DE102010054162A1 - Mechanische Verbindung dünnwandiger Bauteile mit optischen Ansprüchen - Google Patents

Mechanische Verbindung dünnwandiger Bauteile mit optischen Ansprüchen Download PDF

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Dirk 41199 Bücker
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Anton 91757 Sautner
Wieland 91785 Wegener
Stefan 91781 Meder
Andreas 91781 Helfenberger
Harry 91757 Schneikert
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Faurecia Exteriors GmbH
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden eines Bauteils (1) mit einer optisch relevanten Vorderseite (2) und einer optisch nicht relevanten Rückseite (3) mit einem Anbauteil (4). Um flächige Bauteile, wie Stoßfänger dem Verbinden mittels mechanischer Verzahnung zu erschließen und so eine Verbindung dünnwandiger ebener Class-A lackierter Bauteile kostengünstig zu gewährleisten wird vorgeschlagen, dass auf der Rückseite (3) des Bauteils (1) Ausnehmungen (5), die in unterschiedlichen Winkeln zur Oberflächennormale (6) der Rückseite (3) des Bauteils (1) ausgerichtet sind, eingebracht werden, wobei die Ausnehmungen (5) nicht die optisch relevante Vorderseite (2) durchstoßen, sondern in einem solchen Abstand (7) zur Vorderseite (2) enden, in der keine sichtbaren Deformationen an der Vorderseite (2) erzeugt werden und anschließend das Anbauteil (4) mit dem Bauteil (1) über Verbindungskörper (8) verzapft und formschlüssig verbunden wird, wobei die Verbindungskörper (8) einerseits in die Ausnehmungen (5) eingesetzt werden und andererseits das Anbauteil (4) durchragen oder an ihm befestigt werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden eines Bauteils mit einer optisch relevanten Vorderseite und einer optisch nicht relevanten Rückseite mit einem Anbauteil.
  • Stand der Technik: Grundsätzlich stehen drei Möglichkeiten zu Verfügung um Bauteile miteinander zu verbinden.
  • • Thermische Verbindungstechnik: Das Schweißen
  • Beim Schweißen werden mit Hilfe von Druck und Temperatur auf vielfälltige Art und Weise, zum Beispiel durch Reibschweißen, Ultraschallschweißen etc. in der Regel zwei Fügepartner thermisch verbunden. Allen Techniken gemein ist, dass es durch Energiezuführung zu einem Aufschmelzprozess im Fügebereich kommt, der eine innige Verbindung zwischen den Fügepartnern erzeugt.
  • Speziell bei der Anwendung im automobilen Außenbereich liegen, aufgrund der Möglichkeiten die neue Materialeigenschaften beim Spritzgießen bieten, die zur Zeit gängigen Wandstärken bei der Verarbeitung im Bereich von >= 3,0 mm. Die hierbei standardmäßig zum Einsatz kommende Materialart ist, aufgrund des Preises, talkumverstärktes PP. Aufgrund der dünnen Wandstärke sinken Kosten und Gewicht des Bauteils. Da jedoch speziell PP gegenüber anderen technischen Kunststoffen unter Last sehr kriechfähig ist und über ein geringes E-Modul verfügt, gleichzeitig aber die an die Bauteilverschweißung gestellten Forderungen von Haltekräften an den geschweißten Bauteilverbund von > 200 N je Schweißstelle unverändert bleiben, ist es oft nicht möglich die Bauteile fehlerfrei zu verbinden. Hierbei behindern vor allem die eingebrachte Energie zur Aufschmelzung und innigen Verbindung der Trennebenen eine abzeichnungsfreie Verbindung, da sie sich durch das Bauteil hindurch derart auswirkt, dass die Oberfläche in Folge des Schwindungsunterschieds beim Abkühlen deformiert und eine Fehlstelle ausbildet.
  • • Chemische Verbindungstechnik: Das Kleben
  • Beim Kleben werden Chemisch Substanzen in die Trennebene eingebracht, die durch Vernetzungsreaktionen zwischen den Fügepartnern eine Haltekraft in Form von Adhäsionskräften aufbauen. Speziell im Bereich der polyolefinen Werkstoffe wie PP und PE sind die wirksamen Systeme teuer und in der Regel nur mit aufwendiger Vorbehandlung der Oberflächen einsetzbar.
  • • Mechanische Verbindungstechnik: Das Verclipsen
  • Aufgrund der Abzeichnungsgefahr der benötigten Steganbindung des Clips zur optisch relevanten Fläche nur im nicht ebenen Bereich, zum Beispiel in Sicken oder Randzonen eines lackierten Kunststoffkörpers einsetzbar.
  • • Kritik am Stand der Technik:
  • Zur Zeit ist keine Technik verfügbar, die es ermöglicht unter ebenen Class-A lackierten Bauteilen aus PP mit einer Wandstärke <= 3 mm die Funktion der Haltekraft und Optik gleichzeitig ausreichend kostengünstig zu gewährleisten.
    • • Thermische Verfahren wie zum Beispiel das Fakirsonotrodenschweißen (siehe 1 oder EP 1 250 996 B1 ) benötigen unter ebenen Lackoberflächen eine Wandstärke > 3,3 mm.
    • • Chemische Verfahren, wie zum Beispiel das Kleben sind nicht kostengünstig.
    • • Mechanische Verfahren, wie zum Beispiel das Clipsen verbieten sich für Class-A lackierte dünnwandige Kunststoffteile, da die Anbindung zum optisch relevanten Bauteil, der Steg des Clips, auf ebenen Flächen sofort zu einer optisch sichtbaren Einfallstelle auf der dem Clip-/Rippenfuß gegenüberliegenden lackierten Außenwandung führt.
  • Ein großer Teil der im Automobilbau zu verschweißenden Bauteile ist von großer, zumeist flächiger Natur, wie Stoßfänger. Die Erfindung macht sich zur Aufgabe diese Körper und Geometrien dem Verbinden mittels mechanischer Verzahnung zu erschließen und so eine Verbindung dünnwandiger ebener Class-A lackierter Bauteile kostengünstig zu gewährleisten.
  • Zur Lösung der Aufgabe siehe nachfolgende Beschreibung und die 2 und 3.
  • Wie in Versuchen gezeigt wurde, ist es möglich durch eine mechanische Verkrallung der beiden Fügepartner (Bauteil und Anbauteil) eine ausreichende Haltekraft zwischen den zu verbindenen Bauteilen aufzubauen. Hierzu wird:
    • 1.) das optisch relevante Bauteil auf seiner Rückseite mit mehreren Ausnehmungen versehen die in unterschiedlichen Winkeln zur Oberflächennormale ausgerichtet sind. Hierbei durchbrechen die Ausnehmungen nicht die optisch relevante Oberfläche, sondern halten einen Abstand zu ihr der gerade keine sichtbaren Deformationen an der Oberfläche erzeugt. Bei PP Bauteilen beträgt dieser Abstand ca. 0,5 mm
    • 2.) Über das Feld der eingebrachten Ausnehmungen wird das zu verbindende Bauteil positioniert.
    • 3.) Die Bauteile werden miteinander verzapft und formschlüssig verbunden. Dies kann grundsätzlich auf zweierlei Arten geschehen. a) Durch Verstiftung, für den Fall, das sich der in das Außenteil eingebrachte Hohlraum in dem Innenteil fortsetzt. b) Durch eine Zweiteilung des Innenteils, die es erlaubt in jedem Bauteil eine gleich ausgerichtete Menge an Zapfen vorzusehen, die über die Trennebene hinausragen und in eine passende Menge an Ausnehmungen in dem Außenteil eintauchen. Durch nachträgliches Arretieren der Bauteile in ihrer Endposition zum Beispiel Klammern oder Verklipsen wird die Positionierung gehalten und es kann bei unterschiedlicher Ausrichtung der Zapfen unter den zwei Bauteilen aufgrund der Formschlüssigkeit Kraft aufgebaut werden.
  • Dadurch, dass auf der Rückseite des Bauteils Ausnehmungen, die in unterschiedlichen Winkeln zur Oberflächennormale der Rückseite des Bauteils ausgerichtet sind, eingebracht werden, wobei die Ausnehmungen nicht die optisch relevante Vorderseite durchstoßen, sondern in einem solchen Abstand zur Vorderseite enden, in der keine sichtbaren Deformationen an der Vorderseite erzeugt werden und anschließend das Anbauteil mit dem Bauteil über Verbindungskörper verzapft und formschlüssig verbunden wird, wobei die Verbindungskörper einerseits in die Ausnehmungen eingesetzt werden und andererseits das Anbauteil durchragen oder an ihm befestigt werden, können flächige dünnwandige ebene Class-A lackierter Bauteile, wie Stoßfänger mittels mechanischer Verzahnung verbunden werden.
  • Vorteilhaft sind die Ausnehmungen Bohrungen.
  • Unter Ausnehmungen werden allgemein auch Hohlräume verstanden. Ausnehmungen und Hohlräume lassen sich auch einfach durch Laserbearbeitung einbringen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform werden eine erste Anzahl an Ausnehmungen in einem ersten Winkel zur Oberflächennormale und eine zweite Anzahl an Ausnehmungen (gegenläufige Ausnehmungen) in einem zweiten Winkel zur Oberflächennormale eingebracht. Hierdurch lässt sich das Anbauteil vom Bauteil nicht lösen.
  • Es hat sich dabei als vorteilhaft erwiesen, wenn die Ausnehmungen entgegengesetzt einer späteren Belastungsrichtung eingebracht werden. Der Begriff entgegengesetzt wird breit verstanden und beinhaltet Ausnehmungen, die in anderer Richtung als die spätere Belastungsrichtung verlaufen.
  • Damit eine dauerhafte und feste Verankerung eintritt, sollte der Abstand zwischen zwei gegenläufigen Ausnehmungen unter 20 mm liegen.
  • Wichtig ist, dass die Ausnehmungen so eingebracht werden, dass ihr Ende einen Abstand zur Vorderseite größer als 0,5 mm aufweist. Hierdurch ist die unversehrtheit der optisch relevanten Vorderseite des Bauteils gewährleistet.
  • In einer Ausführungsform werden die Verbindungskörper stiftförmig ausgebildet. Diese lassen sich leicht in die Ausnehmungen einsetzen.
  • Zweckmäßigerweise wird der Eintritt der Ausnehmungen in das Bauteil vom Anbauteil verdeckt. Ein Vorteil ist, dass der Eintritt der Ausnehmungen unsichtbar ist und ein anderer Vorteil ist, dass die Verbindungskörper sich nicht aus der Bohrung lösen können.
  • In einer anderen Ausführungsform, die in 3 gezeigt ist, wird das Anbauteil zweiteilig ausgelegt und beide Teile des Anbauteils werden miteinander verbindbar ausgebildet, wobei am ersten Teil nur Verbindungskörper angeordnet werden, die in einem ersten gleichen Winkel zur Oberflächennormale verlaufen und am zweiten Teil nur Verbindungskörper angeordnet werden, die in einem zweiten gleichen Winkel zur Oberflächennormale verlaufen, so dass auf jedem der zwei Teile nur Verbindungskörper gleicher Ausrichtung angeordnet werden. Die Winkel der Ausnehmungen am ersten und am zweiten Teil sind voneinander verschieden. Die Figuren zeigen dies selbsterklärend.
  • Die Verbindungskörper am Anbauteil werden bevorzugt angespritzt.
  • Bevorzugt werden sowohl das Anbauteil als auch das Bauteil aus Kunststoff hergestellt.
  • Bevorzugt wird der Zwischenraum zwischen den Verbindungskörpern ungleicher ausrichtung so ausgelegt, dass er durch geeignete konstruktive Auslegung kurzzeitig ohne Schädigung gedehnt werden kann. Dies vereinfacht das Verzahnen.
  • Bevorzugt werden das ein- oder zweiteilig ausgeführte Anbauteil erst in Endlage auf das Bauteil aufgelegt und dann die Verbindungskörper im Fügeprozess eingebracht.
  • Bevorzugt ist die Verwendung des eben beschriebenen Verfahrens für Bauteile aus dem Automotivbereich, bevorzugt im Bereich optisch relevanter, z. B. lackierter Flächen bzw. lackierter ebener Flächen mit besonders sensiblen Oberflächen.
  • Die Verwendung im Automotivbereich ist bevorzugt im Bereich des Exterieur von Kraftfahrzeugen und dort bevorzugt für Stoßfänger an Kraftfahrzeugen.
  • 1 zeigt das zum Stand der Technik zählende Fakirsonotrodenschweißen, mit dem ein Anbauteil 4 an ein Bauteil 1 angeschweißt wird. Damit auf der Vorderseite 2 keine sichtbaren Spuren auftreten, muss die Wandstärke des Bauteils 1 größer als 3,3 mm sein.
  • In den 2 und 3 ist ein erfindungsgemäßes Verfahren beschrieben.
  • Ein Bauteil 1, hier ein Stoßfänger für ein Kraftfahrzeuge, hat eine optisch relevante Vorderseite 2 und eine optisch nicht relevante Rückseite 3. Optisch relevant bedeutet, dass höchste Anforderungen an die Optik gestellt werden, d. h. dass es ein Class-A lackiertes Bauteil ist.
  • In das Bauteil 1 werden zum Verbinden eines Anbauteils 4 mit dem Bauteil 1 Ausnehmungen 5, hier 5a, 5b, 5d, 5e eingebracht. Zwischen dem Ende der Ausnehmungen 5 und der Vorderseite 2 ist ein Abstand von größer als 0,5 mm vorhanden um die Unversehrtheit der Vorderseite 2 zu gewährleisten. Beide Teile, das Bauteil 1 und das Anbauteil 4 sind aus Kunststoff gefertigt.
  • Die Ausnehmungen sind in der hier gezeigten Ausführungsform Bohrungen. Sie können aber auch Hohlräume sein, die durch Laserbearbeitung eingebracht werden.
  • In der Ausführungsform von 2 sind zwei Ausnehmungen 5a, 5b mit einem gleichen Winkel zur Oberflächennormalen 6 und zwei Ausnehmungen 5d, 5d unter einem anderen Winkel zur Oberflächennormalen 6 eingebracht worden. Die Bohrung 5a ist parallel zur Bohrung 5b und die Bohrung 5d ist parallel zur Bohrung 5e angeordnet. Im Anbauteil 4 sind vier durchgehende Ausnehmungen eingebracht worden, die mit ihren Winkeln an die Ausnehmungen im Bauteil 1 angepasst sind. Die Ausnehmungen 5a, 5b sind im rechten Winkel zu den Ausnehmungen 5d, 5e angeordnet. Zum Befestigen des Anbauteils 4 auf dem Bauteil 1 wird das Anbauteil 4 auf das Bauteil 1 gelegt und anschließend werden stiftförmige Verbindungskörper 8a, 8b durch die Ausnehmungen im Anbauteil bis in die Ausnehmungen 5d, 5e eingeführt und verzahnen bzw. verkeilen beide Teile miteinander.
  • 3 zeigt eine Ausführungsform in der drei parallel zueinander verlaufende Ausnehmungen 5a, 5b, 5c und drei parallel zueinander verlaufende Ausnehmungen 5d, 5e, 5f eingebracht worden sind. Auch hier sind die Ausnehmungen 5a, 5b, 5c im rechten Winkel zu den Ausnehmungen 5d, 5e, 5f angeordnet. Das Anbauteil 4 besteht aus den zwei Teilen 4a, 4b, die miteinander verbunden sind. Am ersten Teil 4a sind zwei stiftförmige Verbindungskörper 8a und am zweiten Teil 4b sind zwei stiftförmige Verbindungskörper 8b angeordnet. Die Verbindungskörper 8a und 8b sind an das Anbauteil 4 angespritzt worden. Zum Verbinden werden die Teile 4a, 4b am Zwischenraum etwas voneinander weg gedehnt und dann auf das Bauteil 1 so aufgesetzt, dass die Verbindungskörper 8a, 8b in die Ausnehmungen 5 eindringen können und dort verkeilen.
  • 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
    • EP 1250996 B1 [0007]

Claims (16)

  1. Verfahren zum Verbinden eines Bauteils (1) mit einer optisch relevanten Vorderseite (2) und einer optisch nicht relevanten Rückseite (3) mit einem Anbauteil (4), dadurch gekennzeichnet, dass auf der Rückseite (3) des Bauteils (1) Ausnehmungen (5), die in unterschiedlichen Winkeln zur Oberflächennormale (6) der Rückseite (3) des Bauteils (1) ausgerichtet sind, eingebracht werden, wobei die Ausnehmungen (5) nicht die optisch relevante Vorderseite (2) durchstoßen, sondern in einem solchen Abstand (7) zur Vorderseite (2) enden, in der keine sichtbaren Deformationen an der Vorderseite (2) erzeugt werden und anschließend das Anbauteil (4) mit dem Bauteil (1) über Verbindungskörper (8) verzapft und formschlüssig verbunden wird, wobei die Verbindungskörper (8) einerseits in die Ausnehmungen (5) eingesetzt werden und andererseits das Anbauteil (4) durchragen oder an ihm befestigt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Anzahl an Ausnehmungen (5a, 5b, 5c) in einem ersten Winkel zur Oberflächennormale (6) und eine zweite Anzahl an Ausnehmungen (gegenläufige Ausnehmungen) (5d, 5e, 5f) in einem zweiten Winkel zur Oberflächennormale (6) eingebracht werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (5) entgegengesetzt einer späteren Belastungsrichtung eingebracht werden.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (7) zwischen zwei gegenläufigen Ausnehmungen unter 20 mm liegt.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (5) so eingebracht werden, dass ihr Ende einen Abstand (9) zur Vorderseite (2) größer als 0,5 mm aufweist.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungskörper (8) stiftförmig ausgebildet werden.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Eintritt der Ausnehmungen (5) in das Bauteil (1) vom Anbauteil (4) verdeckt wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Anbauteil (4) zweiteilig ausgelegt wird und beide Teile (4a, 4b) des Anbauteils (4) miteinander verbindbar ausgebildet werden, wobei am ersten Teil (4a) nur Verbindungskörper (8a) angeordnet werden, die in einem ersten gleichen Winkel zur Oberflächennormale (6) verlaufen und am zweiten Teil (4b) nur Verbindungskörper (8b) angeordnet werden, die in einem zweiten gleichen Winkel zur Oberflächennormale (6) verlaufen, so dass auf jedem der zwei Teile (4a, 4b) nur Verbindungskörper (8a, 8b) gleicher Ausrichtung angeordnet werden.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungskörper (8) am Anbauteil (4) angespritzt werden.
  10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl das Anbauteil (4) als auch das Bauteil (1) aus Kunststoff hergestellt werden.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenraum (10) zwischen den Verbindungskörpern (8b, 8d) ungleicher Ausrichtung so ausgelegt wird, dass er durch geeignete konstruktive Auslegung kurzzeitig ohne Schädigung gedehnt werden kann.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das ein- oder zweiteilig ausgeführte Anbauteil (4) erst in Endlage auf das Bauteil (1) aufgelegt und dann die Verbindungskörper (8) im Fügeprozess eingebracht werden.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (5) Bohrungen sind.
  14. Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13 für Bauteile aus dem Automotivbereich, bevorzugt im Bereich optisch relevanter, z. B. lackierter Flächen bzw. lackierter ebener Flächen mit besonders sensiblen Oberflächen.
  15. Verwendung nach Anspruch 14 im Bereich des Exterieur von Kraftfahrzeugen.
  16. Verwendung nach Anspruch 14 oder 15 für Stoßfänger an Kraftfahrzeugen.
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