DE102010040933A1

DE102010040933A1 - Verfahren zum thermischen Fügen von zwei Bauteilen sowie Thermofügeband

Info

Publication number: DE102010040933A1
Application number: DE102010040933A
Authority: DE
Inventors: Freerk Syassen
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2010-09-16
Filing date: 2010-09-16
Publication date: 2012-03-22
Anticipated expiration: 2030-09-17
Also published as: DE102010040933B4; US20120067498A1; US9056426B2

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 ist ein Verfahren zum thermischen Fügen von metallischen Bauteilen unter Verwendung von entzündbaren Nanofolien bekannt, die bereits unter dem Handelsnamen ”Nanofoil^®” vertrieben werden. Die Nanofolie, die mit einer abwechselnden Schichtfolge von zigtausenden Aluminium- und Nickelfolien geringster Materialstärke – die jeweils zwischen 5 und 8 nm liegt – aufgebaut ist, wird zwischen die zu fügenden Bauteile platziert und erlaubt eine exakte örtliche Erzeugung der für den Fügevorgang notwendigen Prozesswärme. Die zentrale Eigenschaft dieser Nanofolien besteht darin, dass sie sich durch die einmalige Zufuhr einer geringen Energiemenge entzünden lassen und dabei im Bereich der Zündfront eine Temperatur zwischen 1.000°C und 1.500°C entwickeln. Nach dem Zündvorgang der Nanofolie schreitet die Temperaturfront selbständig mit einer Geschwindigkeit von bis zu 50 m/s durch die Nanofolie fort, so dass der Fügevorgang schnell beendet ist. Das thermische Fügen erfolgt bevorzugt im Zuge eines Löt- oder Hartlötprozesses infolge der Temperaturfreisetzung durch die Nanofolie. Aufgrund der örtlich begrenzten Temperaturfreisetzung ist eine Überhitzung der zu fügenden Bauteile praktisch ausgeschlossen. Die Nanofolie kann ein- oder beidseitig mit Fügezusatzwerkstoffen, zum Beispiel in Folienform, versehen sein, um die Lötvorgänge zu unterstützen. Wegen der außerordentlich intensiven Temperaturentwicklung der eingesetzten Nanofolien ist insbesondere das thermische Fügen von mit thermoplastischen Materialien gebildeten Bauteilen mit einem metallischen Bauteil oder das Verschweißen von zwei mit einem thermoplastischen Material gebildeten Bauteilen untereinander nicht möglich, da im Bereich der Nanofolien Temperaturen erreicht werden, die in der Regel über der Zersetzungstemperatur der eingesetzten thermoplastischen Kunststoffe liegen.
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 Fügezone 14 nach Maßgabe des erfindungsgemäßen Verfahrens thermisch, das heißt stoffschlüssig zusammen gefügt werden. Beide Bauteile 10, 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 Nanofolie 16 als reaktives Flächengebilde bevorzugt vollflächig in der Fügezone 14 platziert. Alternativ kann die Nanofolie 16, unter anderem um die Wärmeentwicklung zu begrenzen, lediglich bereichsweise in der Fügezone 14 platziert werden, sofern die mechanische Belastbarkeit der solchermaßen hergestellten Fügung für den vorgesehenen Anwendungsfall ausreichend ist. Bei der Nanofolie 16 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 Nanofolie 16 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 Nanofolien 16 zumindest bereichsweise in der Fügezone 14 platziert werden.
In einem Verfahrensschritt b) werden zwei Metallgewebe 18, 20 jeweils auf einer Seite der Nanofolie 16 platziert. Alternativ kann die Nanofolie 16 vorab beidseitig mit dem Metallgewebe versehen werden und die solchermaßen gebildete Einheit dann zwischen den Bauteilen 10, 12 platziert werden. Die Metallgewebe 18,20 sind mit einer Vielzahl von feinen Metalldrähten aufgebaut, die zum Beispiel mit einer Edelstahllegierung oder mit einer Titanlegierung hergestellt sind. Anstelle der Metallgewebe 18, 20 können andere, vielfach durchbrochene metallische Flächengebilde, wie zum Beispiel Lochfolien zum Einsatz kommen. Die beiden Metallgewebe 18, 20 stellen ein ”Interface” bzw. einen Haftvermittler zu beiden Fügeflächen 22, 24 der beiden thermoplastischen Bauteile 10, 12 dar. Durch eine geeignete Wahl einer Materialstärke der beiden Metallgewebe 18, 20 wird eine thermische Überhitzung der thermoplastischen Bauteile 10, 12 in der Fügezone 14 verhindert, wodurch sich ein optimales Fügeergebnis einstellt. Die beiden Metallgewebe 18, 20 vergleichmäßigen und verteilen die von der Nanofolie 16 nach dem Zünden erzeugten hohen Temperaturen von etwa 800°C bis 1.500°C in der Fügezone 14 und gewährleisten zudem aufgrund ihrer Pufferwirkung einen verzögerten Wärmedurchtritt. Ohne das Vorhandensein der thermisch-moderierenden Metallgewebe 18, 20 würde die von der Nanofolie 16 generierte Wärmemenge zumindest zu einer thermischen Beschädigung der Bauteile 10, 12 im Bereich der Fügezone 14 führen. Vor dem Zünden der Nanofolie 16 werden die Bauteile 12, 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 Nanofolie 16 erfolgt bevorzugt nur an einer Seitenkante. Alternativ kann die Nanofolie 16 auch an mehreren Seitenkanten gleichzeitig oder zeitversetzt gezündet werden. Durch die Zündung der Nanofolie 16 wird der thermische Fügeprozess zwischen den thermoplastischen Bauteilen 10, 12 eingeleitet und nach kürzester Zeit beendet, da sich die wellenartig die Nanofolie 16 durchlaufende Zünd- bzw. Wärmefront mit einer Geschwindigkeit von bis zu 50 m pro Sekunde ausbreitet. Infolge der von der Nanofolie 16 in der Fügezone 14 erzeugten hohen Wärmemenge kommt es in dieser zu einer stoffschlüssigen und teilweise formschlüssigen Verbindung zwischen den Fügeflächen 22, 24, den Metallgeweben 18, 20 sowie Überresten und/oder Reaktionsprodukten der Nanofolie 16. Ein zumindest punktuelles Aufschmelzen der Metallgewebe 18, 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 Fügeflächen 20, 24 verflüssigten bzw. plastifizierten Bauteile 10, 12, während der formschlüssige Verbindungsanteil durch plastifiziertes Kunststoffmaterial gebildet wird, das in die Metallgewebe 18, 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 Bauteilen 10, 12 umfasst die Nanofolie 16 bzw. deren Überreste und/oder Reaktionsprodukte sowie die Metallgewebe 18, 20.
Anhand der 2 soll der erfindungsgemäße Verfahrensablauf beim Zusammenfügen von zwei Bauteilen 30, 32 illustriert werden, die mit unterschiedlichen Materialien gebildet sind.
Im Verfahrensschritt a) wird zwischen zwei Bauteilen 30, 32 im Bereich einer Fügezone 34 eine Nanofolie 36 als reaktives Flächengebilde eingebracht. Bevorzugt weist die Nanofolie 36 dieselbe Größe bzw. Flächenerstreckung wie die Fügezone 34 auf. Alternativ kann die Nanofolie 36 auch nur bereichsweise in der Fügezone 34 appliziert werden. Das obere Bauteil 30 ist mit einem metallischen Material, zum Beispiel einer Aluminiumlegierung, einer Edelstahllegierung oder einer Titanlegierung gebildet, während das untere Bauteil 32 mit einem thermoplastischen Kunststoffmaterial, gegebenenfalls mit einer Faserverstärkung, gebildet ist.
Im Verfahrensschritt b) wird oberhalb der Nanofolie 36 zumindest bereichsweise eine Metallfolie 38 als ein durchbrechungsfreies, metallisches Flächengebilde angeordnet, während unterhalb der Nanofolie 36 – entsprechend zur Vorgehensweise beim Fügen von zwei thermoplastischen Bauteilen – ein Metallgewebe 40 platziert wird. Alternativ können das Metallgewebe 40 und die Metallfolie 38 vorab auf der Nanofolie angeordnet werden und die solchermaßen vorbereitete Einheit dann zwischen die zu fügenden Bauteile eingebracht werden. Die Funktion des Metallgewebes 40 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 der 1 gemachten Ausführungen verwiesen wird. Die Metallfolie 38 und das Metallgewebe 40 bilden wiederum das fügetechnische ”Interface” zu den zwei, zueinander weisenden Fügeflächen 42, 44 der Bauteile 30, 32.
Die Metallfolie 38 dient primär als Fügezusatzwerkstoff, um den Fügeprozess, insbesondere in Form bekannter metallischer (Weich-)Löt-, Hartlöt-, oder Schweißprozesse zwischen der Nanofolie 36 und dem metallischen Bauteil 30 zu befördern bzw. überhaupt erst zu ermöglichen. Die Metallfolie 38 kann zum Beispiel mit bekannten Weichlotmaterialien, Hartlotmaterialien oder Schweißlotmaterialien, die primär als Fügezusatzwerkstoffe bzw. als Fügehilfsstoffe dienen, gebildet sein. Im Allgemeinen ist die Metallfolie 38 – in Abhängigkeit von der Legierungszusammensetzung des metallischen Bauteils 30 – mit einer speziell darauf abgestimmten, komplexen Legierungszusammensetzung gebildet. Im Fall bestimmter Materialkombinationen, kann die Metallfolie 38 zur Durchführung des Verfahrens auch entfallen. Zur Vorbereitung des abschließenden Fügeprozesses werden die Bauteile 30, 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 Nanofolie 36, der Metallfolie 38, dem Metallgewebe 40 sowie den Bauteilen 30, 32 zu schließen und optimale Fügeergebnisse zu erzielen. Zugleich wird hierdurch eine Lagesicherung der Bauteile 30, 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 Fügeflächen 42, 44 der beiden Bauteile 30, 32, der Metallfolie 38, dem Metallgewebe 40 sowie Resten und/oder Zersetzungsprodukten der Nanofolie 36 initiiert.
Eine nach dieser Verfahrensvariante ausgeführte Fügestelle bzw. ein Fügebereich zwischen einem metallischen Bauteil 30 und einem thermoplastischen Bauteil 32 umfasst die Nanofolie 36 bzw. Überreste und/oder Reaktionsprodukte derselben, die Metallfolie 38 und das Metallgewebe 40.
Im Fall beider Verfahrensvarianten sind die Metallgewebe 18, 20, 40 zumindest im Bereich der Fügeflächen 22, 24, 42 vom aufgeschmolzenen thermoplastischen Material der Bauteile 10, 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 Nanofolie 52, die beidseitig zumindest bereichsweise von zwei Metallgeweben 54, 56 bedeckt ist. Um einen ausreichenden mechanischen Zusammenhalt zwischen den erwähnten Komponenten zu gewährleisten, sind diese mittels mindestens eines Metalldrahtes 58 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 Nanofolie 52 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 Thermofügeband 50 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 Nanofolie 52 mittels der Zündvorrichtung auszulösen. Hinsichtlich der Eigenschaften und der Funktion der die Nanofolie 62 beidseitig bedeckenden Metallgewebe 54, 56 sei an dieser Stelle auf die im Rahmen der Beschreibung der 1, 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 Thermofügebandes 50 liegt darin, dass die Wärmeerzeugung mittels der Nanofolie 52 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

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.