DE102012009382A1

DE102012009382A1 - Mikrowellensender und Verfahren zum Betreiben eines Mikrowellensenders

Info

Publication number: DE102012009382A1
Application number: DE201210009382
Authority: DE
Inventors: Rudolf Emmerich; Reiner Jost; Matthias Schwierz
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Daimler AG
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2012-05-11
Filing date: 2012-05-11
Publication date: 2013-11-14
Also published as: WO2013167218A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Mikrowellensender (10) mit einer Erzeugungseinrichtung (12) zum Erzeugen von Mikrowellen und mit einem Hohlleiter (14) oder Koaxialkabel zum Weiterleiten der Mikrowellen. An dem Hohlleiter (14) bzw. Koaxialkabel ist eine Auslasseinrichtung (18) angeordnet, über welche die Mikrowellen zum Erwärmen einer zwischen einander zugewandten Oberflächen eines ersten Bauteils und eines zweiten Bauteils angeordneten Klebstoffschicht abgebbar sind. Hierbei weist die Auslassöffnung (20) der Auslasseinrichtung (18) eine Breite (B) auf, welche größer ist als eine Höhe (H1) der Auslassöffnung (20). Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Mikrowellensenders (10).

Description

Die Erfindung betrifft einen Mikrowellensender mit einer Erzeugungseinrichtung zum Erzeugen von Mikrowellen und mit einem Hohlleiter oder einem Koaxialkabel zum Weiterleiten der Mikrowellen. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Mikrowellensenders.
Im Fahrzeugbau, insbesondere im Fahrzeugrohbau, werden unterschiedliche Fügeverfahren verwendet, um (Struktur-)Bauteile miteinander zu verbinden. Während zum Fügen von metallischen Bauteilen Schweißverfahren wie das Punktschweißen zum Einsatz kommen, versagen diese gängigen Verfahren beim Verbinden von Bauteilen aus faserverstärkten Kunststoffen miteinander. Auch Fügeverfahren, bei welchen Nieten oder – etwa beim Anwenden der Rivtac^®-Technologie – Bolzen verwendet werden, bereiten beim Verbinden von Bauteilen aus kohlefaserverstärkten Kunststoffen Probleme, da es zu Kontaktkorrosion kommen kann. Gleichwohl sind diese Fügeverfahren zum Verbinden von Bauteilen aus faserverstärktem Kunststoff mit nicht-leitenden Fasern einsetzbar.
Zum Fügen von Bauteilen aus kohlefaserverstärktem Kunststoff (CFK) mit weiteren CFK-Bauteilen oder metallischen Bauteilen kommen daher vorzugsweise Klebeverbindungen zum Einsatz. Das Aushärten des Klebstoffs dauert jedoch eine gewisse Zeit. Um sicherzustellen, dass die miteinander zu verbindenden Bauteile während des Aushärtens des Klebstoffs nicht verrutschen, werden die Bauteile während des Aushärtens fixiert. Dies kann beispielsweise durch mechanische Spannvorrichtungen bewerkstelligt werden.
Werden im Fahrzeugbau Klebstoffe für Strukturverklebungen eingesetzt, so wird üblicherweise eine verhältnismäßig lange Zeit vorgesehen, während welcher der Klebstoff fließfähig ist, damit zwischen zwei aufeinander folgenden Vorgängen des Auftragens von Klebstoff dieser nicht im Auftragsrohr aushärtet und dadurch das Auftragsrohr verstopft. Üblicherweise wird also eine so genannte „Offene Zeit” des Klebstoffs von etwa 15 Minuten angestrebt, innerhalb der der Klebstoff aufgetragen und die Fügepartner spätestens zusammengefügt werden müssen, um eine ausreichende Benetzung sicherzustellen. – Andererseits ist es wünschenswert, dass der Klebstoff vergleichsweise rasch aushärtet, sobald die Bauteile gefügt sind, denn dann kann eine durch Verkleben von wenigstens zwei Bauteilen hergestellte Baugruppe rasch und ohne zusätzliche Fixiervorrichtungen transportiert oder weiter bearbeitet werden.
Die DE 10 2007 000 862 A1 beschreibt ein Verfahren zum Verbinden eines Halters mit einem Flugzeugbauteil, welches aus einem Faserverbundkunststoff gebildet ist. Hierbei ist zwischen dem Halter und dem aus dem Faserverbundkunststoff bestehenden Bauteil ein durch Wärme aktivierbares Klebematerial angeordnet. Der Klebstoff wird mithilfe von Induktionswärme aktiviert, indem ein Induktor in einem metallischen Netz Ströme und damit Wärme erzeugt. Das metallische Netz kann hierbei in dem Verbindungsbereich angeordnet sein oder in dem Halter oder in dem Bauteil aus dem Faserverbundkunststoff.
Das Einbringen der Wärme in den Klebstoff dient hierbei dazu, die zum Aushärten des Klebstoffs nötige Zeit zu verkürzen. Durch das Aushärten des Klebstoffs werden die Bauteile relativ zueinander fixiert, sodass mechanische Spannvorrichtungen die vor dem Aushärten des Klebstoffs für die Fixierung sorgen, entfernt werden können.
Das Einbringen von Heizwärme in die Klebstoffschicht mittels des Induktors setzt jedoch voraus, dass die Klebstoffschicht gut zugänglich ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Mikrowellensender und ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, welcher bzw. welches ein verbessertes Fixieren von Bauteilen ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch einen Mikrowellensender 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.
Bei dem erfindungsgemäßen Mikrowellensender ist an dem Hohlleiter oder Koaxialkabel eine Auslasseinrichtung angeordnet, über welche die Mikrowellen zum Erwärmen einer zwischen einander zugewandten Oberflächen eines ersten Bauteils und eines zweiten Bauteils angeordneten Klebstoffschicht abgebbar sind. Eine Auslassöffnung der Auslasseinrichtung weist hierbei eine Breite auf, welche größer ist als eine Höhe der Auslassöffnung. Dadurch kann besonders gut und gezielt ein Klebstoffspalt mit einer vergleichsweise geringen Höhenerstreckung mit den Mikrowellen beaufschlagt werden. Der Mikrowellensender eignet sich somit besonders gut zum Erwärmen von schlecht zugänglichen Klebstoffschichten von der Seite her. Dies gilt insbesondere, wenn die Breite der Auslassöffnung um ein Vielfaches größer ist als die Höhe.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die im Querschnitt rechteckige Auslasseinrichtung zumindest in einem Teilbereich einen sich zu der Auslassöffnung hin verjüngenden Querschnitt auf. Dadurch ist sichergestellt, dass ein besonders großer Anteil der erzeugten Mikrowellen auch tatsächlich aus der Auslassöffnung austritt und somit zum Beaufschlagen des Klebstoffs mit Mikrowellen und damit für eine Erwärmung des Klebstoffs zur Verfügung steht.
Bevorzugt weist die Auslasseinrichtung in diesem Teilbereich V-förmig zu der Auslassöffnung hin zulaufende Wände auf. Dadurch kann bei gleich bleibender Breite der Auslassöffnung besonders gut eine Bündelung oder Fokussierung der aus der Auslassöffnung austretenden Mikrowellen erreicht werden.
Als besonders günstig hat es sich erwiesen, wenn die Auslasseinrichtung in einem von der Auslassöffnung beabstandeten Teilbereich eine Breite von 90 mm bis 110 mm und eine Höhe von 20 mm bis 30 mm aufweist. Dadurch lässt sich eine – üblicherweise flache – Klebstoffschicht über einen vergleichsweise großen Längenbereich hinweg von der Seite her mit Mikrowellen beaufschlagen und somit lokal erwärmen.
Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn die Auslassöffnung eine Höhe von 1 mm bis 8 mm aufweist. Damit ist nämlich die Höhe der Auslassöffnung besonders gut auf typische Höhen einer Klebstoffschicht abgestimmt, wie sie beim Verkleben von Bauteilen eines Aufbaus im Fahrzeugbau auftreten.
Insbesondere wenn hierbei ein Abstand zwischen der Auslassöffnung und der Klebstoffschicht von ca. 5 mm eingehalten wird, lässt sich ein besonders gutes Aushärtungsergebnis der Klebstoffschicht erzielen. Generell führt ein geringer Abstand zu einem verbesserten Aushärtungsergebnis.
Von Vorteil ist es weiterhin, wenn der Hohlleiter einen Krümmungsbereich aufweist, in welchem im Betrieb des Mikrowellensenders die Mikrowellen umgelenkt werden. So lassen sich bei vergleichsweise kompakten Abmessungen des Mikrowellensenders besonders gut auch schlecht zugängliche Klebestellen von der Seite her erreichen.
Schließlich hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn mittels der Erzeugungseinrichtung Mikrowellen einer Frequenz von 2,4 GHz und einer Wellenlänge von 12 mm erzeugbar sind. Derartige Mikrowellen haben sich nämlich als besonders geeignet zur Erwärmung von Klebstoffschichten erwiesen, welche von der Seite her zugänglich sind. Die Erzeugungseinrichtung kann hierbei insbesondere als Gunn-Element ausgebildet sein.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Mikrowellensenders werden mittels einer Erzeugungseinrichtung des Mikrowellensenders Mikrowellen erzeugt, und die Mikrowellen werden durch einen Hohlleiter oder ein Koaxialkabel des Mikrowellensenders hindurch weitergeleitet. Abgegeben werden die Mikrowellen über eine an dem Hohlleiter angeordnete Auslasseinrichtung mit einer Auslassöffnung, wobei eine Breite der Auslassöffnung größer ist als eine Höhe der Auslassöffnung. Mittels der Mikrowellen wird eine Klebstoffschicht erwärmt, welche zwischen einander zugewandten Oberflächen eines ersten Bauteils und eines zweiten Bauteils angeordnet ist.
Die für den erfindungsgemäßen Mikrowellensender beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für das erfindungsgemäße Verfahren.
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.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
1 in einer Perspektivansicht einen Mikrowellensender, bei welchem die Mikrowellen aus einer maulförmigen Auslasseinrichtung austreten, deren Auslassöffnung eine geringe Höhe und demgegenüber eine große Breite aufweist; und
2 den Mikrowellensender gemäß 1 in einer weiteren, seitlichen Perspektivansicht.
3a die Auslasseinrichtung der 1 zum Anschluss an einen Hohlleiter;
3b eine Auslasseinrichtung mit Anschluss an ein Koaxialkabel.
Ein in 1 gezeigter Mikrowellensender 10 umfasst eine Erzeugungseinrichtung 12, in welcher im Betrieb des Mikrowellensenders 10 beispielsweise mittels einer Gunn-Diode Mikrowellen, also elektromagnetische Wellen mit einer Wellenlänge im Zentimeterbereich erzeugt werden. Über einen Hohlleiter 14 werden die Mikrowellen weitergeleitet. An den Hohlleiter 14 ist mittels eines Flansches 16 eine maulförmige Auslasseinrichtung 18 angeschlossen, welche eine Auslassöffnung 20 aufweist.
Die Auslassöffnung 20 weist eine geringe Höhe H₁ von beispielsweise 1 bis 8 mm, insbesondere von etwa 5 mm auf. Demgegenüber entspricht ihre Breite im Wesentlichen der Breite B der im Querschnitt rechteckigen Auslasseinrichtung 18 in einem an den Flansch 16 anschließenden Teilbereich 22. In diesem Teilbereich 22 weist die Auslasseinrichtung 18 eine größere Höhe H₂ auf als im Bereich der Auslassöffnung 20. Beispielsweise kann die der Auslasseinrichtung 18 in dem Teilbereich 22 eine Breite B von 100 mm und eine Höhe H₂ von 25 mm aufweisen. Zu der Auslassöffnung 20 hin verjüngt sich dann die Auslasseinrichtung 18 prismenartig, sodass die Höhe H₁ im Bereich der Auslassöffnung 20 entsprechend geringer ist.
Obere und untere Wände 24 der Auslasseinrichtung 18 laufen entsprechend in einem vorderen Teilbereich 26, welcher sich an den Teilbereich 22 anschließt, V-förmig zu der Auslassöffnung 20 hin zusammen. Durch diese Ausgestaltung der Auslasseinrichtung 18 lassen sich die Mikrowellen besonders gut von der Seite her in einen flachen Klebespalt einbringen. Dadurch kann ein sich in dem Klebespalt befindender Klebstoff sehr gut von der Seite her durch die Mikrowellen erwärmt werden. Dies ist insbesondere bei schlecht zugänglichen Klebeverbindungen von Bauteilen aus kohlefaserverstärkten Kunststoffen (CFK) vorteilhaft, wie sie für einen Aufbau, insbesondere für eine Karosserie, eines Kraftwagens zum Einsatz kommen können. Da die elektrisch leitfähigen Kohlefasern von CFK-Bauteilen Mikrowellen abschirmen, können diese nämlich nicht durch das Bauteil hindurch in die Klebstoffschicht eindringen.
Um dennoch in solche Klebstoffschichten Wärme einzubringen, kann der Mikrowellensender 10 so neben der Klebstoffschicht platziert werden, dass seine Auslassöffnung 20 dem Klebespalt mit der Klebstoffschicht zugewandt ist. Vorteilhafterweise wird die Auslasseinrichtung 18 so gegenüber den zu verklebenden Bauteilen positioniert, dass die Auslassöffnung 20 näherungsweise parallel zu dem Klebespalt zwischen den Bauteilen ausgerichtet ist. Bevorzugt beträgt hierbei der Abstand der Auslassöffnung 20 von der Klebstoffschicht, welche sich zwischen zwei einander zugewandten Oberflächen zweier (CFK-)Bauteile befindet, etwa 5 mm. Dadurch lässt sich mittels des Mikrowellensenders 10 ein Bereich der Klebstoffschicht über die Breite B hinweg erwärmen und somit aushärten, sodass eine gute Vorfixierung der miteinander zu verklebenden Bauteile erreicht wird.
Über die sich zur Auslassöffnung 20 hin düsenartig verjüngende Auslasseinrichtung 18 wird die Klebstoffschicht bevorzugt mit Mikrowellen einer Frequenz von 2,4 GHz und einer Wellenlänge von 12 mm beaufschlagt.
Wie insbesondere aus 2 gut hervorgeht, weist der Hohlleiter 14 einen ersten, sich an die Erzeugungseinrichtung 12 anschließenden Abschnitt 28 auf, an welchen sich ein Krümmungsbereich 30 anschließt. In dem Krümmungsbereich 30 des Hohlleiters 14 werden die Mikrowellen umgelenkt, und zwar beispielsweise wie in 2 gezeigt um etwa 90°.
Dadurch sind bei in die Austrittsrichtung der Mikrowellen aus der Auslasseinrichtung 18 kompakten Abmessungen des Mikrowellensenders 10 mit Mikrowellen zu beaufschlagende Klebespalte besonders gut mittels des Mikrowellensenders 10 erreichbar.
3a zeigt eine Detailansicht der Auslasseinrichtung 18 zum Anschluss an einen Hohlleiter (wie den in 1 und 2 gezeigten). 3b zeigt eine Detailansicht einer Auslasseinrichtung 18 mit einem Anschluss an ein Koaxialkabel.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007000862 A1 [0005]

Claims

Mikrowellensender mit einer Erzeugungseinrichtung (12) zum Erzeugen von Mikrowellen und mit einem Hohlleiter (14) oder Koaxialkabel zum Weiterleiten der Mikrowellen, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Hohlleiter (14) eine Auslasseinrichtung (18) angeordnet ist, über welche die Mikrowellen zum Erwärmen einer Klebstoffschicht abgebbar sind, welche zwischen einander zugewandten Oberflächen eines ersten Bauteils und eines zweiten Bauteils angeordnet ist, wobei eine Auslassöffnung (20) der Auslasseinrichtung (18) eine Breite (B) aufweist, welche größer ist als eine Höhe (H₁) der Auslassöffnung (20).
Mikrowellensender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die im Querschnitt rechteckige Auslasseinrichtung (18) zumindest in einem Teilbereich (26) einen sich zu der Auslassöffnung (20) hin verjüngenden Querschnitt aufweist.
Mikrowellensender nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslasseinrichtung (18) in diesem Teilbereich (26) V-förmig zu der Auslassöffnung (20) hin zulaufende Wände (24) aufweist.
Mikrowellensender nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslasseinrichtung (18) in einem von der Auslassöffnung (20) beabstandeten Teilbereich (22) eine Breite (B) von 90 mm bis 110 mm, insbesondere von 100 mm, und eine Höhe (H₂) von 20 mm bis 30 mm, insbesondere von 25 mm aufweist.
Mikrowellensender nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslassöffnung (20) eine Höhe (H₁) von 1 mm bis 8 mm, insbesondere von etwa 5 mm, aufweist.
Mikrowellensender nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlleiter (14) einen Krümmungsbereich (30) aufweist, in welchem im Betrieb des Mikrowellensenders (10) die Mikrowellen, insbesondere um etwa 90°, umgelenkt werden.
Mikrowellensender nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der, insbesondere als Gunn-Element ausgebildeten, Erzeugungseinrichtung (12) Mikrowellen mit einer Frequenz von 2,4 GHz und einer Wellenlänge von 12 mm erzeugbar sind.
Verfahren zum Betreiben eines Mikrowellensenders (10), bei welchem mittels einer Erzeugungseinrichtung (12) des Mikrowellensenders (10) Mikrowellen erzeugt werden, und bei welchem die Mikrowellen durch einen Hohlleiter (14) oder Koaxialkabel des Mikrowellensenders (10) hindurch weitergeleitet werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrowellen über eine an dem Hohlleiter (14) bzw. Koaxialkabel angeordnete Auslasseinrichtung (18) mit einer Auslassöffnung (20) abgegeben werden, deren Breite (B) größer ist als eine Höhe (H₁) der Auslassöffnung (20), wobei mittels der Mikrowellen eine Klebstoffschicht erwärmt wird, welche zwischen einander zugewandten Oberflächen eines ersten Bauteils und eines zweiten Bauteils angeordnet ist.
Verwendung eines Mikrowellensenders nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrowellensender (10) zum Erwärmen eines mit einem Klebstoff versehenen Fügebereichs zweier Bauteile verwendet wird.
Verwendung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslasseinrichtung (18) des Mikrowellensenders (10) in einer solchen Weise gegenüber dem Fügebereich der Bauteile positioniert wird, dass die Längsseite der Auslassöffnung (20) näherungsweise parallel zu einem mit Klebstoff versehenen Klebespalt zwischen den Bauteilen ausgerichtet ist.