Zersetzung bzw. Zerstörung der mit thermoplastischen Kunststoffen gebildeten Bauteile zu verhindern und gleichzeitig deren bereichsweise definierte thermische Verschmelzung in der Fügezone im Zuge des Fügeprozesses zu ermöglichen. Das Metallgewebe ist vorzugsweise mit feinen Metalldrähten aus einer Edelstahllegierung gebildet. Anstelle eines Metallgewebes kann ein Metallgestrick, ein Metallgelege aus Metalldrähten oder auch eine Lochfolie angewendet werden. Die Drähte des Metallgewebes oder die zu dessen Herstellung benutzten Metalldrähte können mit einer nichtmetallischen Beschichtung versehen sein, die mit einem keramischen Material oder mit einem Kunststoffmaterial gebildet sein kann.
- Erforderlichenfalls kann die Reihenfolge der Schritte a) und b) vertauscht werden, wobei ein im Schritt a) vorbereiteter Gesamtaufbau bzw. eine Anordnung bestehend aus der Nanofolie und den beidseitig angeordneten Metallgeweben im Schritt b) als eine Einheit in der Fügezone platziert wird. Im Verfahrensschritt c) erfolgt zur Initiierung des Fügeprozesses die Zündung der Nanofolie, was beispielsweise durch die Zufuhr elektrischer Energie oder einer geringen Wärmemenge erfolgen kann. Hierdurch wird die Nanofolie irreversibel ”gezündet” und gibt dabei eine Temperatur in einem Bereich zwischen 800°C und 1.500°C ab, wodurch die beiden thermoplastischen Bauteile im Bereich der Fügezone miteinander verschmolzen und stoffschlüssig gefügt werden. Die Zündfront innerhalb der Nanofolien und damit die aktive Schmelz- bzw. Fügezone schreitet dann selbsttätig mit einer Geschwindigkeit von bis zu 50 m pro Sekunde fort, so dass auch lange Fügezonen in kürzester Zeit problemlos gefügt werden können. Für die Zündung der Nanofolie ist – in Abhängigkeit vom eingesetzten Typ – das einmalige Erreichen einer lokalen Temperatur zwischen etwa 60°C bis 300°C notwendig. Die Zündung kann beispielsweise durch einen Heizdraht, induktive Erwärmung, mittels Laser oder über eine andere Wärmequelle erfolgen. Infolge der im Bereich der Fügezone plastifizierten Bauteile, werden die beidseitig auf der Nanofolie angeordneten Metallgewebe von der thermoplastischen Kunststoffmatrix durchsetzt, wodurch sich eine innige Verzahnung einstellt. Im Ergebnis hat das Metallgewebe neben seiner Funktion als ein Temperaturpuffer auch die Funktion eines Haftvermittlers zwischen den thermoplastischen Bauteilen. Letztendlich entsteht im Bereich der Fügezone eine stoffschlüssige und zumindest teilweise formschlüssige Verbindung zwischen der thermoplastischen Matrix der beiden Bauteile, den beiden Metallgeweben sowie etwaigen Reaktionsprodukten und/oder Überresten der Nanofolie, die mechanisch hochbelastbar ist. Aufgrund des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich zudem ein lokal begrenzter und exakt definierter Wärmeeintrag in die thermoplastischen Bauteile, so dass deren mechanische Eigenschaften vom Fügeprozess weitgehend unberührt bleiben. Im Ergebnis werden die thermoplastischen Bauteile während des Fügeprozesses durch die Metallgewebe hindurch indirekt erhitzt und hierdurch in der Fügezone oberflächlich plastifiziert.
- Eine Weiterentwicklung des Verfahrens sieht vor, dass vor dem thermischen Fügen die Bauteile zueinander ausgerichtet und unter Aufwendung von mechanischem Druck zusammen gepresst werden.
- Hierdurch werden etwaig vorhandene Spalte und Hohlräume, die unter anderem den Wärmeübergang behindern können, zwischen den zu fügenden Bauteilen, der Nanofolie sowie den beidseitig angeordneten Geweben eliminiert, wodurch sich ein optimales Fügeergebnis und zugleich eine hohe Maßhaltigkeit der gefügten Bauteile einstellt. Die Lagefixierung zwischen den genannten Komponenten kann beispielsweise mittels durchgehender Bohrungen und wieder lösbarer Klemmnieten erfolgen. Der erforderliche mechanische Druck kann zum Beispiel mittels eines Vakuumsacks, mit Klemmnieten, Pressvorrichtungen, Zwingen oder dergleichen aufgebaut werden. Beim thermischen Fügen eines metallischen und eines thermoplastischen Bauteils ist im Vergleich zum thermischen Fügen von zwei thermoplastischen Bauteilen ein höherer Pressdruck erforderlich.
- Nach Maßgabe einer Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass eine Materialstärke des durchbrochenen metallischen Flächengebildes in Abhängigkeit von einer Schmelztemperatur der mit dem thermoplastischen Material gebildeten Bauteile gewählt wird.
- Durch eine Variation der Materialstärke der eingesetzten durchbrochenen metallischen Flächengebilde, insbesondere der Metallgewebe, lässt sich die Wärmemenge sowie die Geschwindigkeit des Wärmeübergangs der von der Nanofolie emittierten Wärme in die zu fügenden thermoplastischen Kunststoffbauteile im Bereich der Fügezone gezielt beeinflussen und auf diese Weise an unterschiedliche Schmelztemperaturen verschiedener thermoplastischer Kunststoffsysteme anpassen. Diesem Umstand kommt eine erhebliche Bedeutung zu, da moderne thermoplastische Hochleistungskunststoffe in der Regel deutlich höhere Schmelztemperaturen aufweisen, als dies beispielsweise bei Polyethylen oder Polypropylen der Fall ist.
- Ferner wird die erfindungsgemäße Aufgabe durch ein Verfahren mit den Verfahrensschritten nach Maßgabe des Patentanspruchs 4 gelöst:
- a) Anordnen des mindestens einen reaktiven Flächengebildes in der Fügezone,
- b) zumindest bereichsweises Platzieren eines vielfach durchbrochenen metallischen Flächengebildes, insbesondere eines Metallgewebes, als Haftvermittler auf der Seite des reaktiven Flächengebildes, die mit dem thermoplastischen Bauteil gefügt werden soll, und
- c) thermisches Fügen der Bauteile im Bereich der Fügezone durch Aktivieren des reaktiven Flächengebildes.
- Im Unterschied zum Verfahrensablauf nach Maßgabe des Patentanspruchs 1 erfolgt hierbei eine thermische Fügung zwischen einem mit einem thermoplastischen Material gebildeten Bauteil und einem mit einem metallischen Material gebildeten Bauteil. Demzufolge wird im Verfahrensschritt b) lediglich die Seite der Nanofolie, die mit dem thermoplastischen Bauteil zusammen gefügt werden soll, mit dem Metallgewebe bedeckt. Die andere, gegenüberliegende Seite der Nanofolie, die dem metallischen Bauteil zugewandt ist, kann in vielen Fällen unmittelbar mit diesem thermisch gefügt werden. Auch hier kann die Reihenfolge der Schritte a) und b) vertauscht werden, wobei der im Schritt a) vorbereitete Gesamtaufbau aus der Nanofolie und dem auf der einen Seite der Nanofolie angeordneten Metallgewebe und der auf der anderen Seite befindlichen Metallfolie dann im Schritt b) in der Fügezone platziert wird.
- Im Übrigen entsprechen die Verfahrensschritte a) bis c) den Verfahrensschritten des Patentanspruchs 1, so dass zu deren Erläuterung auf die weiter oben gemachten Bemerkungen verwiesen werden kann.
- Eine Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass vor dem thermischen Fügen zumindest bereichsweise ein durchbrechungsfreies metallisches Flächengebildes, insbesondere eine Metallfolie, als Fügezusatzwerkstoff auf der Seite des reaktiven Flächengebildes, die mit dem metallischen Bauteil gefügt werden soll, platziert wird.
- Durch das Aufbringen des bevorzugt in Folienform vorliegenden Fügezusatzwerkstoffes kann der Fügeprozess zwischen der Nanofolie und dem metallischen Bauteil unterstützt bzw. gegebenenfalls überhaupt erst ermöglicht werden. Die Metallfolie kann mit beliebigen (Weich-)Löt-, Hartlöt- oder Schweißzusatzwerkstoffen, wie zum Beispiel einem Lot, einem Hartlot oder einem Schweißlot, gebildet sein.
- Nach Maßgabe einer Weiterentwicklung des Verfahrens werden die Bauteile vor dem thermischen Fügen zueinander ausgerichtet und unter Aufwendung von mechanischem Druck zusammengepresst.
- Hierdurch wird ein mechanisch inniger und weitgehend zwischenraumfreier Kontakt zwischen der Nanofolie, dem auf einer Seite angeordneten Metallgewebe, der auf der anderen Seite befindlichen, optionalen Metallfolie als Fügezusatzwerkstoff und den Fügeflächen der Bauteile erreicht, um eine möglichst hohe Qualität und Belastbarkeit der Fügestelle zu erreichen.
- Im Fall einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass eine Materialstärke des durchbrochenen metallischen Flächengebildes in Abhängigkeit von einer Schmelztemperatur des mit dem metallischen Bauteil zu fügenden thermoplastischen Bauteils gewählt wird.
- Hierdurch kann das Verfahren optimal auf die jeweilige Schmelztemperatur des zur Herstellung des thermoplastischen Bauteils eingesetzten thermoplastischen Kunststoffes abgestimmt werden.
- Entsprechend kann durch eine Variation der Materialstärke der optionalen, gegebenenfalls als Fügezusatzwerkstoff dienenden Metallfolie die Fügetemperatur in der Fügezone zwischen der Nanofolie und dem metallischen Bauteil den jeweiligen Prozesserfordernissen exakt angepasst werden. Darüber hinaus wird die erfindungsgemäße Aufgabe durch ein universelles Thermofügeband gemäß dem Patentanspruch 8 gelöst.
- Erfindungsgemäß ist eine Seite des reaktiven Flächengebildes zumindest bereichsweise mit einem eine Vielzahl von Durchbrechungen aufweisenden Flächengebilde, insbesondere mit einem Metallgewebe, als Haftvermittler versehen und die andere Seite des reaktiven Flächengebildes ist zumindest bereichsweise mit dem eine Vielzahl von Durchbrechungen aufweisenden Flächengebilde oder mit einem durchbrechungsfreien metallischen Flächengebilde, insbesondere mit einer Metallfolie als Fügez
- Mit der ersten Ausführungsvariante des Thermofügebandes können zwei, mit einem thermoplastischen Material gebildete Bauteile gefügt werden, während die zweite Ausführungsvariante des Thermofügebandes, bei der nur auf einer Seite der Nanofolie ein Metallgewebe aufgebracht ist, zum Zusammenfügen eines thermoplastischen Bauteils mit einem metallischen Bauteil vorgesehen ist.
- Die mechanische Verbindung zwischen der mindestens einen Nanofolie und dem mindestens einen metallischen Gewebe als Haftvermittler oder der Metallfolie als optionaler Fügezusatzwerkstoff kann beispielsweise durch Vernähen bzw. Zusammenheften mittels feiner Metalldrähte und/oder durch Kleben erfolgen. Eine Gesamtmaterialstärke des Gesamtaufbaus des Thermofügebandes sollte hierbei einen Wert von 1,0 mm nicht übersteigen, um die Stärke der Fügenaht gering zu halten. Das Thermofügeband ist aufgrund dieser geringen Materialstärke in der Regel hinreichend flexibel, um es aufrollen zu können. Bei der Integration von großformatigen Schalenbauteilen zur Integration von tonnenförmigen Rumpfsektionen von Flugzeugen kann das Thermofügeband z. B. kontinuierlich von einer Vorratsrolle abgezogen, abgelängt und dann den Fügezonen zwischen den Bauteilen automatisiert zugeführt werden. Mittels des erfindungsgemäßen Thermofügebandes ist es möglich, die im Zuge der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zu durchlaufenden Prozessschritte weiter zu vereinfachen.
- Darüber hinaus ist es möglich, ein Bauteil, das an ein weiteres Bauteil thermisch angefügt werden soll, in der vorgesehenen Fügezone herstellerseitig zumindest bereichsweise mit dem Thermofügeband auszustatten. Zum Beispiel kann das Thermofügeband in der Fügezone eines thermoplastischen Bauteils oder eines metallischen Bauteils platziert und befestigt sein. Zum Herstellen einer Fügeverbindung mit einem weiteren Bauteil werden die Bauteile dann nur noch im Bereich der Fügezone übereinandergelegt, ausgerichtet und zusammengepresst. Zur Schaffung der thermischen Fügeverbindung wird abschließend das reaktive Flächengebilde bzw. die Nanofolie ausgelöst bzw. gezündet. Bei der herstellerseitigen Ausrüstung des (ersten) Bauteils mit dem Thermofügeband ist die anfänglich freie Seite des reaktiven Flächengebildes, die später mit einem thermoplastischen (zweiten) Bauteil gefügt werden soll, mit einem Metallgewebe zur Haftvermittlung oder für den Fall, dass das anzufügende (zweite) Bauteil mit einem metallischen Material gebildet ist, mit der Metallfolie als Zusatzwerkstoff belegt. Entsprechend ist die dem ersten Bauteil zugewandte, nicht freie Seite des reaktiven Flächengebildes in Abhängigkeit von dessen Materialzusammensetzung mit einer Metallfolie oder mit einem Metallgewebe bedeckt. Die herstellerseitige Lagefixierung des Thermofügebandes auf einem Bauteil kann zum Beispiel durch abschnittsweises Verkleben erfolgen. Dies bedeutet, dass in diesem Stadium noch keine endgültige thermische Fügung zwischen dem Thermofügeband und dem damit vorausgerüsteten Bauteil erfolgt ist. Abweichend vom Kleben kann das Thermofügeband mit alternativen Verbindungstechniken befestigt werden, solange das reaktive Flächengebilde hierdurch nicht gezündet wird. Grundsätzlich ist das Thermofügeband – unabhängig davon ob es bereits herstellerseitig an einem Bauteil angeordnet wurde oder erst beim Fügeprozess in der Fügezone platziert wird – entweder zum thermischen Fügen von zwei thermoplastischen Bauteilen oder zum Fügen eines metallischen Bauteils mit einem thermoplastischen Bauteil vorgesehen.
- In der Zeichnung zeigt:
-
1 eine schematische Darstellung des Verfahrensablaufs beim Fügen von zwei, mit einem thermoplastischen Kunststoffmaterial gebildeten Bauteilen, -
2 eine schematische Darstellung des Verfahrensablaufs beim Fügen eines thermoplastischen Bauteils und eines metallischen Bauteils, und -
3 eine Schnittdarstellung durch eine Ausführungsvariante eines Thermofügebandes zum Fügen von zwei thermoplastischen Bauteilen. - In der Zeichnung weisen dieselben konstruktiven Elemente jeweils dieselbe Bezugsziffer auf.
- Die
1 illustriert eine schematische Darstellung des Verfahrensablaufs beim Zusammenfügen von zwei Bauteilen, die jeweils mit einem thermoplastischen Kunststoffmaterial gebildet sind. - Zwei miteinander zu verbindende Bauteile
10 ,12 sollen im Bereich einer Fügezone14 nach Maßgabe des erfindungsgemäßen Verfahrens thermisch, das heißt stoffschlüssig zusammen gefügt werden. Beide Bauteile10 ,12 sind mit einem thermoplastischen Kunststoffmaterial gebildet, das erforderlichenfalls mit einer Faserverstärkung armiert ist. Als thermoplastisches Kunststoffmaterial können zum Beispiel Polyetheretherketone (PEEK), Polyphenylensulfide (PPS) oder dergleichen Verwendung finden. Die Faserverstärkung kann zum Beispiel mit Kohlefasern oder mit Glasfasern aufgebaut sein. In einem ersten Verfahrensschritt a) wird eine Nanofolie16 als reaktives Flächengebilde bevorzugt vollflächig in der Fügezone14 platziert. Alternativ kann die Nanofolie16 , unter anderem um die Wärmeentwicklung zu begrenzen, lediglich bereichsweise in der Fügezone14 platziert werden, sofern die mechanische Belastbarkeit der solchermaßen hergestellten Fügung für den vorgesehenen Anwendungsfall ausreichend ist. Bei der Nanofolie16 handelt es sich um ein geschichtetes Material, das mit einer Vielzahl von jeweils abwechselnd übereinander angeordneten, extrem dünnen Schichten aus Aluminium und Nickel aufgebaut ist. Die Aluminium- und die Nickelfolien weisen jeweils eine Materialstärke zwischen 5 nm und 8 nm auf. Als Nanofolie16 kann zum Beispiel eine Nanofolie der ”Fa. RNT Reactive Nano Technologies Inc., USA” Verwendung finden, die unter dem Markennamen ”nanofoil®” vertrieben wird. In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens können zwei, drei oder mehrere Nanofolien16 zumindest bereichsweise in der Fügezone14 platziert werden. - In einem Verfahrensschritt b) werden zwei Metallgewebe
18 ,20 jeweils auf einer Seite der Nanofolie16 platziert. Alternativ kann die Nanofolie16 vorab beidseitig mit dem Metallgewebe versehen werden und die solchermaßen gebildete Einheit dann zwischen den Bauteilen10 ,12 platziert werden. Die Metallgewebe18 ,20 sind mit einer Vielzahl von feinen Metalldrähten aufgebaut, die zum Beispiel mit einer Edelstahllegierung oder mit einer Titanlegierung hergestellt sind. Anstelle der Metallgewebe18 ,20 können andere, vielfach durchbrochene metallische Flächengebilde, wie zum Beispiel Lochfolien zum Einsatz kommen. Die beiden Metallgewebe18 ,20 stellen ein ”Interface” bzw. einen Haftvermittler zu beiden Fügeflächen22 ,24 der beiden thermoplastischen Bauteile10 ,12 dar. Durch eine geeignete Wahl einer Materialstärke der beiden Metallgewebe18 ,20 wird eine thermische Überhitzung der thermoplastischen Bauteile10 ,12 in der Fügezone14 verhindert, wodurch sich ein optimales Fügeergebnis einstellt. Die beiden Metallgewebe18 ,20 vergleichmäßigen und verteilen die von der Nanofolie16 nach dem Zünden erzeugten hohen Temperaturen von etwa 800°C bis 1.500°C in der Fügezone14 und gewährleisten zudem aufgrund ihrer Pufferwirkung einen verzögerten Wärmedurchtritt. Ohne das Vorhandensein der thermisch-moderierenden Metallgewebe18 ,20 würde die von der Nanofolie16 generierte Wärmemenge zumindest zu einer thermischen Beschädigung der Bauteile10 ,12 im Bereich der Fügezone14 führen. Vor dem Zünden der Nanofolie16 werden die Bauteile12 , um optimale Ergebnisse erzielen, in Richtung der beiden weißen Pfeile, mit definierter Kraft aneinander gepresst. - Im abschließenden Verfahrensschritt c) erfolgt die Zündung der Nanofolie
16 , was beispielsweise durch einen elektrischen Impuls oder die Zufuhr einer definierten Wärmemenge erfolgen kann. Die Zündung der Nanofolie16 erfolgt bevorzugt nur an einer Seitenkante. Alternativ kann die Nanofolie16 auch an mehreren Seitenkanten gleichzeitig oder zeitversetzt gezündet werden. Durch die Zündung der Nanofolie16 wird der thermische Fügeprozess zwischen den thermoplastischen Bauteilen10 ,12 eingeleitet und nach kürzester Zeit beendet, da sich die wellenartig die Nanofolie16 durchlaufende Zünd- bzw. Wärmefront mit einer Geschwindigkeit von bis zu 50 m pro Sekunde ausbreitet. Infolge der von der Nanofolie16 in der Fügezone14 erzeugten hohen Wärmemenge kommt es in dieser zu einer stoffschlüssigen und teilweise formschlüssigen Verbindung zwischen den Fügeflächen22 ,24 , den Metallgeweben18 ,20 sowie Überresten und/oder Reaktionsprodukten der Nanofolie16 . Ein zumindest punktuelles Aufschmelzen der Metallgewebe18 ,20 ist aufgrund der hohen Wärmeentwicklung beim Fügeprozess möglich. - Der stoffschlüssige Verbindungsanteil entsteht durch das zumindest bereichsweise Ineinanderfließen der nach der Zündung der Nanofolie
16 im Bereich der Fügeflächen20 ,24 verflüssigten bzw. plastifizierten Bauteile10 ,12 , während der formschlüssige Verbindungsanteil durch plastifiziertes Kunststoffmaterial gebildet wird, das in die Metallgewebe18 ,20 eindringt und sich nach der Abkühlung mit diesen innig verzahnt. - Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird die Möglichkeit eröffnet, eine mechanisch hochbelastbare Verbindung zwischen zwei, mit thermoplastischen Kunststoffen gebildeten Bauteilen
10 ,12 zu schaffen. Hierbei können auch großformatige Bauteile mit geringem fertigungstechnischen Aufwand thermisch gefügt werden. Eine nach dieser ersten Verfahrensvariante geschaffene Fügung zwischen den zwei thermoplastischen Bauteilen10 ,12 umfasst die Nanofolie16 bzw. deren Überreste und/oder Reaktionsprodukte sowie die Metallgewebe18 ,20 . - Anhand der
2 soll der erfindungsgemäße Verfahrensablauf beim Zusammenfügen von zwei Bauteilen30 ,32 illustriert werden, die mit unterschiedlichen Materialien gebildet sind. - Im Verfahrensschritt a) wird zwischen zwei Bauteilen
30 ,32 im Bereich einer Fügezone34 eine Nanofolie36 als reaktives Flächengebilde eingebracht. Bevorzugt weist die Nanofolie36 dieselbe Größe bzw. Flächenerstreckung wie die Fügezone34 auf. Alternativ kann die Nanofolie36 auch nur bereichsweise in der Fügezone34 appliziert werden. Das obere Bauteil30 ist mit einem metallischen Material, zum Beispiel einer Aluminiumlegierung, einer Edelstahllegierung oder einer Titanlegierung gebildet, während das untere Bauteil32 mit einem thermoplastischen Kunststoffmaterial, gegebenenfalls mit einer Faserverstärkung, gebildet ist. - Im Verfahrensschritt b) wird oberhalb der Nanofolie
36 zumindest bereichsweise eine Metallfolie38 als ein durchbrechungsfreies, metallisches Flächengebilde angeordnet, während unterhalb der Nanofolie36 – entsprechend zur Vorgehensweise beim Fügen von zwei thermoplastischen Bauteilen – ein Metallgewebe40 platziert wird. Alternativ können das Metallgewebe40 und die Metallfolie38 vorab auf der Nanofolie angeordnet werden und die solchermaßen vorbereitete Einheit dann zwischen die zu fügenden Bauteile eingebracht werden. Die Funktion des Metallgewebes40 entspricht hierbei der Funktion der beim thermischen Fügen von zwei thermoplastischen Bauteilen eingesetzten Metallgewebe, so dass an dieser Stelle auf die im Rahmen der Beschreibung der1 gemachten Ausführungen verwiesen wird. Die Metallfolie38 und das Metallgewebe40 bilden wiederum das fügetechnische ”Interface” zu den zwei, zueinander weisenden Fügeflächen42 ,44 der Bauteile30 ,32 . - Die Metallfolie
38 dient primär als Fügezusatzwerkstoff, um den Fügeprozess, insbesondere in Form bekannter metallischer (Weich-)Löt-, Hartlöt-, oder Schweißprozesse zwischen der Nanofolie36 und dem metallischen Bauteil30 zu befördern bzw. überhaupt erst zu ermöglichen. Die Metallfolie38 kann zum Beispiel mit bekannten Weichlotmaterialien, Hartlotmaterialien oder Schweißlotmaterialien, die primär als Fügezusatzwerkstoffe bzw. als Fügehilfsstoffe dienen, gebildet sein. Im Allgemeinen ist die Metallfolie38 – in Abhängigkeit von der Legierungszusammensetzung des metallischen Bauteils30 – mit einer speziell darauf abgestimmten, komplexen Legierungszusammensetzung gebildet. Im Fall bestimmter Materialkombinationen, kann die Metallfolie38 zur Durchführung des Verfahrens auch entfallen. Zur Vorbereitung des abschließenden Fügeprozesses werden die Bauteile30 ,32 im Allgemeinen zueinander ausgerichtet und nach erfolgter Positionierung in Richtung der beiden weißen Pfeile mittels einer definierten Kraft aneinander gepresst, um etwaig vorhandene Hohlräume oder Spalte zwischen der Nanofolie36 , der Metallfolie38 , dem Metallgewebe40 sowie den Bauteilen30 ,32 zu schließen und optimale Fügeergebnisse zu erzielen. Zugleich wird hierdurch eine Lagesicherung der Bauteile30 ,32 vor und während des Fügeprozesses erreicht. - Im Verfahrensschritt c) erfolgt die Zündung der Nanofolie
36 durch die Zuführung einer geringen, externen Energiemenge. Hierdurch wird der gewünschte, irreversible thermische Fügeprozess zwischen den Fügeflächen42 ,44 der beiden Bauteile30 ,32 , der Metallfolie38 , dem Metallgewebe40 sowie Resten und/oder Zersetzungsprodukten der Nanofolie36 initiiert. - Eine nach dieser Verfahrensvariante ausgeführte Fügestelle bzw. ein Fügebereich zwischen einem metallischen Bauteil
30 und einem thermoplastischen Bauteil32 umfasst die Nanofolie36 bzw. Überreste und/oder Reaktionsprodukte derselben, die Metallfolie38 und das Metallgewebe40 . - Im Fall beider Verfahrensvarianten sind die Metallgewebe
18 ,20 ,40 zumindest im Bereich der Fügeflächen22 ,24 ,42 vom aufgeschmolzenen thermoplastischen Material der Bauteile10 ,12 ,32 bzw. im Fall von faserarmierten thermoplastischen Bauteilen von der thermoplastischen Kunststoffmatrix zumindest bereichsweise durchsetzt bzw. von dieser durchdrungen. - In der
3 ist eine Schnittdarstellung einer Ausführungsvariante eines integrierten Thermofügebandes zum prozesstechnisch vereinfachten Fügen von zwei thermoplastischen Bauteilen dargestellt. - Das Thermofügeband
50 umfasst unter anderem mindestens eine Nanofolie52 , die beidseitig zumindest bereichsweise von zwei Metallgeweben54 ,56 bedeckt ist. Um einen ausreichenden mechanischen Zusammenhalt zwischen den erwähnten Komponenten zu gewährleisten, sind diese mittels mindestens eines Metalldrahtes58 miteinander vernäht. Alternativ zum Vernähen können andere Verbindungsarten, die nur einen geringen Temperatureinsatz erfordern, wie zum Beispiel das Kleben, zur Anwendung kommen. Darüber hinaus verfügt die Nanofolie52 über mindestens eine, hier nicht dargestellte Zündvorrichtung, um die Initiierung des thermischen Fügeprozesses zu erleichtern. - Um zwei thermoplastische Bauteile mittels des erfindungsgemäßen Thermofügebandes
50 thermisch zu fügen, ist es ausreichend das Thermofügeband50 zumindest bereichsweise in der beabsichtigten Fügezone zwischen den beiden Bauteilen zu platzieren, diese in Relation zueinander auszurichten, unter Anwendung einer definierten Kraft aufeinander zu pressen und abschließend die Nanofolie52 mittels der Zündvorrichtung auszulösen. Hinsichtlich der Eigenschaften und der Funktion der die Nanofolie62 beidseitig bedeckenden Metallgewebe54 ,56 sei an dieser Stelle auf die im Rahmen der Beschreibung der1 ,2 gemachten Ausführungen verwiesen. - Soll mittels des erfindungsgemäßen Thermofügebandes
50 ein mit einem thermoplastischen Kunststoff gebildetes Bauteil mit einem metallischen Bauteil gefügt werden, so ist es in der Regel notwendig, das auf der Seite des metallischen Bauteils befindliche Metallgewebe durch eine Metallfolie als Fügezusatzwerkstoff zu ersetzen. - Somit lassen sich mit dem Thermofügeband
50 selbst großformatige mit thermoplastischen Kunststoffen und/oder mit metallischen Materialien gebildete Bauteile, zum Beispiel großformatige Schalensegmente zur Herstellung von tonnenförmigen Rumpfsektionen zur Integration von Flugzeugen, ohne den Einsatz von voluminösen Öfen oder Heizeinrichtungen problemlos und kostengünstig bei einer zugleich hohen Prozesssicherheit thermisch fügen. Ein weiterer Vorteil des Thermofügebandes50 liegt darin, dass die Wärmeerzeugung mittels der Nanofolie52 stets örtlich begrenzt erfolgt, so dass eine thermische Beeinträchtigung der zu fügenden Bauteile und eine hiermit einhergehende strukturelle Schwächung derselben weitgehend auszuschließen ist. - Bezugszeichenliste
-
- 10
- erstes Bauteil (thermoplastisch)
- 12
- zweites Bauteil (thermoplastisch)
- 14
- Fügezone
- 16
- Nanofolie
- 18
- Metallgewebe
- 20
- Metallgewebe
- 22
- Fügefläche (Bauteil)
- 24
- Fügefläche (Bauteil)
- 30
- erstes Bauteil (metallisch)
- 32
- zweites Bauteil (thermoplastisch)
- 34
- Fügezone
- 36
- Nanofolie
- 38
- Metallfolie
- 40
- Metallgewebe
- 42
- Fügefläche (Bauteil)
- 44
- Fügefläche (Bauteil)
- 50
- Thermofügeband
- 52
- Nanofolie
- 54
- Metallgewebe
- 56
- Metallgewebe
- 58
- Metalldraht
- 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
-
- US 2005/0082344 A1 [0005]
Claims (8)
- Verfahren zum thermischen Fügen von zwei Bauteilen (
10 ,12 ), wobei die Bauteile (10 ,12 ) mit einem thermoplastischen Material gebildet sind, und die für den Fügeprozess notwendige Wärme in einer Fügezone (14 ) mittels mindestens eines reaktiven Flächengebildes, insbesondere mit mindestens einer Nanofolie (16 ), erzeugt wird, umfassend die Schritte: a) Anordnen des mindestens einen reaktiven Flächengebildes in der Fügezone (14 ), b) zumindest bereichsweises Platzieren eines vielfach durchbrochenen metallischen Flächengebildes, insbesondere eines Metallgewebes (18 ,20 ), auf jeder Seite des reaktiven Flächengebildes als Haftvermittler, und c) thermisches Fügen der Bauteile (10 ,12 ) im Bereich der Fügezone (14 ) durch Aktivieren des reaktiven Flächengebildes. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem thermischen Fügen die Bauteile (
10 ,12 ) zueinander ausgerichtet und unter Aufwendung von mechanischem Druck zusammengepresst werden. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Materialstärke des durchbrochenen metallischen Flächengebildes in Abhängigkeit von einer Schmelztemperatur der mit dem thermoplastischen Material gebildeten Bauteile (
10 ,12 ) gewählt wird. - Verfahren zum thermischen Fügen von zwei Bauteilen (
30 ,32 ), wobei das eine Bauteil (32 ) mit einem thermoplastischen Material gebildet ist und das andere Bauteil (30 ) mit einem metallischen Material gebildet ist, und die für den Fügeprozess notwendige Wärme in einer Fügezone (34 ) mittels mindestens eines reaktiven Flächengebildes, insbesondere mit mindestens einer Nanofolie (36 ), erzeugt wird, umfassend die Schritte: a) Anordnen des mindestens einen reaktiven Flächengebildes in der Fügezone, b) zumindest bereichsweises Platzieren eines vielfach durchbrochenen metallischen Flächengebildes, insbesondere eines Metallgewebes (40 ), als Haftvermittler auf der Seite des reaktiven Flächengebildes, die mit dem thermoplastischen Bauteil (32 ) gefügt werden soll, und c) thermisches Fügen der Bauteile (30 ,32 ) im Bereich der Fügezone (34 ) durch Aktivieren des reaktiven Flächengebildes. - Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem thermischen Fügen zumindest bereichsweise ein durchbrechungsfreies metallisches Flächengebildes, insbesondere eine Metallfolie (
38 ), als Fügezusatzwerkstoff, auf der Seite des reaktiven Flächengebildes, die mit dem metallischen Bauteil (30 ) gefügt werden soll, platziert wird. - Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, vor dem thermischen Fügen die Bauteile (
30 ,32 ) zueinander ausgerichtet werden und unter Aufwendung von mechanischem Druck zusammengepresst werden. - Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Materialstärke des durchbrochenen metallischen Flächengebildes in Abhängigkeit von einer Schmelztemperatur des thermoplastischen Bauteils (
32 ) gewählt wird. - Thermofügeband (
50 ) zum thermischen Fügen von zwei Bauteilen, wobei mindestens ein Bauteil mit einem thermoplastischen Kunststoffmaterial gebildet ist und das Thermofügeband zumindest abschnittsweise mindestens eine Lage mit einem reaktiven Flächengebilde, insbesondere mit mindestens einer Nanofolie (52 ), zur Erzeugung der für den Fügeprozess notwendigen Wärme aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Seite des reaktiven Flächengebildes zumindest bereichsweise mit einem eine Vielzahl von Durchbrechungen aufweisenden Flächengebilde, insbesondere mit einem Metallgewebe (54 ), als Haftvermittler versehen ist und die andere Seite des reaktiven Flächengebildes zumindest bereichsweise mit dem eine Vielzahl von Durchbrechungen aufweisenden Flächengebilde (56 ) oder mit einem durchbrechungsfreien metallischen Flächengebilde, insbesondere mit einer Metallfolie, als Fügezusatzwerkstoff versehen ist.
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