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Die Erfindung betrifft eine Verbindungsanordnung zweier Bauteile, insbesondere eines Kraftwagens, wobei ein erstes Bauteil an einem zweiten Bauteil durch wenigstens einen in einem Verbindungsbereich angeordneten Klebstoff gehalten ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Verbinden zweier Bauteile.
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Aus dem Kraftwagenbau ist es bekannt, zwei Bauteile mit einem Zweikomponenten-Klebstoff oder einem Klebstoff auf Silikonbasis aneinander zu befestigen. Ein Zweikomponenten-Klebstoff weist im Vergleich zu einem Einkomponenten-Klebstoff eine größere Vernetzungsgeschwindigkeit auf. Die Vernetzung der Moleküle des Zweikomponenten-Klebstoffs erfolgt also vergleichsweise rasch, und entsprechend härtet der Klebstoff rasch aus. Dies ist häufig gewünscht, um bereits nach kurzer Zeit eine gewisse Festigkeit der Verbindung der beiden Bauteile zu erreichen. Sobald nämlich die Klebeverbindung eine gewisse Festigkeit aufweist, können anderweitige Fixierungen der beiden Bauteile entfernt oder deren Anzahl verringert werden.
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Die Vernetzung der Makromoleküle eines Klebstoffs beginnt meist direkt nach dem Auftrag des Klebstoffs auf das Bauteil. Bei einem Zweikomponenten-Klebstoff erfolgt die Vernetzung meist rein chemisch. Bei Einkomponenten-Klebstoffsystemen ist für die Vernetzung z. B. Luftfeuchtigkeit vonnöten. Das Vernetzen kann bei einem Zweikomponenten-Klebstoff sehr schnell vonstatten gehen, wobei ein Vernetzungsgrad des Klebstoffs immer mehr zunimmt, bis der Klebstoff vollständig vernetzt ist. Die vollständige Vernetzung kann bei Raumtemperatur innerhalb von wenigen Stunden abgeschlossen sein.
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Zusammen mit der zunehmenden Vernetzung des Klebstoffs erfolgt auch die Ausbildung von Adhäsionskräften zwischen dem Klebstoff und dem Bauteil. Dieser Prozess geht jedoch weitaus langsamer vonstatten als die Vernetzung. Zudem kann die Adhäsion durch eine Bewegung der beiden Bauteile relativ zueinander gestört werden. Die Vernetzung oder Aushärtung des Klebstoffs wird hingegen durch Relativbewegungen der beiden Bauteile nur in sehr geringem Maße beeinflusst.
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Bei einer Verbindungsanordnung der eingangs genannten Art kann es zur Ausbildung einer wenig belastbaren Klebeverbindung der beiden Bauteile kommen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Verbindungsanordnung bzw. ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, welche bzw. welches eine besonders belastbare Verbindung der beiden Bauteile miteinander mit sich bringt.
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Diese Aufgabe wird durch eine Verbindungsanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Bei der erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung zweier Bauteile ist ein erstes Bauteil durch wenigstens einen Klebstoff an einem zweiten Bauteil gehalten, wobei der wenigstens eine Klebstoff in einem Verbindungsbereich der beiden Bauteile angeordnet ist. In dem Verbindungsbereich ist eine das jeweilige Bauteil kontaktierende Klebstoffeinheit eines ersten Klebstoffs angeordnet, welcher eine größere Vernetzungsgeschwindigkeit aufweist als ein zweiter Klebstoff einer Klebstoffeinheit, welche zwischen zwei Klebstoffeinheiten des ersten Klebstoffs angeordnet ist. Die größere Vernetzungsgeschwindigkeit des ersten Klebstoffs gegenüber dem zweiten Klebstoff gilt hierbei für jeweils gleiche Umgebungsbedingungen, also etwa für gleichen Druck, gleiche Temperatur und/oder Feuchte. Die aus dem ersten Klebstoff bestehenden Klebstoffeinheiten, welche im Kontakt mit dem jeweiligen Bauteil sind, härten also schneller aus als die aus dem zweiten Klebstoff bestehende Klebstoffeinheit. Der schnell aushärtende Klebstoff sorgt so für eine rasch zur Verfügung stehende Anfangsfestigkeit der Verbindung der beiden Bauteile. Demgegenüber sorgt die zwischen den zwei Klebstoffeinheiten des ersten Klebstoffs angeordnete Klebstoffeinheit des zweiten Klebstoffs dafür, dass die beiden Bauteile noch Relativbewegungen zueinander ausführen können, während die Vernetzung des ersten Klebstoffs voranschreitet.
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Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine häufige Ursache für das Versagen von Klebeverbindungen eine fehlende Adhäsion ist. Aufgrund von Relativbewegungen zweier miteinander verklebter Bauteile kommt es zu einer Beanspruchung der Klebstoffschicht.
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Diese wird belastet und erfährt eine Dehnung. Ist die Vernetzung des Klebstoffs bereits weit fortgeschritten und hat der Klebstoff somit eine gewisse Festigkeit erreicht, so wird die gesamte Beanspruchung an das schwächste Glied der Verbindungsanordnung, nämlich die Phasengrenzfläche zwischen dem Klebstoff und dem Bauteil weitergegeben. Es kann dann aufgrund fehlender Adhäsion zum Versagen oder zu einer Vorschädigung des Verbindungsbereichs kommen, insbesondere wenn die Relativbewegung an der Phasengrenzfläche besonders groß wird.
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Ein Bruch der das jeweilige Bauteil kontaktierenden Klebstoffeinheit oder eine Schädigung der Grenzschicht zwischen dem Bauteil und der dieses kontaktierenden Klebstoffeinheit kann vorliegend verhindert werden, da der zweite, langsamer aushärtende Klebstoff die Relativbewegung der Bauteile über einen vergleichsweise langen Zeitraum hinweg zulässt.
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Die Endfestigkeit der Verbindung wird erst nach dem Aushärten des zweiten Klebstoffs der innen liegenden Klebstoffeinheit erreicht. Zugleich besteht jedoch bereits nach kurzer Zeit eine gute Anfangsfestigkeit der Verbindung, ohne dass Relativbewegungen der beiden Bauteile zu einer Beanspruchung der Phasengrenzfläche zwischen der Klebstoffeinheit des ersten Klebstoffs und dem dieser zugeordneten Bauteil führen. Ein frühzeitiges adhäsives Versagen wird so vermieden. Wenn ein Adhäsionsbruch vermieden wird, kommt es bei einem Versagen der Verbindung zu einem Kohäsionsbruch, also zu einem Bruch innerhalb eines Stoffes. Bei einem solchen kohäsiven Versagen der Verbindung wird die Festigkeit der Verbindung dann oft von der Festigkeit des Klebstoffs bestimmt, welcher üblicherweise das schwächste Glied in der Verbindungsanordnung ist.
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Nach dem Einbringen der beiden Klebstoffe in den Verbindungsbereich werden also Relativbewegungen der Bauteile durch die anfangs noch nicht vollständig ausgehärtete Klebstoffeinheit des zweiten Klebstoffs aufgenommen oder absorbiert. Mit der langsamen Zunahme der Festigkeit des zweiten Klebstoffs steigt auch die Belastbarkeit an den Phasengrenzflächen zwischen den Klebstoffeinheiten des ersten Klebstoffs und dem jeweiligen Bauteil, welches mit dieser Klebstoffeinheit in Kontakt ist.
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in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung hat der erste Klebstoff seine Adhäsion an das jeweilige Bauteil zumindest überwiegend abgeschlossen, bevor der zweite Klebstoff einen Vernetzungsgrad von 100% erreicht hat. Je weiter nämlich die Adhäsion des ersten Klebstoffs an das jeweilige Bauteil vorangeschritten ist, desto unwahrscheinlicher wird ein Versagen der Verbindung aufgrund fehlender Adhäsion. Bevorzugt sind daher die beiden Klebstoffe so beschaffen, dass der erste Klebstoff seine Adhäsion an das jeweilige Bauteil vollständig abgeschlossen hat, bevor der zweite Klebstoff vollständig vernetzt ist.
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Besonders einfach lassen sich unterschiedliche Vernetzungsgeschwindigkeiten der beiden Klebstoffe realisieren, wenn der erste Klebstoff als Zweikomponenten-Klebstoff ausgebildet ist und der zweite Klebstoff als Einkomponenten-Klebstoff.
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Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn zumindest die beiden das korrespondierende Bauteil kontaktierenden Klebstoffeinheiten des ersten Klebstoffs als Klebstoffschichten ausgebildet sind. Durch eine solche, flächige Ausbildung der Klebstoffeinheiten lässt sich eine besonders gute und vergleichsweise rasche Ausbildung von Adhäsionskräften zwischen diesen und den beiden Bauteilen realisieren. Auch die zwischen den beiden Klebstoffschichten des ersten Klebstoffs angeordnete Klebstoffeinheit des zweiten Klebstoffs kann als Klebstoffschicht ausgebildet sein.
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Es können jedoch die beiden Klebstoffeinheiten des ersten Klebstoffs auch als Bereiche einer Klebstoffhülle oder eines Klebstoffmantels ausgebildet sein, welche bzw. welcher die Klebstoffeinheit des zweiten Klebstoffs außenumfangsseitig umschließt. Hierbei ist also innerhalb der Hülle oder des Mantels, welche bzw. welcher aus dem ersten Klebstoff gebildet ist, ein Kern aus dem zweiten Klebstoff angeordnet, welcher langsamer als die Hülle bzw. der Mantel aushärtet. Ein solches, die beiden Klebstoffe umfassendes Klebstoffsystem kann besonders gut dosierbar und einfach in den Verbindungsbereich eingebracht werden. Zudem sorgt das Umschließen des die Klebstoffeinheit des zweiten Klebstoffs nach Art eines Rohres umhüllenden ersten Klebstoffs für einen Schutz des zweiten Klebstoffs, sodass dessen Vernetzung besonders langsam voranschreitet.
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Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn wenigstens ein zwischen den beiden Bauteilen angeordneter Abstandshalter dafür sorgt, dass in dem Verbindungsbereich ein vorbestimmter Abstand eingehalten ist. Dies führt dazu, dass es auch bei einem Verpressen der beiden Bauteile zu keiner unerwünschten Vermischung der beiden Klebstoffe kommt. Als Abstandshalter kann in dem Verbindungsbereich oder Fügespalt eine Distanzhülse oder dergleichen vorgesehen sein.
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Es können auch mehr als zwei Klebstoffe zum Einsatz kommen, wobei bevorzugt eine weitere Klebstoffeinheit eines dritten Klebstoffs, dessen Vernetzungsgeschwindigkeit geringer ist als die des ersten Klebstoffs und größer als die des zweiten Klebstoffs, wobei die weitere Klebstoffeinheit jeweils zwischen den Klebstoffeinheiten des ersten und des zweiten Klebstoffs angeordnet ist. Durch ein solches, mehr als zwei unterschiedliche Klebstoffe umfassendes Klebstoffsystem kann die zunehmende Festigkeit der Verbindung bei zugleich besonders weitgehendem Zulassen von Relativbewegungen der beiden Bauteile besonders gut eingestellt werden.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Verbinden zweier Bauteile wird ein erstes Bauteil mittels wenigstens eines Klebstoffs an einem zweiten Bauteil festgelegt. Hierbei wird in einem Verbindungsbereich der beiden Bauteile auf zumindest einem der beiden Bauteile eine dieses kontaktierende Klebstoffeinheit eines ersten Klebstoffs angeordnet, welcher eine größere Vernetzungsgeschwindigkeit aufweist als ein zweiter Klebstoff. Auf einer Klebstoffeinheit des zweiten Klebstoffs wird hierbei eine weitere Klebstoffeinheit des ersten Klebstoffs angeordnet.
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Die für die erfindungsgemäße Verbindungsanordnung beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für das erfindungsgemäße Verfahren.
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Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
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1 einen Verbindungsbereich zweier Bauteile eines Kraftwagens, wobei in dem Verbindungsbereich zwei unterschiedlich schnell aushärtende Klebstoffe angeordnet sind;
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2 Kurven, welche die mit der Zeit zunehmende Vernetzung der beiden Klebstoffe und die mit der Zeit zunehmende Adhäsion eines der beiden Klebstoffe veranschaulichen; und
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3 eine alternative Ausbildung von Klebstoffeinheiten der beiden Klebstoffe in dem Verbindungsbereich zwischen den beiden Bauteilen.
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Bei einer in 1 gezeigten Verbindungsanordnung 10 ist ein erstes Bauteil 12 eines Kraftwagens durch Verkleben mit einem zweiten Bauteil 14 eines Kraftwagens verbunden. Hierfür sind in einen zwischen den beiden Bauteilen 12, 14 ausgebildeten Verbindungsbereich 16 zwei Klebstoffe eingebracht, welche unterschiedliche Vernetzungsgeschwindigkeiten aufweisen. Dabei kann in der Praxis eine zusätzliche Fixierung der Bauteile 12, 14 zueinander beispielsweise mit Hilfe von Schrauben notwendig sein.
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Eine das erste Bauteil 12 kontaktierende Klebstoffschicht 18 ist aus einem Klebstoff mit einer vergleichsweise großen Vernetzungsgeschwindigkeit gebildet. Die Vernetzung zwischen den Molekülen des Klebstoffs erfolgt also vergleichsweise rasch, und entsprechend härtet der Klebstoff rasch aus. Beispielsweise kann für diese Klebstoffschicht 18 ein Zweikomponenten-Klebstoff beispielsweise auf Silikonbasis verwendet werden. In analoger Weise ist eine das zweite Bauteil 14 kontaktierende Klebstoffschicht 20 ebenfalls aus einem rasch vernetzenden Klebstoff gebildet. Insbesondere kann für die beiden Klebstoffschichten 18, 20 derselbe, schnell aushärtende Klebstoff verwendet werden.
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Zwischen diesen beiden Klebstoffschichten 18, 20 ist eine dritte Klebstoffschicht 22 angeordnet, wobei ein diese Klebstoffschicht 22 bildender zweiter Klebstoff eine geringere Vernetzungsgeschwindigkeit aufweist als der Klebstoff der beiden äußeren Klebstoffschichten 18, 20. Beispielsweise kann die mittlere Klebstoffschicht 22 als Einkomponenten-Klebstoff, als Klebstoff auf Silikonbasis oder als Zweikomponenten-Klebstoff mit geringer Vernetzungsgeschwindigkeit ausgebildet sein.
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Die beiden Klebstoffschichten 18, 20, welche schnell aushärten, sorgen für eine gute Anfangsfestigkeit der Klebeverbindung. Kommt es zu einer Relativbewegung der beiden Bauteile 12, 14, so wird jedoch nicht eine Grenzschicht zwischen dem jeweiligen Bauteil 12, 14 und der an dieses angrenzenden Klebstoffschicht 18, 20 beansprucht. Vielmehr sorgt der langsam aushärtende Klebstoff in der mittleren Klebstoffschicht 22 dafür, dass Relativbewegungen zwischen den Bauteilen 12, 14 möglich sind.
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Eine Belastung der Phasengrenzflächen zwischen den Klebstoffschichten 18, 20 und den Bauteilen 12, 14 aufgrund einer Relativbewegung der Bauteile 12, 14 erfolgt somit erst, wenn auch die Vernetzung des Klebstoffs in der mittleren Klebstoffschicht 22 schon sehr weit vorangeschritten ist. Während dieser langsam vorangehenden Vernetzung der mittleren Klebstoffschicht 22 ist jedoch auch die Adhäsion der Klebstoffschichten 18, 22 an die Bauteile 12, 14 sehr weitgehend oder, wie in 2 gezeigt, vollständig abgeschlossen. Es kann daher eine Vorschädigung der Klebeverbindung durch Beeinträchtigung der Adhäsion der Klebstoffschichten 18, 20 an die Bauteile 12, 14 vermieden werden. Ebenso kann ein Versagen der Klebeverbindung an den Phasengrenzflächen zwischen den Klebstoffschichten 18, 20 und den Bauteilen 12, 14 vermieden werden.
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In 2 ist auf einer ersten Ordinate 24 der Vernetzungsgrad und auf einer Abszisse 26 die Zeit t aufgetragen. Auf einer zweiten Ordinate 28 ist der Adhäsionsgrad der Klebstoffe aufgetragen. Eine Linie 30 gibt einen Vernetzungsgrad bzw. einen Adhäsionsgrad von jeweils 100% an.
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Eine Kurve 32 beschreibt die vergleichsweise schnell vonstatten gehende Vernetzung des Klebstoffs, welcher für die Klebstoffschichten 18, 20 verwendet wird. Diese Vernetzung ist zu einem Zeitpunkt t1 abgeschlossen. Demgegenüber verläuft die Vernetzung des Klebstoffs in der mittleren Klebstoffschicht 22 bedeutend langsamer, wie dies durch eine Kurve 34 in 2 veranschaulicht ist.
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Eine weitere Kurve 36 beschreibt die Adhäsion der Klebstoffschichten 18, 20 an die beiden Bauteile 12, 14. Diese beginnt sehr langsam und geht dann rascher vonstatten, bis sie zu einem Zeitpunkt t2 abgeschlossen ist. Zu diesem Zeitpunkt t2 ist die Vernetzung des Klebstoffs in der mittleren Klebstoffschicht 22 jedoch noch nicht vollständig abgeschlossen, sondern dies ist erst zu einem späteren Zeitpunkt t3 der Fall.
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Durch das langsamere Aushärten des Klebstoffs in der mittleren Klebstoffschicht 22 wird also erreicht, dass die Adhäsion der Klebstoffschichten 18, 20 vollständig abgeschlossen ist, bevor die Moleküle des Klebstoffs in der Klebstoffschicht 22 vollständig vernetzt sind.
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Die Kurven 32, 34, 36 beschreiben das Verhalten eines Zweikomponenten-Klebstoffs, welcher für die Klebstoffschichten 18, 20 verwendet wird, und eines Einkomponenten-Klebstoffs in der Klebstoffschicht 22. Es kann jedoch auch für die Klebstoffschicht 22 ein Zweikomponenten-Klebstoff verwendet werden, welcher eine vergleichsweise geringe Vernetzungsgeschwindigkeit aufweist. Dadurch kann eine besonders gute Verträglichkeit der in den Klebstoffschichten 18, 20, 22 verwendeten Klebstoffe miteinander sichergestellt werden.
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Bei der in 3 gezeigten Verbindungsanordnung 10 kommen als Klebstoffeinheiten keine flächigen Klebstoffschichten zum Einsatz, sondern ein Klebstoffmantel 38 umhüllt einen Klebstoffkern 40. Der Klebstoffmantel 38 umschließt hierbei den Klebstoffkern 40 nach Art eines Rohres. Dieser den Klebstoffkern 40 umgebende Klebstoffmantel 38 ist in dem Verbindungsbereich 16 oder Fügespalt zwischen den beiden Bauteilen 12, 14 angeordnet. Hierbei entsprechen jeweilige Kontaktbereiche 42, 44, in welchen der Klebstoffmantel 38 an den Bauteilen 12, 14 anliegt, den beiden Klebstoffeinheiten des ersten Klebstoffs, zwischen welchen eine Klebstoffeinheit des zweiten Klebstoffs in Form des Klebstoffkerns 40 angeordnet ist.
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Bei der in 3 gezeigten Ausbildung der Verbindungsanordnung 10 weist der Klebstoff des Klebstoffmantels 38 die größere Vernetzungsgeschwindigkeit auf als der für den Klebstoffkern 40 verwendete Klebstoff. Auch hier ist die Adhäsion des den Klebstoffmantel 38 bildenden Klebstoffs bereits sehr weit oder vollständig abgeschlossen, bevor der Klebstoff des langsamer vernetzenden Klebstoffkerns 40 seine Vernetzung abgeschlossen hat. So sorgt der Klebstoffkern 40 dafür, dass Relativbewegungen zwischen den Bauteilen 12, 14 stattfinden können, ohne dass hierbei die Grenzschichten zwischen dem Klebstoffmantel 38 und den Bauteilen 12, 14 beansprucht werden.
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Durch das Verpressen der beiden Bauteile 12, 14 zueinander nach dem Klebstoffauftrag wird aus der in 3 dargestellten, ursprünglich rohrförmigen, zylindrischen Klebstoffraupe ein mehrschichtiger Verbund, wie in 1 gezeigt. Die in 3 dargestellte ovale Form ergibt sich nur für den Grenzfall eines sehr großen Spalts und dient hier eher zur Illustration. Um zu verhindern, dass beim Verpressen der Bauteile 12, 14 eine unerwünschte Vermischung der Klebstoffe stattfindet, können als Abstandshalter Distanzhülsen oder dergleichen in dem Verbindungsbereich 16 vorgesehen sein.
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Es können auch mehr als zwei Klebstoffe, beispielsweise drei Klebstoffe, mit unterschiedlichen Vernetzungsgeschwindigkeiten zum Einsatz kommen. Hierbei ist dann der Klebstoff mit der geringsten Vernetzungsgeschwindigkeit bevorzugt mittig zwischen den beiden Bauteilen 12, 14 angeordnet. Die sich in Richtung der beiden Bauteile 12, 14 anschließenden Klebstoffe weisen dann bevorzugt zunehmend größere Vernetzungsgeschwindigkeiten auf.
