DE102012002099A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Fügen von Kunststoff-Metall-Hybridbauteilen - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Fügen von Kunststoff-Metall-Hybridbauteilen Download PDF

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Dustin Flock
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen von Kunststoff-Metall-Hybridbauteilen, bei dem ein Metallbauteil (3) in einem Aufheizschritt aufgeheizt wird und in einem Fügeschritt ein Kunststoffbauteil (9) mit dem aufgeheizten Metallbauteil (3) in Kontakt gebracht und durch Aufschmelzen im Kontaktbereich mit dem Metallbauteil (3) zusammengefügt wird, wobei das Metallbauteil (3) in dem Aufheizschritt auf eine Temperatur oberhalb einer festgelegten Fügetemperatur aufgeheizt wird, in einem nachfolgenden Abkühlschritt abkühlt, in welchem die Temperatur des Metallbauteils (3) mittels wenigstens einer Temperaturmessvorrichtung erfasst wird und bei Erreichen der festgelegten Fügetemperatur der Fügeschritt ausgeführt wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zum Zusammenfügen eines Metallbauteils (3) und eines Kunststoffbauteils (9) mit wenigstens einer Aufnahme (2) an einem Aufheizort, in welche das Metallbauteil (3) einlegbar ist und mit einem beheizten/beheizbaren Heizstempelelement (4), das mittels eines Aktors (5) zum Zweck der Aufheizung des Metallbauteils (3) in Kontakt mit dem Metallbauteil (3) bringbar ist und mit einer Transfervorrichtung (10), mittels der das über eine vorbestimmte Fügetemperatur aufgeheizte Metallbauteil (3) an einen Fügeort überführbar ist und mit einem am Fügeort angeordneten Fügestempel (7), der mittels eines Aktors (8) angetrieben ist und an/in dem das Kunststoffelement (9) haltbar ist, insbesondere durch Unterdruck und mit einer Temperaturmessvorrichtung, mittels der die Temperatur des Metallbauteils (3) erfassbar ist, insbesondere während des Abkühlens am Fügeort erfassbar ist und mit einer Steuerung, mittels welcher der Aktor (8) des Fügestempels (7) in Abhängigkeit der erfassten Temperatur, insbesondere bei Erreichen/Unterschreiten einer festgelegten Fügetemperatur ansteuerbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen von Kunststoff-Metall-Hybridbauteilen, bei dem ein Metallbauteil in einem Aufheizschritt aufgeheizt wird und in einem Fügeschritt ein Kunststoffbauteil mit dem aufgeheizten Metallbauteil in Kontakt gebracht und durch Aufschmelzen im Kontaktbereich mit dem Metallbauteil zusammengefügt wird.
  • Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zum Zusammenfügen eines Metallbauteils und eines Kunststoffbauteils.
  • Das Fügen von Kunststoffen und Metallen ist im Stand der Technik grundsätzlich bekannt und wird z. B. durchgeführt durch die eingangs genannten Schritte. Dabei ist es bekannt, eine Haltevorrichtung für das Metallbauteil zu heizen und die Wärme durch Wärmeleitung auf das Metallbauteil so lange zu übertragen, bis die gewünschte Temperatur erreicht ist und der Fügeschritt erfolgen kann, wonach die gesamte Haltevorrichtung abkühlt. Aufgrund der insgesamt geheizten Masse und des Heranheizens von unten an die gewünschte Fügetemperatur ist ein solches Verfahren als ungünstig und unpräzise zu bezeichnen, da lange Heiz- und Abkühlzeiten entstehen. Des Weiteren liegt keine verlässliche Information über die tatsächlich erreichte Temperatur des Metallbauteils vor.
  • Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereit zu stellen, mit denen auf einfache Art und Weise präzise Fügungen zwischen Kunststoff- und Metallbauteilen hergestellt werden können und mit denen kurze Prozesszyklen erreichbar sind.
  • Erfindungsgemäß wird dies mit einem Verfahren der grundsätzlich eingangs genannten Art erreicht, bei dem das Metallbauteil in dem Aufheizschritt auf eine Temperatur oberhalb einer festgelegten Fügetemperatur aufgeheizt wird, in einem nachfolgenden Abkühlschritt abkühlt, in welchem die Temperatur des Metallbauteils mittels wenigstens einer Temperaturmessvorrichtung erfasst wird und bei Erreichen der festgelegten Fügetemperatur der Fügeschritt ausgeführt wird.
  • Das Erreichen der festgelegten Fügetemperatur kann in einer Ausführung z. B. dadurch festgestellt werden, dass eine von der Temperaturmessvorrichtung gemessene Temperatur oder eine aus mehreren gemessenen Temperaturen ermittelte Temperatur (z. B. aus mehreren Flächenbereichen, insbesondere der Fügekontur des Metallbauteils gemittelte Temperatur) verglichen wird mit einer in einer Steuerung gespeicherten Fügetemperatur. Insbesondere kann der Fügeschritt ausgelöst werden, wenn die gemessene Temperatur kleiner oder gleich der gespeicherten Fügetemperatur ist oder sich in einem festgelegten Intervall um die Fügetemperatur herum befindet.
  • Ein wesentlicher Aspekt dieses Verfahrens ist es, dass das Metallbauteil im Aufheizschritt quasi überheizt wird, d. h. eine Temperatur erreicht, die über derjenigen Fügetemperatur liegt, die das Metallbauteil zum Zeitpunkt des Fügens haben soll. Dies hat zum einen den Vorteil, dass ein schnellerer Energieeintrag möglich wird, da es nicht mehr nötig ist, die gewünschte Fügetemperatur gezielt von unten zu erreichen. Vielmehr ist es unproblematisch und in vorteilhafter Weise gewünscht, dass das Metallbauteil eine Temperatur oberhalb der gewünschten oder durch die Materialien festgelegten Temperatur erreicht.
  • In dem Überheizen wird zum anderen auch der Vorteil gesehen, dass in dem nachfolgenden Abkühlschritt durch interne Wärmeleitungseffekte im Metallbauteil die eingetragene Energie verteilt wird und an die Umgebung abgegeben wird.
  • Dadurch wird im Metallbauteil zum Zeitpunkt des eigentlichen Fügeschrittes eine wesentlich gleichmäßigere Temperaturverteilung erzielt, insbesondere in einer für die Fügung vorgesehenen Fügekontur.
  • Vorteilhafterweise wird bei der Erfindung nicht wie im Stand der Technik die gesamte Aufnahme für das Metallbauteil zyklisch geheizt und abgekühlt, sondern es kann bevorzugt vorgesehen sein, dass das Metallbauteil aufgeheizt wird mit einem Heizstempelelement, welches mit dem Metallbauteil in Kontakt gebracht wird.
  • Hierbei kann z. B. das Heizstempelelement kontinuierlich beheizt werden, wobei ein Wärmeabfluß dann entsteht, wenn es mit dem Metallbauteil in Kontakt gebracht wird. Die abfließende Energiemenge kann z. B. durch Energiezufuhr, beispielsweise durch Bestromung eines elektrischen Heizelementes im Stempelelement nachgeführt werden.
  • Es kann auch vorgesehen sein, die Masse des Heizstempelelementes derart groß zu wählen, dass während des Aufheizschrittes keine oder nur eine unwesentliche Energienachführung in das Heizstempelelement erfolgen muss. So kann z. B. das Heizstempelelement auch nur dann beheizt werden, wenn es keinen Kontakt zum Metallbauteil hat.
  • Es kann weiterhin vorgesehen sein, den Kontakt zwischen Heizstempelelement und Metallbauteil über eine vorbestimmte Zeitdauer zu erzeugen. Diese Zeitdauer kann empirisch so gewählt sein, dass die Temperatur des Metallbauteils die gewünschte oder festgelegte Fügetemperatur mit Sicherheit um ein vorbestimmtes Maß überschreitet. Diese Zeitdauer kann z. B. gemessen werden ab der Ansteuerung eines Aktors zur Bewegung des Heizstempelelementes auf das Metallbauteil zu. Es kann auch der Zeitpunkt des Kontaktes zwischen Heizstempelelement und Metallbauteil. über Sensoren erfasst werden, z. B. eine Lichtschranke oder Kraft-/Drucksensoren und die Zeitdauer ab diesem Zeitpunkt gemessen werden.
  • Es kann ebenso vorgesehen sein, dass während des Aufheizschrittes die Temperatur des Metallbauteils erfasst wird und der Aufheizvorgang durch Entfernen des Heizstempelelementes beendet wird, wenn die Temperatur des Metallbauteils die festgelegte Fügetemperatur um ein vorbestimmtes Maß überschritten hat. Z. B. kann hierbei die Temperatur des Metallbauteils in einem Bereich erfasst werden, welcher nicht durch das Heizstempelelement überdeckt ist, insbesondere aber unmittelbar daran anschließt.
  • Eine Vorrichtung zur Durchführung dieser Verfahrensschritte kann demnach ein beheiztes Heizstempelelement umfassen, sowie geeignete Aktoren zu dessen Bewegung und/oder Sensoren aufweisen, insbesondere wie es später noch im Detail erläutert wird.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung kann es vorgesehen sein, dass mit dem Heizstempelelement während des Aufheizschrittes auch eine Umformung des Metallbauteils durchgeführt wird. So können zwei Prozessschritte im Zeitintervall des Aufheizens durchgeführt werden, wobei es besonders vorteilhaft ist, dass es sich bei der Umformung um eine Warm-Verformung handelt und deshalb besonders materialschonend ist.
  • Ein Aktor zur Bewegung des Heizstempelelementes ist in diesem Fall geeignet kraftvoll auszuwählen, um nicht nur eine bloße Kontaktierung zum Zweck des Heizens durchführen zu können, sondern auch die Kräfte aufbringen zu können, die für die Umformung eines Metallbauteiles benötigt werden.
  • Die hier beschriebene Ausführung des Aufheizens mittels eines Heizstempelelementes ist lediglich eine bevorzugte Ausführungsvariante, die jedoch das Verfahren nicht beschränkt. Die Beheizung des Metallbauteils über die gewünschte Fügetemperatur hinaus kann auch auf andere Arten erfolgen, z. B. auch kontaktlos, z. B. durch Strahlung, insbesondere Laserstrahlung.
  • Da eine solche Strahlung üblicherweise ein Strahlungsprofil bzw. einen Strahlungsquerschnitt aufweist, der kleiner ist als die Fügekontur, d. h. als ein zu beheizender Flächenbereich des Metallbauteils, in dem das Fügen erfolgen soll, kann es in einer solchen Ausführung auch vorgesehen sein, dass das Strahlungsprofil während des Aufheizschritts aktiv über die zu beheizende Fläche geführt wird, d. h. die Fügekontur sukzessive abfährt, z. B. durch Strahlumlenkung eines Laserstrahls, z. B. eines CO2-Lasers. Eine kontaktlose Beheizung mit Strahlung hat auch den Vorteil, dass die Temperatur des Metallbauteils, die während des Aufheizschrittes erzielt wird, kontaktlos innerhalb der genannten Fügekontur gemessen werden kann, z. B. durch Auswertung der Wärmestrahlung, die das Metallbauteil von der Fügekontur emittiert. Die Beheizung kann so sehr gezielt und genau beendet werden, wenn das Metallbauteil die Fügetemperatur um ein bestimmtes vorgewähltes Maß überschreitet. Eine solche Erfassung der Wärmestrahlung kann z. B. durch ein punktuell messendes Pyrometer oder auch durch eine flächig messende Wärmebildkamera erfolgen.
  • Der Vorgang des Abkühlens des über die gewünschte Fügetemperatur aufgeheizten Metallbauteils erfolgt automatisch ab dem Zeitpunkt, wenn das aktive Beheizen beendet wird, z. B. dadurch, dass ein Heizstempelelement von dem Metallbauteil zurückgezogen wird und außer Kontakt gerät oder eine beheizende Strahlung abgeschaltet wird. Die Kühlung kann sodann durch Konvention und/oder Strahlungsemission erfolgen oder in einer Alternativen auch aktiv unterstützt sein, z. B. durch eine Luft- oder Gasströmung.
  • Der Vorgang des Abkühlens kann in einer möglichen Variante erfolgen am Ort des vorherigen Aufheizens. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass der Aufheizschritt an einem Aufheizort und der Fügeschritt an einem davon verschiedenen Fügeort, insbesondere in einer beide Orte umfassenden Vorrichtung zum Zusammenfügen der Kunststoff- und Metallbauteile erfolgt, wobei das aufgeheizte Metallbauteil nach dem Aufheizschritt automatisch zum Fügeort transportiert wird. Hierfür kann eine Vorrichtung zum Fügen beispielsweise eine Transfervorrichtung oder ein Transferelement umfassen, mit dem das Metallbauteil zum Fügeort transportiert wird, insbesondere zusammen mit der Aufnahme, in der es sich befindet und in der das Aufheizen stattgefunden hat.
  • Beispielsweise können wenigstens zwei Aufnahmen vorgesehen sein, die Metallbauteile aufnehmen können, wobei die wenigstens zwei Aufnahmen zyklisch mittels der Transfervorrichtung, z. B. mittels eines Drehtellers, durch den Aufheizort und den Fügeort gefahren werden. So können das Heizen und Fügen zeitgleich erfolgen.
  • Unabhängig davon ob der Fügeort identisch oder verschieden ist zum Aufheizort kann es vorgesehen sein, dass als Temperaturmessvorrichtung zur Überwachung des Abkühlvorgangs ein Pyrometer oder eine Wärmebildkamera eingesetzt wird. Wie schon zuvor erwähnt, hat diese kontaktlose Überwachung den Vorteil, dass die Temperatur die das Metallbauteil beim Abkühlen erhält in wenigstens einem Bereich des Metallbauteils erfasst werden kann, welcher in einer festgelegten Fügekontur angeordnet ist, innerhalb welcher die Fügung von Metallbauteil und Kunststoffbauteil erfolgen soll. Es wird daher eine sehr genaue Temperaturinformation exakt aus der Stelle erhalten, an der später die Fügung stattfinden soll.
  • Alternativ kann es auch vorgesehen sein, die Temperatur dadurch zu erfassen, dass eine Temperaturmessvorrichtung in Kontakt gebracht wird zur Oberfläche des Metallbauteils, z. B. also ein Temperaturfühler mit einem Aktor an die Oberfläche angestellt wird.
  • Wird bei einer Temperaturüberwachung, z. B. der vorgenannten Arten, festgestellt, dass die Temperatur im überwachten Bereich des Metallbauteils die festgelegte Fügetemperatur erreicht oder unterschreitet oder sich zumindest bis auf einen bestimmten Abstand daran angenähert hat, so kann der Fügestritt ausgeführt werden. Hierfür kann z. B. ein Aktor angesteuert werden, der das zu fügende Kunststoffbauteil bewegt und in Kontakt bringt mit dem Metallbauteil.
  • Eine Vorrichtung zur Durchführung des Fügens kann dafür z. B. einen mit einem Aktor versehenen Fügestempel aufweisen, in/an dem das Kunststoffbauteil gehalten ist. Z. B. durch eine Unterdruckbeaufschlagung. Ein solcher Fügestempel ist bevorzugt an einem vom Aufheizort verschiedenen Fügeort der Vorrichtung angeordnet. Z. B. bei einer Transfervorrichtung, die als Drehteller ausgebildet ist, können Aufheizort und Fügeort um eine Winkeldrehung, insbesondere eine 180-Grad-Winkeldrehung voneinander entfernt sein.
  • Bei der getrennten Anordnung von Aufheizort und Fügeort kann es grundsätzlich vorgesehen sein, dass an einem Fügeort eine Fügung stattfindet, während gleichzeitig am Aufheizort ein nächstes Metallbauteil aufgeheizt wird.
  • Bei allen möglichen Ausführungen der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass im Fügeschritt mit einer ersten Kraft das Kunststoffbauteil und das Metallbauteil zusammengepresst werden und nach Ausbildung eines Schmelzefilms zwischen den Bauteilen, insbesondere nach Ablauf einer vorbestimmten Zeit, mit einer zweiten, größeren Kraft zusammengepresst werden. So wird ein ausgebildeter Schmelzefilm einer bewussten Druck- bzw. Kraftbeaufschlagung unterworfen, was eine besonders innige Verbindung zwischen den Bauteilen schafft, insbesondere wenn diese raue Oberflächen aufweisen, wie z. B. nach einer Sandstrahlung.
  • Die beiden verschiedenen Kräfte können durch einen dafür voreingestellten Aktor zum Bewegen des Fügestempels aufgebracht werden, ohne die Kräfte exakt zu überwachen.
  • In dieser Ausführung, jedoch auch ganz allgemein kann es aber auch vorgesehen sein mittels wenigstens eines Messwertaufnehmers, insbesondere der am Fügestempel angeordnet ist, die Kräfte zu erfassen, die während des Fügens entstehen und einzuregeln, insbesondere mit Bezug auf die vorherigen Ausführung auf die beiden gewünschten Kraftwerte einzuregeln.
  • Es kann besonders auch bei einer aktiven Überwachung der Kräfte mittels wenigstens eines Messwertaufnehmers, jedoch auch ohne jegliche Kraftüberwachung vorgesehen sein, die beiden Bauteile mit einer vorbestimmten Kraftkurve, d. h. einer sich zeitlich ändernden Kraft aufeinander zupressen, z. B. derart, dass die Kraft mit zunehmender Zeit, insbesondere somit auch zunehmender Abkühlung erhöht oder alternativ auch verringert wird.
  • In einerweiteren Ausgestaltung kann es vorgesehen sein, im Fügeschritt, d. h. insbesondere in der zeitliche Dauer, in der ein Fügestempel an das Metallbauteil angestellt ist, mittels eines Kraft- und/oder Drucksensors, insbesondere der an einem Fügestempel angeordnet ist, mit dem das Kunststoffbauteil gehalten und in Kontakt mit dem Metallbauteil gebracht wird, den Zeitpunkt des Kontaktes zwischen dem Kunststoffbauteil und dem Metallbauteil zu erfassen, insbesondere durch Erfassung des Zeitpunktes, in welchem die erfasste Kraft/der erfasste Druck einen vorbestimmten Wert überschreitet. Weitere Prozessschritte können somit ausgehend von diesem festgelegten Zeitpunkt durchgeführt werden.
  • Beispielsweise kann im Fügeschritt nach Feststellung des Kontaktzeitpunktes mittels eines Wegaufnehmers, insbesondere der an einem Fügestempel angeordnet ist, mit dem das Kunststoffbauteil gehalten und in Kontakt mit dem Metallbauteil gebracht wird, der Abschmelzweg des Kunststoffbauteils erfasst werden. Der Abschmelzweg ist dabei der Weg, den das schmelzende Kunststoffbauteil durch Drücken gegen das Metallbauteil auf dieses zu bewegt wird unter Wegpressung des in der Kontaktzone aufschmelzenden Kunststoffmaterials.
  • Es kann so sichergestellt werden, dass der Abschmelzweg durch Entlastung des Fügestempels auf einen vorbestimmten Wert beschränkt wird.
  • In einer Weiterbildung, die bei allen möglichen Ausführungen Anwendung finden kann, kann im Fügeschritt oder nach dem Fügeschritt, das zusammengefügte Kunststoff-Metall-Hybridbauteil aktiv gekühlt werden, z. B. durch einen Luft- oder Gasstrom, ggfs. auch durch eine Flüssigkeitskühlung.
  • Es kann hier vorgesehen sein, dass eine solche aktive Kühlung erst erfolgt, nach Ablauf einer vorbestimmten Zeit, z. B. die ab dem Abheben des Fügestempels gemessen wird, oder nach Erreichen/Unterschreiten einer vorbestimmten Temperatur, insbesondere die aktiv überwacht wird durch die zuvor genannte Temperaturmessvorrichtung oder nach Erreichen/Überschreiten eines vorbestimmten Abschmelzweges, der während des Fügens gemessen wird, z. B. mit einem Inkrementalwertgeber.
  • Eine erfindungsgemäße Vorrichtung, mit der das zuvor beschriebene Verfahren durchgeführt werden kann, umfasst bevorzugt eine Aufnahme an einem Aufheizort, in welche das Metallbauteil einlegbar ist. Eine solche Aufnahme kann z. B. durch ein Material mit geringer Wärmeleitung (geringer als Metall) gebildet werden, z. B. durch PTFE. Weiterhin kann in der Vorrichtung ein beheiztes/beheizbares Heizstempelelement vorgesehen sein, das mittels eines Aktors zum Zweck der Aufheizung des Metallbauteils in Kontakt mit dem Metallbauteil bringbar ist und einer Transfervorrichtung vorgesehen sein, mittels der das über eine vorbestimmte Fügetemperatur aufgeheizte Metallbauteil an einen Fügeort überführbar ist, wobei an dem Fügeort ein Fügestempel angeordnet ist, der mittels eines Aktors angetrieben ist und an/in dem das Kunststoffelement haltbar ist, insbesondere durch Unterdruck und weiterhin eine Temperaturmessvorrichtung vorgesehen ist, mittels der die Temperatur des Metallbauteils erfassbar ist, insbesondere während des Abkühlens am Fügeort erfassbar ist und mit einer Steuerung, mittels welcher der Aktor des Fügestempels in Abhängigkeit der erfassten Temperatur, insbesondere bei Erreichen/Unterschreiten einer festgelegten Fügetemperatur ansteuerbar ist.
  • Zum Zweck einer Qualitätssicherung kann es allgemein bei allen möglichen Ausführungen vorgesehen sein, dass für jedes hergestellte Kunststoff-Metall-Hybridbauteil eine Information über die erreichte Temperatur zum Zeitpunkt des Fügens gespeichert wird, z. B. dadurch, dass das letzte Wärmebild, das zum Auslösen des Fügeschrittes führte abgespeichert wird. Es kann so zur Prüfung der Qualität jederzeit später begutachtet werden. Z. B. kann die gespeicherte Information, insbesondere ein Wärmebild, mit einer Fertigungsnummer des hergestellten Hybridbauteils verknüpft werden.
  • Ein Ausführungsbeispiel wird nachfolgend anhand der 1 bis 3 näher beschrieben.
  • Diese Figuren zeigen in mehreren Ansichten eine Vorrichtung zum Fügen eines Kunststoffbauteils an ein Metallbauteil, welche das erfindungsgemäße Verfahren durchführt.
  • Die Vorrichtung 1 umfasst wenigstens eine Aufnahme 2 zur Aufnahme eines Metallbauteils 3. An einem Aufheizort, der in der 2 links angeordnet ist befindet sich ein Heizstempelelement 4, das beheizt werden kann und mit einem Aktor 5 nach unten auf das Metallbauteil gefahren werden kann. Hier ist das Metallbauteil 3 als Blech dargestellt, es können aber auch komplexere Formen als Metallbauteil eingesetzt werden. Das Heizstempelelement 4 kann mittels Heizpatronen 6 durch Stromfluss beheizt werden, z. B. auf eine Temperatur deutlich höher als die spätere gewünschte Fügetemperatur. Z. B. kann des Heizstempelelement 4 eine Temperatur von ca. 400 Grad Celsius aufweisen.
  • Am Fügeort befindet sich eine baugleiche Aufnahme. Der Fügeort ist hier in der 2 rechts dargestellt und dadurch definiert, dass ein Fügestempel 7 dort angeordnet ist, der mittels eines Aktors 8 nach unten in Richtung zur Aufnahme gefahren werden kann. Am Fügestempel ist durch Unterdruckbeaufschlagung ein Kunststoffbauteil 9 befestigt. Dieses Kunststoffbauteil kann durch den Fügestempel auf das aufgeheizte Metallbauteil 3 gepresst werden.
  • Beide Aktoren 5 und 8 sind hier durch Linearantriebe ausgebildet, welche die jeweiligen Stempel 4 und 7 in vertikaler Richtung verfahren können.
  • Die beiden Aufnahmen 2 sind auf einer gemeinsamen Transfervorrichtung angeordnet, die hier als ein Drehteller 10 ausgebildet ist. Beide Aufnahmen haben hier einen Winkelabstand von 180 Grad. Allgemein können wenigstens zwei Aufnahmen 2 vorgesehen sein, insbesondere die jeweils gleichen Winkelabstand auf einem Drehteller haben.
  • Es kann so in der einen Aufnahme 2 gefügt werden, wobei gleichzeitig in einer anderen Aufnahme 2 geheizt wird. Durch Drehung des Drehtellers mittels eines Antriebs 11 um eine Drehachse 12 können die beiden Aufnahmen zwischen Aufheizort und Fügeort hin- und hergefahren werden.
  • Die beiden Linearantriebe 5 und 8 sind säulenartig nebeneinander in einem Winkelabstand von hier ebenfalls 180 Grad um die Drehachse 12 herum angeordnet. Allgemein kann der Winkelabstand der Linearantriebe demjenigen der Aufnahmen 2 entsprechen. Die Bewegung der beiden Stempel 4 und 7 erfolgt durch diese Antriebe zwischen zwei Platten 13 und 14, die durch Säulen 15 in einem Abstand verbunden sind. Die Motoren der Linearantriebe, sowie des Drehantriebs 11 können an der oberen Platte 14 befestigt sein.
  • Das Verfahren erfolgt derart, dass am Aufheizort (links in der 2) das Heizstempelelement 4 in Kontakt gebracht wird mit dem Metallbauteil 3, wodurch dieses aufgeheizt wird auf eine Temperatur größer als die gewünschte oder festgelegte Fügetemperatur von hier z. B. 260 Grad für beispielsweise Polyamid. Z. B. kann die Aufheizung auf 330 Grad Celsius erfolgen. Durch Messung der Temperatur oder durch Zeitablauf wird das Ende des Aufheizschrittes festgelegt und das Heizstempelelement angehoben sowie das Metallbauteil durch Drehung des Drehtellers zum Fügeort (rechts in der 2) überführt.
  • Durch eine hier nicht gezeigte Temperaturmessvorrichtung (z. B. Pyrometer oder Wärmebildkamera) wird beim Abkühlen die Temperatur des Metallbauteils erfasst und mit der gewünschten Fügetemperatur verglichen. Erreicht die aktuelle Temperatur die gewünschte Fügetemperatur, so wird der Fügevorgang eingeleitet, bei dem das mit dem Fügestempel 7 gehaltene Kunststoffbauteil 9, hier z. B. eine Platte aus Polyamid, an das Metallbauteil 3 angepresst wird. Das Kunststoffbauteil 9 schmilz auf und verbindet sich in der Schmelzzone mit dem Metallbauteil 3, wodurch das Hybridbauteil gefügt ist.
  • Es kann sodann der Fügestempel 7 abgehoben werden nach vorheriger Freigabe des Kunststoffbauteils 9. Das hergestellte Hybridbauteil kann sodann weiter abkühlen, z. B. passiv oder durch aktive Unterstützung mittels eines Luftstromes und sodann nach ausreichender Abkühlung aus der Aufnahme 2 entfernt werden, wonach die leere Aufnahme 2 an die Aufheizposition zurückgefahren wird und das zwischenzeitlich aufgeheizte neue Metallbauteil an die Fügeposition gefahren wird.

Claims (9)

  1. Verfahren zum Fügen von Kunststoff-Metall-Hybridbauteilen, bei dem ein Metallbauteil (3) in einem Aufheizschritt aufgeheizt wird und in einem Fügeschritt ein Kunststoffbauteil (9) mit dem aufgeheizten Metallbauteil (3) in Kontakt gebracht und durch Aufschmelzen im Kontaktbereich mit dem Metallbauteil (3) zusammengefügt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallbauteil (3) in dem Aufheizschritt auf eine Temperatur oberhalb einer festgelegten Fügetemperatur aufgeheizt wird, in einem nachfolgenden Abkühlschritt abkühlt, in welchem die Temperatur des Metallbauteils (3) mittels wenigstens einer Temperaturmessvorrichtung erfasst wird und bei Erreichen der festgelegten Fügetemperatur der Fügeschritt ausgeführt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallbauteil (3) aufgeheizt wird mit einem Heizstempelelement (4), welches mit dem Metallbauteil (3) in Kontakt gebracht wird, insbesondere wobei die Aufheizung über eine vorbestimmte Zeitdauer erfolgt oder die Temperatur des Metallbauteils (3) erfasst wird und der Aufheizvorgang durch Entfernen des Heizstempelelementes (4) beendet wird, wenn die Temperatur des Metallbauteils (3) die festgelegte Fügetemperatur um ein vorbestimmtes Maß überschritten hat.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Heizstempelelement (4) während des Aufheizschrittes eine Umformung des Metallbauteils (3) durchgeführt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Temperaturmessvorrichtung ein Pyrometer oder eine Wärmebildkamera eingesetzt wird, insbesondere wobei die Temperatur in wenigstens einem Bereich des Metallbauteils (3) erfasst wird, welcher in einer festgelegten Fügekontur angeordnet ist, innerhalb welcher das Fügen von Metallbauteil (3) und Kunststoffbauteil (9) erfolgen soll, 5, Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Fügeschritt mit einer ersten Kraft das Kunststoffbauteil (9) und das Metallbauteil (3) zusammengepresst werden und nach Ausbildung eines Schmelzefilms zwischen den Bauteilen (3, 9), insbesondere nach Ablauf einer vorbestimmten Zeit, mit einer zweiten, größeren Kraft zusammengepresst werden.
  5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Fügeschritt mittels eines Kraft- und/oder Drucksensors, insbesondere der an einem Fügestempel (7) angeordnet ist, mit dem das Kunststoffbauteil (9) gehalten und in Kontakt mit dem Metallbauteil (3) gebracht wird, der Kontaktzeitpunkt zwischen dem Kunststoffbauteil (9) und dem Metallbauteil (3) erfasst wird, insbesondere durch Erfassung des Zeitpunktes, in welchem die erfasste Kraft/der erfasste Druck einen vorbestimmten Wert überschreitet.
  6. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Fügeschritt nach Feststellung des Kontaktzeitpunktes mittels eines Wegaufnehmers, insbesondere der an einem Fügestempel (7) angeordnet ist, mit dem das Kunststoffbauteil (9) gehalten und in Kontakt mit dem Metallbauteil (3) gebracht wird, der Abschmelzweg des Kunststoffbauteils (9) erfasst wird, insbesondere wobei der Abschmelzweg durch Entlastung des Fügestempels (7) auf einen vorbestimmten Wert beschränkt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Fügeschritt oder nach dem Fügeschritt, das zusammengefügte Kunststoff-Metall-Hybridbauteil aktiv gekühlt wird, insbesondere wobei das Kühlen erst erfolgt, nach a. Ablauf einer vorbestimmten Zeit oder b nach Erreichen/Unterschreiten einer vorbestimmten Temperatur oder c. nach Erreichen/Überschreiten eines vorbestimmten Abschmelzweges.
  8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufheizschritt an einem Aufheizort und der Fügeschritt an einem davon verschiedenen Fügeort, insbesondere in einer beide Orte umfassenden Vorrichtung zum Zusammenfügen der Kunststoff- und Metallbauteilen erfolgt, wobei das aufgeheizte Metallbauteil (3) nach dem Aufheizschritt automatisch zum Fügeort transportiert wird.
  9. Vorrichtung zum Zusammenfügen eines Metallbauteils (3) und eines Kunststoffbauteils (9), insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche, mit a. wenigstens einer Aufnahme (2) an einem Aufheizort, in welche das Metallbauteil (3) einlegbar ist und b mit einem beheizten/beheizbaren Heizstempelelement (4), das mittels eines Aktors (5) zum Zweck der Aufheizung des Metallbauteils (3) in Kontakt mit dem Metallbauteil (3) bringbar ist und c. mit einer Transfervorrichtung (10), mittels der das über eine vorbestimmte Fügetemperatur aufgeheizte Metallbauteil (3) an einen Fügeort überführbar ist und d. mit einem am Fügeort angeordneten Fügestempel (7), der mittels eines Aktors (8) angetrieben ist und an/in dem das Kunststoffelement (9) haltbar ist, insbesondere durch Unterdruck und e. mit einer Temperaturmessvorrichtung, mittels der die Temperatur des Metallbauteils (3) erfassbar ist, insbesondere während des Abkühlens am Fügeort erfassbar ist und f. mit einer Steuerung, mittels welcher der Aktor (8) des Fügestempels (7) in Abhängigkeit der erfassten Temperatur, insbesondere bei Erreichen/Unterschreiten einer festgelegten Fügetemperatur ansteuerbar ist.
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