DE102011057003A1 - Verfahren zum Fügen von Kraftfahrzeug-Bauteilen - Google Patents

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Rainer Goller
Markus Hölzel
Matthias Thümler
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Rehau Automotive SE and Co KG
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Rehau AG and Co
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen von Kraftfahrzeug-Bauteilen (1, 3) aus thermoplastischen Werkstoffen mit, einem ersten Bauteil (1) mit einer ersten Fügefläche (2), einem zweiten Bauteil (3) mit einer zweiten Fügefläche (4), mindestens einem Verbindungszusatz (5) aus einem thermoplastischen Werkstoff, welcher artgleich oder kompatibel zu dem thermoplastischen Werkstoff der Bauteile (1, 3) ist und der magnetische Partikel als Beimengungen aufweist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen von Kraftfahrzeug-Bauteilen aus thermoplastischen Werkstoffen mit einem ersten Bauteil mit einer ersten Fügefläche, einem zweiten Bauteil mit einer zweiten Fügefläche und mindestens einem Verbindungszusatz aus einem thermoplastischen Werkstoff, welcher artgleich oder kompatibel zu dem thermoplastischen Werkstoff der Bauteile ist.
  • Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Fügeverfahren bekannt, um Kraftfahrzeug-Bauteile aus thermoplastischen Werkstoffen miteinander zu verbinden. Als Verbindungszusätze können hierbei Schweißzusatzstoffe oder Klebstoffe eingesetzt werden, um eine stoffschlüssige Verbindung von einem ersten Bauteil mit einer ersten Fügefläche und einem zweiten Bauteil mit einer zweiten Fügefläche zu realisieren.
  • Ferner ist aus der DE 10 2007 009 124 B4 ein induktionsgeschütztes Fertigungsverfahren bekannt, wobei ein bandförmiges, eine Faserverstärkung und ein thermoplastisches Harz mit magnetischen Partikel aufweisendes Ausgangsmaterial in einem kontinuierlichen Durchlauf durch Einkoppeln eines magnetischen Wechselfeldes erwärmt wird. Das Dokument beschäftigt sich hierbei mit dem schichtweisen Aufbau eines Formkörpers aus diesem bandförmigen Ausgangsmaterial.
  • Nachteilig an den vorgenannten Fügeverfahren ist, dass diese zum einen sehr zeitaufwändig sind und insbesondere bei einem Schweißverfahren entsprechender zu fügender Kraftfahrzeug-Bauteile es auf der Sichtseite derartiger Bauteile zu sog. Abzeichnungen (insbesondere Einfallstellen) kommt, welche insbesondere nach einem Lackiervorgang entsprechender Sichtseiten zu einem unakzeptablen Erscheinungsbild führen.
  • Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Fügen von Kraftfahrzeug-Bauteilen aus thermoplastischen Werkstoffen anzugeben, welches ein ästhetisch zufriedenstellendes, kostengünstiges und rasches Fügen von Kraftfahrzeug-Bauteilen ermöglicht.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass das erfindungsgemäße Verfahren zum Fügen von Kraftfahrzeug-Bauteilen aus thermoplastischen Kunststoffen mit einem ersten Bauteil mit einer ersten Fügefläche, einem zweiten Bauteil mit einer zweiten Fügefläche, mindestens einem Verbindungszusatz aus einem thermoplastischen Werkstoff, welcher artgleich oder kompatibel zu dem thermoplastischen Werkstoff der Bauteile ist und der magnetische Partikel als Beimengungen aufweist, die folgenden Schritte umfasst:
    • – Anordnen des Verbindungszusatzes auf mindestens einer der beiden Fügeflächen,
    • – Annähern der ersten Fügefläche an die zweite Fügefläche,
    • – Bereitstellen eines magnetischen Wechselfeldes, vorzugsweise eines elektromagnetischen Wechselfeldes, zumindest im Bereich des Verbindungszusatzes,
    • – Überführen des Verbindungszusatzes bis an oder bis in den schmelzflüssigen Zustand durch Einkoppeln einer hinreichenden Anregungsenergie in die magnetischen Partikel mittels des magnetischen Wechselfeldes,
    • – Ausbildung einer Fügezone, vorzugsweise durch Anschmelzen der Fügeflächen, im Bereich des Verbindungszusatzes,
    • – weiteres Annähern und/oder Fixieren der Fügeflächen zueinander,
    • – Abstellen des magnetischen Wechselfeldes,
    • – Abkühlen der Fügezone.
  • Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass der Verbindungszusatz erst bei Anlegen eines magnetischen Wechselfeldes bis an oder bis in den schmelzflüssigen Zustand gebracht wird und somit im Vergleich zu einem aufgetragenen Klebstoff, entsprechende Bauteile wesentlich einfacher gehandhabt werden können und zudem keinerlei Limitierungen bezüglich der Lagerungszeit entsprechender Bauteile zu beachten sind. Durch den gezielten Wärmeeintrag im Bereich der später auszubildenden Fügezone wird zudem erreicht, dass die Gefahr von Abzeichnungen auf der Oberfläche der zu fügenden Kraftfahrzeug-Bauteile minimiert wird.
  • Die magnetischen Partikel können ganz oder teilweise durch superparamagnetische Partikel gebildet werden. Superparamagnetische Partikel sind beispielsweise sogenannte „Single-Domain-Particles“, die im Vergleich zu rein paramagnetischen oder magnetischen Partikeln keine Hystereseverluste bei der Einkopplung des magnetischen Wechselfeldes aufweisen. Andere magnetische Partikel können nanoskalige Partikel mit ferromagnetischen, ferrimagnetischen oder piezoelektrischen Eigenschaften sein.
  • Das Anordnen des Verbindungszusatzes auf mindestens einer der beiden Fügeflächen erfolgt mittels eines Spritzgussverfahrens. Vorzugsweise erfolgt das Anordnen des Verbindungszusatzes auf mindestens einer der beiden Fügeflächen bei der Herstellung eines oder beider Bauteile in einem sog. Zwei- oder Mehrkomponenten-Spritzgussverfahren. Diese Alternative ermöglicht eine besonders kostengünstige Großserienfertigung entsprechender Kraftfahrzeug-Bauteile.
  • Der Verbindungszusatz kann raupenförmig, wellenförmig und/oder sternförmig auf mindestens einer der beiden Fügeflächen angeordnet werden. Insbesondere kann der Verbindungszusatz im Randbereich der Bauteile umlaufend angeordnet werden, wobei ggf. der Verbindungszusatz eine durchgehende Struktur aufweist oder in einzelne Abschnitte unterteilt ist.
  • Vorzugsweise sind die magnetischen Partikel dem thermoplastischen Werkstoff des Verbindungszusatzes in einem Anteil von 0,5 Gew.-% bis 50 Gew.-% beigemengt. Bevorzugt sind die magnetischen Partikel dem thermoplastischen Werkstoff des Verbindungszusatzes in einem Anteil von 3 Gew.-% bis 35 Gew.-% beigemengt.
  • Die Bauteile können insbesondere als ein Spoiler und/oder ein Sensorhalter und/oder eine Stoßfängerverkleidung und/oder ein Trägerteil und/oder eine Kotflügelverkleidung ausgebildet sein. Ein Trägerteil ist insbesondere ein Versteifungsteil, dass mit der Karosserie eines Fahrzeuges verbindbar ist und/oder das die Steifigkeit des mit diesem zu verbindenden Bauteils erhöht.
  • Die Fügeflächen können mittels einer Positioniervorrichtung angenähert und/oder fixiert werden, wobei die Positioniervorrichtung im Wesentlichen aus einem unmagnetischen Werkstoff besteht. Als unmagnetische Werkstoffe eignen sich insbesondere glasfaserverstärkte thermoplastische oder duroplastische Werkstoffe.
  • Vorzugsweise ist zwischen den Fügeflächen mindestens ein Abstandshalter angeordnet, dessen von mindestens einer der Fügeflächen senkrecht gemessene Höhenausdehnung geringer ist als die Höhenausdehnung des Verbindungszusatzes, so dass während und nach dem Fügevorgang ein definierter Spalt zwischen den Fügeflächen realisiert wird. Insbesondere im Hinblick auf die vorgenannten Abzeichnungen auf der sichtbaren Außenoberfläche der Kraftfahrzeug-Bauteile ist es vorteilhaft, einen derartigen Abstandshalter vorzusehen, der ein Durchsacken der Fügezone verhindert. Entsprechend sind die bzw. der Abstandshalter von der sich bildenden Fügezone beabstandet, so dass dieser nicht mit an- bzw. aufgeschmolzen wird bzw. werden. Der oder die Abstandshalter können dabei insbesondere im Randbereich der zu fügenden Kraftfahrzeug-Bauteile angeordnet sein. Bevorzugt ist der mindestens eine Abstandshalter einstückig mit mindestens einem der Bauteile ausgebildet. Insbesondere ist der Abstandshalter einstückig in einem Spritzgussverfahren zusammen mit mindestens einem der Bauteile ausgebildet.
  • Vorzugsweise wird das magnetische Wechselfeld entlang einer Förderstrecke und/oder mittels eines Handlingssystems und/oder mittels der Positioniervorrichtung bereitgestellt. Insbesondere entlang einer Förderstrecke lassen sich großserientechnisch besonders kurze Zykluszeiten und eine hohe Zahl für Fügeoperationen pro Zyklus gewährleisten.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand lediglich Ausführungsbeispiele darstellender Zeichnungen erläutert. Es zeigen schematisch:
  • 1 ein erstes und ein zweites zu fügendes schalenförmiges Bauteil,
  • 2 eine Schnittdarstellung der schalenförmigen Bauteile gemäß 1 innerhalb einer Positioniervorrichtung,
  • 3 eine Schnittdarstellung der miteinander gefügten schalenförmigen Bauteile gemäß 1,
  • 4 eine Schnittdarstellung einer Stoßfängerverkleidung mit einem Sensorhalter,
  • 5 eine Schnittdarstellung eines mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens gefügten Sensorhalters hinter einer Stoßfängerverkleidung.
  • Die 1 zeigt in 1b eine Draufsicht auf ein erstes Bauteil 1 aus einem thermoplastischen Werkstoff mit einer ersten Fügefläche 2 und in 1a eine Draufsicht auf ein zweites Bauteil 3 mit einer zweiten Fügefläche 4. Ferner ist ein Verbindungszusatz 5 aus einem thermoplastischen Werkstoff, welcher artgleich oder kompatibel zu dem thermoplastischen Werkstoff der Bauteile 1 und 3 ist und der magnetische Partikel als Beimengungen aufweist, vorgesehen. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Fügen der beiden Bauteile 1 und 3 aus thermoplastischem Werkstoff umfasst die folgenden Schritte: Anordnen des Verbindungszusatzes 5 auf der Fügefläche 2 des ersten Bauteils 1, Annähern der ersten Fügefläche 2 an die zweite Fügefläche 4, Bereitstellen eines magnetischen Wechselfeldes 6 (hier nicht näher dargestellt), welches in diesem Ausführungsbeispiel durch ein elektromagnetisches Wechselfeld gebildet ist. Durch das Bereitstellen eines magnetischen Wechselfeldes 6, vorzugsweise eine elektromagnetischen Wechselfeldes, zumindest im Bereich des Verbindungszusatzes 5 wird der Verbindungszusatz 5 bis an oder bis in den schmelzflüssigen Zustand durch Einkuppeln einer hinreichenden Anregungsenergie in die magnetischen Partikel mittels des magnetischen Wechselfeldes 6 überführt. Die Schmelze des Verbindungszusatzes 5 führt in Folge zu einer Ausbildung einer Fügezone 7. Dies erfolgt primär durch Anschmelzen der Fügeflächen 2 und 4 im Bereich des Verbindungszusatzes 5 unter Ausbildung einer Fügezone 7. Dies setzt voraus, dass die Schmelzetemperaturen der thermoplastischen Werkstoffe in vergleichbaren Bereichen liegen und deren Kompatibilität, insbesondere im Hinblick auf eine Mischbarkeit, gegeben ist. Alternativ kann es sich gänzlich oder teilweise um einen Heißklebeprozess handeln, wobei der Verbindungszusatz 5 dann als Heißkleber fungiert. Durch ein weiteres Annähern und Fixieren der Fügeflächen 2 und 4 zueinander wird die entsprechende Fügezone 7 weiter ausgebildet. Anschließend erfolgen ein Abstellen des magnetischen Wechselfeldes 6 sowie ein Abkühlen der Fügezone 7. Das Anordnen des Verbindungszusatzes 5 auf der zweiten Fügefläche 4 erfolgt mittels eines Spritzgussverfahrens, insbesondere bereits bei der Herstellung des zweiten Bauteils 3. Der Verbindungszusatz 5 ist raupenförmig auf der zweiten Fügefläche 4 angeordnet. Die magnetischen Partikel sind dem thermoplastischen Werkstoff des Verbindungszusatzes 5 in einem Anteil von 0,5 Gew.-% bis 50 Gew.-% beigemengt. Die Bauteile sind als Ober- und Unterschale eines Spoilers ausgebildet, können jedoch auch als ein Sensorhalter und/oder eine Stoßfängerverkleidung und/oder ein Trägerteil und/oder eine Kotflügelverkleidung ausgebildet sein.
  • Die 2 zeigt, wie die Fügeflächen 2 und 4 mittels einer Positioniervorrichtung 8 angenähert und fixiert werden, wobei die Positioniervorrichtung 8 im Wesentlichen aus einem unmagnetischen Werkstoff besteht. Zwischen den Fügeflächen 2 und 4 ist ein Abstandshalter 9 im Randbereich des zweiten Bauteils 3 angeordnet, dessen von der Fügefläche 4 senkrecht gemessene Höhenausdehnung X geringer ist als die Höhenausdehnung Y des Verbindungszusatzes 5, so dass während oder nach dem Fügevorgang ein definierter Spalt zwischen den Fügeflächen 2 und 4 realisiert wird. Dieser Abstandshalter 9 ist einstückig mit dem zweiten Bauteil 1 ausgebildet. Das magnetische Wechselfeld 6 wird mittels der Positioniervorrichtung 8 bereitgestellt (Feldlinien hier nicht näher dargestellt). Nicht näher dargestellt ist das Öffnen der Positioniervorrichtung 8 nach dem Abstellen des magnetischen Wechselfeldes 6 und dem Abkühlen der Fügezone 7 und die Entnahme der in 3 dargestellten, zusammengefügten Kraftfahrzeug-Bauteile 1 und 3.
  • In 4 ist oberhalb der gestrichelten Symmetrielinie ein erstes Bauteil 1 aus einem thermoplastischen Werkstoff mit einer ersten Fügefläche 2 dargestellt. Bei dem ersten Bauteil 1 handelt es sich um einen Sensorhalter zur Aufnahme eines Radarsensors bzw. einer Kamera. Dieses erste Bauteil 1 soll mittels der ersten Fügefläche 2 an ein zweites Bauteil 3 mit einer zweiten Fügefläche 4 gefügt werden. Bei dem zweiten Bauteil 3 handelt es sich um eine Stoßfängerverkleidung, wobei das erste Bauteil 1 hierbei auf der der Sichtseite der Stoßfängerverkleidung abgewandten Seite angeordnet bzw. gefügt wird. An dem ersten Bauteil 1 ist ein Verbindungszusatz 5 aus einem thermoplastischen Werkstoff, welcher artgleich oder kompatibel zu dem thermoplastischen Werkstoff der Bauteile 1 und 3 ist und der magnetische Partikel als Beimengungen aufweist, angeordnet. Die Anordnung des Verbindungszusatzes 5 erfolgt hierbei auf der Fügefläche 2 des ersten Bauteils 1, wobei selbstredend im Rahmen der Erfindung die Anordnung des Verbindungszusatzes 5 auch auf der Fügefläche 4 des zweiten Bauteils 3 erfolgen kann. In 4 ist unterhalb der gestrichelten Symmetrielinie dargestellt, wie in einem folgenden Schritt die erste Fügefläche 2 an die zweite Fügefläche 4 angenähert wird (gestrichelter Pfeil). Anschließend bzw. zeitgleich erfolgt ein Bereitstellen eines magnetischen Wechselfeldes 6, vorzugweise eines elektromagnetischen Wechselfeldes 6, zumindest im Bereich des Verbindungszusatzes 5. Durch das Einkoppeln einer hinreichenden Anregungsenergie in die magnetischen Partikel mittels des magnetischen Wechselfeldes 6 erfolgt ein Überführen des Verbindungszusatzes 5 bis an oder bis in den schmelzflüssigen Zustand. Selbige Anregungsenergie sorgt dafür, dass ein Anschmelzen der Fügeflächen 2 und 4 im Bereich des Verbindungszusatzes 5 unter Ausbildung einer Fügezone 7 erfolgt. Durch weiteres Annähern und Fixieren der Fügeflächen 2 und 4 zueinander werden entsprechende Fügetoleranzen der beiden Bauteile 1 und 3 zueinander eingestellt. Nach Abstellen des magnetischen Wechselfeldes 6 erfolgt ein Abkühlen der Fügezone 7 sowie ein Entfernen einer der zum Annähern und Fixieren genutzten Positioniervorrichtung 8. Zwischen den Fügeflächen 2 und 4 ist ein Abstandshalter 9 angeordnet, dessen von den Fügeflächen 2 und 4 senkrecht gemessene Höhenausdehnung geringer ist als die Höheausdehnung des Verbindungszusatzes 5, so dass während und nach dem Fügen ein definierten Spalt zwischen den Fügeflächen 2 und 4 realisiert wird. Durch den Abstandshalter kann es so nicht zu einem durchsacken der Fügezone bis auf die Sichtseite der Stoßfängerverkleidung kommen.
  • Die 5 zeigt eine Schnittdarstellung der in 4 gezeigten Anordnung aus Sensorhalter 1 und Stoßfängerverkleidung 3 im gefügten Zustand. Innerhalb des Sensorhalters 1 ist ein Sensor 20 angeordnet, dessen Sensorkopf eine Öffnung innerhalb der Stoßfängerverkleidung 3 durchfasst. Bei dem Sensor 20 kann es sich um einen Radarsensor oder um eine Kamera handeln.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102007009124 B4 [0003]

Claims (10)

  1. Verfahren zum Fügen von Kraftfahrzeug-Bauteilen (1, 3) aus thermoplastischen Werkstoffen mit, – einem ersten Bauteil (1) mit einer ersten Fügefläche (2), – einem zweiten Bauteil (3) mit einer zweiten Fügefläche (4), – mindestens einem Verbindungszusatz (5) aus einem thermoplastischen Werkstoff, welcher artgleich oder kompatibel zu dem thermoplastischen Werkstoff der Bauteile (1, 3) ist und der magnetische Partikel als Beimengungen aufweist, umfassend die folgenden Schritte – Anordnen des Verbindungszusatzes (5) auf mindestens einer der beiden Fügeflächen (2, 4), – Annähern der ersten Fügefläche (2) an die zweite Fügefläche (4), – Bereitstellen eines magnetischen Wechselfeldes (6), vorzugsweise eines elektromagnetischen Wechselfeldes (6), zumindest im Bereich des Verbindungszusatzes (5), – Überführen des Verbindungszusatzes (5) bis an oder bis in den schmelzflüssigen Zustand durch Einkoppeln einer hinreichenden Anregungsenergie in die magnetischen Partikel mittels des magnetischen Wechselfeldes (6), – Ausbildung einer Fügezone (7), vorzugsweise durch Anschmelzen der Fügeflächen (2, 4), im Bereich des Verbindungszusatzes (5), – weiteres Annähern und/oder Fixieren der Fügeflächen (2, 4) zueinander, – Abstellen des magnetischen Wechselfeldes (6), – Abkühlen der Fügezone (7).
  2. Verfahren zum Fügen von Kraftfahrzeug-Bauteilen (1, 3) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, die magnetischen Partikel ganz oder teilweise durch superparamagnetische Partikel gebildet werden.
  3. Verfahren zum Fügen von Kraftfahrzeug-Bauteilen (1, 3) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Anordnen des Verbindungszusatzes (5) mittels eines Spritzgussverfahrens, vorzugsweise bei der Herstellung eines oder beider Bauteile (1, 3) erfolgt.
  4. Verfahren zum Fügen von Kraftfahrzeug-Bauteilen (1, 3) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungszusatz raupenförmig, wellenförmig und/oder sternförmig auf mindestens einer der beiden Fügeflächen (2, 4) angeordnet wird.
  5. Verfahren zum Fügen von Kraftfahrzeug-Bauteilen (1, 3) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetischen Partikel dem thermoplastischen Werkstoff des Verbindungszusatzes (5) in einem Anteil von 0,5 Gewichtsprozent bis 50 Gewichtsprozent beigemengt werden.
  6. Verfahren zum Fügen von Kraftfahrzeug-Bauteilen (1, 3) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile (1, 3) als ein Spoiler und/oder ein Sensorhalter und/oder eine Stoßfängerverkleidung und/oder ein Trägerteil und/oder eine Kotflügelverkleidung ausgebildet sind.
  7. Verfahren zum Fügen von Kraftfahrzeug-Bauteilen (1, 3) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügeflächen (2, 4) mittels einer Positioniervorrichtung (8) angenähert und/oder fixiert werden, wobei die Positioniervorrichtung (8) im Wesentlichen aus einem unmagnetischen Werkstoff besteht.
  8. Verfahren zum Fügen von Kraftfahrzeug-Bauteilen (1, 3) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Fügeflächen (2, 4) mindestens ein Abstandshalter (9) angeordnet wird, dessen von den Fügeflächen (2, 4) senkrecht gemessene Höhenausdehnung (X) geringer ist als die Höheausdehnung (Y) des Verbindungszusatzes (5), so dass während und nach dem Fügen ein definierten Spalt zwischen den Fügeflächen (2, 4) realisiert wird.
  9. Verfahren zum Fügen von Kraftfahrzeug-Bauteilen (1, 3) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandshalter (9) einstückig mit mindestens einem der Bauteile (1, 3) ausgebildet ist.
  10. Verfahren zum Fügen von Kraftfahrzeug-Bauteilen (1, 3) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Wechselfeld (6) entlang einer Förderstrecke und/oder mittels eines Handlingssystems und/oder mittels der Positioniervorrichtung (8) bereitsgestellt wird.
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