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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Befestigen eines ersten Werkstückes an ein zweites Werkstück durch eine Klebverbindung, wobei zumindest eines der Werkstücke eine rauhe Oberfläche aufweist.
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Das Kleben mit reaktiven Klebstoffen zum Verbinden von zwei Werkstücken ist allgemein bekannt. Allerdings ist ein Werkstückverbund, der durch eine Klebverbindung hergestellt ist, häufig nicht unmittelbar zur Weiterverarbeitung händelbar, sondern erst nach Ablauf einer bestimmten Durchhärtezeit des Klebstoffs. Das heißt, ein zusammengeklebter Werkstückverbund muss eine bestimmte Mindestfestigkeit, die sogenannte Handlingsfestigkeit, erlangen, um weiterverarbeitet werden zu können. Diese Handlingsfestigkeit beträgt meist nur 20-30% der Endfestigkeit der Klebverbindung des Werkstückverbundes. Eine sofortige Handlingsfestigkeit des geklebten Werkstückverbundes kann nur über ein zweites Fügeverfahren, wie ein Punktschweißverfahren, ein Nietverfahren, ein Dual Lock-Druckverschluss oder über Klebebänder oder Clipse, sichergestellt werden. Allerdings sind diese weiteren Fügeverfahren zeit- und kostenintensiv.
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Eine lokale Beschleunigung der Klebstoffaushärtung durch eine lokale Wärmeeinbringung in den Verbindungsbereich nach dem Aneinanderfügen der Werkstücke zur Vermeidung eines zweiten Fügeverfahrens ist ebenfalls bekannt. Beim Einsatz von rauhen Werkstückoberflächen, wobei die Rauhigkeit beispielsweise durch ein abrasives Abtragen von Trennmitteln an der Werkstückoberfläche bedingt sein kann, werden jedoch in Oberflächentälern der Werkstücke Luftpolster zwischen der Klebstoffschicht und den Werkstücken eingeschlossen. Wird der frisch gefügte Werkstückverbund zur Beschleunigung der Klebstoffaushärtung anschließend aufgeheizt, dehnt sich die eingeschlossene Luft in dem noch nicht ausgehärteten Klebstoff aus, so dass in der Grenzfläche zwischen Klebstoffschicht und den Werkstückoberflächen eine schaumartige Struktur entsteht. Diese schaumartige Struktur zeigt gegenüber einer ungestört ausgehärteten Klebverbindung deutlich verminderte Festigkeiten.
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Die Druckschrift
US 2011 / 0 174 438 A1 offenbart ein Verfahren zum Verbinden von zwei Oberflächen.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile beim Befestigen eines ersten Werkstückes an ein zweites Werkstück durch eine Klebverbindung zumindest teilweise zu vermeiden. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Befestigen eines ersten Werkstückes an ein zweites Werkstück durch eine Klebverbindung bereitzustellen, das eine sichere, schnelle und mit einer hohen Festigkeit versehene Verbindung der beiden Werkstücke ermöglicht.
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Voranstehende Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Befestigen eines ersten Werkstückes an ein zweites Werkstück durch eine Klebverbindung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
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Das heißt, die Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Befestigen eines ersten Werkstückes an ein zweites Werkstück durch eine Klebverbindung, wobei zumindest eines der Werkstücke eine rauhe Oberfläche aufweist, gelöst, das durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet ist:
- - auf die beiden Werkstücke wird im Bereich der Klebverbindung jeweils ein Aktivator aufgebracht,
- - auf das erste Werkstück wird im Bereich der Klebverbindung auf den Aktivator ein Klebstoff, insbesondere ein reaktiver Klebstoff, aufgebracht,
- - das zweite Werkstück wird vor dem Fügen zumindest im Teilbereich der Klebverbindung auf eine Temperatur von größer 50°C erwärmt,
- - die beiden Werkstücke werden aneinandergefügt.
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Auf die Werkstücke, können auch als Bauteile bezeichnet werden, wird zunächst zumindest im Bereich der Klebverbindung, das heißt der zu erzeugenden Klebverbindung, ein Aktivator aufgetragen. Der Aktivator dient zur erhöhten Beschleunigung des Adhäsionsaufbaus und der Aushärtung eines auf den Aktivator aufgebrachten Klebstoffs. Aktivatoren werden daher auch als Aushärtungsbeschleuniger, bezeichnet. Es können unterschiedliche Aktivatoren eingesetzt werden. Insbesondere können Aktivatoren eingesetzt werden, die die Aushärtung eines aufgebrachten Klebstoffs möglichst schnell beschleunigen. Nach dem Aufbringen des Aktivators auf die Werkstücke, wird auf das erste Werkstück im Bereich der Klebverbindung ein Klebstoff, insbesondere ein reaktiver Klebstoff, aufgebracht. Das heißt, der Klebstoff wird auf den Aktivator des ersten Werkstückes aufgebracht.
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Vorteilhafterweise wird ein reaktiver Klebstoff auf das erste Werkstück im Bereich der Klebverbindung aufgebracht. Reaktive Klebstoffe sind im Anwendungszustand flüssig bis pastös und erreichen den festen Endzustand durch eine chemische Reaktion, an der mindestens zwei Reaktionspartner beteiligt sind. Reaktive Klebstoffe können 2-Komponenten- Klebstoffe oder 1-Komponenten-Klebstoffe sein. Bei 2-Komponenten-Klebstoffen werden zwei Komponenten unmittelbar vor der Auftragung auf die Werkstücke in einem bestimmten Mischungsverhältnis vermischt. Bei 1-Komponenten-Klebstoffen ist neben einer Klebstoff-Komponente die zweite Komponente entweder „verkappt“ in der ersten Klebstoff-Komponente enthalten und reagiert nur unter bestimmten Bedingungen, wie unter Zufuhr von Wärme oder Feuchtigkeit, oder die zweite Klebstoff-Komponente ist Wasser, das aus den zusammengefügten Werkstücken oder der Umgebungsluft in die Klebefuge hineindiffundiert und dann die Durchhärtung des Klebstoffes bewirkt.
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Nach oder bevorzugt parallel zu dem Auftrag des Klebstoffs auf das erste Werkstück wird das zweite Werkstück zumindest in Teilbereichen der Klebverbindung auf eine Temperatur erwärmt, die deutlich über der normalen Raumtemperatur von ca. 20°C liegt. Insbesondere wird das zweite Werkstück zumindest in Teilbereichen der Klebverbindung auf eine Temperatur von 50°C oder mehr Grad Celsius erwärmt. Vorteilhafterweise wird das zweite Werkstück nur lokal in dem Bereich erwärmt, wo der Aktivator aufgebracht ist. Hierdurch kann die Aufwärmung schnell und kostengünstig erfolgen.
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Nach dem Aufbringen des Klebstoffs auf das erste Werkstück und dem Erwärmen des zweiten Werkstücks werden beide Werkstücke zur Herstellung der Klebverbindung aneinandergefügt. Nach dem Aneinanderfügen stellt sich eine Grenzflächentemperatur im Bereich der Klebverbindung ein, die deutlich höher als die Raumtemperatur ist, wobei von einer Raumtemperatur von ±20°C ausgegangen wird.
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Die Werkstücke sind vorteilhafterweise zumindest im Bereich der Klebverbindung eben ausbildet, wobei ein Werkstück oder auch beide Werkstücke eine rauhe Oberfläche aufweisen. Als rauhe Oberfläche wird im Sinne der Erfindung insbesondere eine Oberfläche verstanden, die eine Rautiefe Rz>10µm aufweisen.
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Durch ein derartiges Verfahren kann vermieden werden, dass in der Grenzfläche zwischen Klebstoffschicht und den Werkstückoberflächen eine schaumartige Struktur entsteht. Insbesondere wird durch ein derartiges Verfahren eine sichere und schnelle Verbindung zweier Werkstücke ermöglicht. Die entstehende Klebverbindung weist schnell eine Handlingsfestigkeit auf.
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Durch den Auftrag eines Aktivators auf die beiden Werkstücke wird die chemische Reaktion des anschließend aufgebrachten Klebstoffs an der Grenzfläche zum ersten Werkstück stark beschleunigt. Dadurch, dass das zweite Werkstück, auf das der Klebstoff nicht aufgetragen wird, vor dem Fügen lokal erwärmt beziehungsweise vorgeheizt wird, stellt sich beim abschließenden Aneinanderfügen der Werkstücke in der Klebschicht eine Übergangstemperatur deutlich über Raumtemperatur ein. Diese Temperatur in Verbindung mit dem Aktivator führt zu einer sehr schnellen Reaktion des Klebstoffs an der Grenzfläche, so dass nach wenigen Sekunden Beharrung bei dieser Übergangstemperatur der Klebstoff an der Grenzfläche eine hohe Festigkeit aufbaut.
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Durch das Verfahren kann eine deutliche Reduzierung der zur Sicherstellung der Handlingsfestigkeit zweier geklebter Werkstücke erforderlichen Prozesszeit unter Vermeidung eines zweiten Fügeverfahrens erlangt werden. Insbesondere kann eine Vorschädigung der Klebverbindung verhindert werden.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung kann bei einem Verfahren vorgesehen sein, dass nach Ablauf einer Zeitspanne von 10 bis 20sek, insbesondere von ca. 15sek., nach dem Aneinanderfügen der Werkstücke der Werkstückverbund zur Anhärtung der Klebverbindung auf eine Temperatur von 100°C oder mehr, insbesondere auf eine Temperatur zwischen 100°C und 200°C, erhitzt wird. Der Klebstoff wird bei diesem Prozess nur auf ca15% der Endfestigkeit ausgehärtet. Hierdurch wird die Handlingsfestigkeit, aber noch nicht die Endfestigkeit erreicht. Die Endfestigkeit des Klebstoff und damit der Klebverbindung entsteht durch die weitere Härtung bei Raumtemperatur.
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Insbesondere kann durch ein derartiges erfindungsgemäßes Verfahren verhindert werden, dass beim abschließenden Erhitzen des Werkstückverbundes in Oberflächentälern der Werkstücke eingeschlossene Luftpolster in die Grenzfläche der Klebstoffschicht expandieren. Das heißt, bei der abschließenden Durchhärtung der Klebschicht aufgrund einer Erhitzung des Werkstückverbundes kann eingeschlossene Luft nicht mehr in den Klebstoff eindringen, so dass eine sehr gute und schnelle Festigkeit der Klebverbindung und damit eine schnelle Handlingsfestigkeit des Werkstückverbundes erhalten wird. Insbesondere kann eine Vorschädigung der Klebverbindung im Bereich der Erwärmungsstellen durch das Verfahren vermieden werden.
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Es kann von Vorteil sein, wenn bei einem Verfahren, die beiden Werkstücke weniger als 10 Minuten, insbesondere weniger als 5 Minuten zum Erreichen der Handlingsfestigkeit erhitzt werden.
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Ferner kann bei einem Verfahren vorgesehen sein, dass das Werkstück mit der rauhen Oberfläche das zweite Werkstück ist. Hierdurch ist sichergestellt, dass das Werkstück mit der rauhen Oberfläche erhitzt wird und dadurch sich bei dem Aneinanderfügen der Werkstücke in der Klebschicht im Bereich zwischen dem Klebstoff und der erhitzen rauhen Oberfläche des zweiten Werkstücks eine Übergangstemperatur deutlich über Raumtemperatur einstellt. Das heißt, die erhöhte Temperatur an der rauhen Oberfläche in Verbindung mit dem Aktivator führt zu einer sehr schnellen Reaktion des Klebstoffs an der Grenzfläche, so dass nach wenigen Sekunden Beharrung bei dieser Übergangstemperatur der Klebstoff an der Grenzfläche eine hohe Festigkeit ohne die Erzeugung von Luftpolstern aufbaut.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung kann bei einem Verfahren vorgesehen sein, dass beide Werkstücke aus Kunststoff und/oder aus einem Mischbau, aufweisend Kunststoff und Metall, ausgebildet sind. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass beide Werkstücke aus einem Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoff, insbesondere aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff, ausgebildet sind. Es hat sich herausgestellt, dass sich Werkstücke aus Kunststoff, insbesondere aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff, durch ein erfindungsgemäßes Verfahren besonders schnell, unter einer hohen Festigkeit, sicher verbinden.
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Werden Werkstücke aus Kunststoff, insbesondere aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff, zumindest im Bereich der Klebverbindung auf eine Temperatur von 50°C oder mehr erwärmt, so verfestigt sich die Grenzfläche zwischen den Werkstücken und dem Klebstoff besonders schnell. Besonders bevorzugt ist ein Verfahren, bei dem die Werkstücke mit einer Epoxidharzmatrix ausgebildet sind. Der verwendete Klebstoff ist vorzugsweise entsprechend ein Epoxidharz-Klebstoff oder Polyurethan-Klebstoff. Derartige Klebstoffe sind flüssig bis pastös und lösemittel- beziehungsweise wasserfrei. Ein einziger Auftrag auf das erste Werkstück ist bei der Verwendung derartiger Klebstoffe ausreichend, um eine schnelle Verfestigung der Klebverbindung zu schaffen. Derartige Klebstoffe können sofort nach dem Klebstoffauftrag gefügt werden. Durch die Erhitzung des gefügten Verbundes, insbesondere auf eine Temperatur zwischen 100°C und 200°C, kann in Verbindung mit dem aufgebrachten Aktivator die Durchhärtezeit des Klebstoffs und damit der Klebverbindung deutlich reduziert werden. Insbesondere kann bei Werkstücken aus Kunststoff, insbesondere aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff, durch eine Aufheizung des gefügten Verbundes im Bereich der Klebverbindung eine deutlich schnellere, insbesondere 4 bis 5-mal schnellere, Durchhärtezeit erreicht werden, als bei bekannten Verfahren.
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Ein durch ein erfindungsgemäßes Verfahren hergestellter Werkstückverbund wird nachfolgend anhand der Figur näher erläutert. Es zeigt schematisch:
- 1 ein durch ein erfindungsgemäßes Verfahren hergestellter Werkstückverbund im Bereich der Klebeverbindung zwischen den beiden Werkstücken des Werkstückverbundes.
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In 1 ist ein durch ein erfindungsgemäßes Verfahren hergestellter Werkstückverbund im Bereich der Klebeverbindung 5 zwischen dem ersten Werkstück 1 und dem zweiten Werkstück 2 dargestellt. An der Oberfläche der beiden Werkstücke 1, 2 ist jeweils ein Aktivator 3 aufgebracht. Zwischen den aufgebrachten Aktivatorschichten ist ein Klebstoff 4 ausgebildet.
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Der dargestellte Werkstückverbund ist folgendermaßen hergestellt worden. Auf beide Werkstücke 1, 2 ist zunächst im Bereich 5 der zu erzeugenden Klebverbindung jeweils ein Aktivator 3 aufgebracht worden. Anschließend ist auf das erste Werkstück 1 im Bereich 5 der Klebverbindung auf den Aktivator 3 ein Klebstoff 4, insbesondere ein reaktiver Klebstoff, aufgebracht worden. Parallel dazu oder anschließend ist das zweite Werkstück 2 im Bereich 5 der Klebverbindung auf eine Temperatur von 50°C oder mehr erwärmt worden. Danach sind die beiden Werkstücke 1, 2 aneinandergefügt worden. Dabei hatte sich eine Grenzflächentemperatur zwischen dem erwärmten zweiten Werkstück 2 und dem Klebstoff 4 eingestellt, die deutlich höher war, als die Raumtemperatur von ca. 20°C. Der Verbund verharrte ca. 10 bis 20sek, bevor die aneinandergefügten Werkstücke 1, 2 zur Durchhärtung des Klebstoffs 4 beziehungsweise der Klebverbindung auf eine Temperatur von 100°C oder mehr, insbesondere auf eine Temperatur zwischen 100°C und 200°C, über eine bestimmte Zeitspanne erhitzt worden sind. Die Zeitspanne des Erhitzens betrug verzugsweise weniger als 10 min.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erstes Werkstück
- 2
- zweites Werkstück
- 3
- Aktivator
- 4
- Klebstoff
- 5
- Bereich der Klebeverbindung
