DE102013103417A1

DE102013103417A1 - Verfahren sowie Vorrichtung zur Herstellung einer Fügeverbindung zwischen einem Metallteil und einem Kunststoffteil

Info

Publication number: DE102013103417A1
Application number: DE102013103417.9A
Authority: DE
Inventors: Sven Scheik; Uwe Reisgen; Alexander Schiebahn; Markus Schleser
Original assignee: INNOVATIONS und INFORMATIONSZENTRUM SCHNEIDEN und FUEGEN E V; Innovations- und Informationszentrum Schneiden und Fuegen Ev
Current assignee: INNOVATIONS und INFORMATIONSZENTRUM SCHNEIDEN und FUEGEN E V; Innovations- und Informationszentrum Schneiden und Fuegen Ev
Priority date: 2013-04-05
Filing date: 2013-04-05
Publication date: 2014-10-23

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer Fügeverbindung zwischen einem Metallteil (1) und einem Kunststoffteil (2) vorgestellt, bei dem zur Erzeugung einer Klebeverbindung zwischen Metallteil (1) und Kunststoffteil (2) ein Klebemittel (5) angebracht wird, zur Erzeugung einer zusätzlichen Fügeverbindung an mindestens einer Kontaktstelle Metallteil (1) und Kunststoffteil (2) unmittelbar stoffschlüssig aneinander gefügt werden, indem mittels Erwärmung des Metallteils (1) das Kunststoffteil (2) zumindest im Bereich der mindestens einen Kontaktstelle zeitweise aufgeschmolzen wird. Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, umfassend eine Stromquelle, mindestens zwei Elektroden (6) und Mittel zum Aufpressen der mindestens zwei Elektroden (6) auf ein Metallteil (1), kennzeichnet sich durch Mittel zum Aufpressen eines mit dem Metallteil (1) zu fügenden Kunststoffteils (2) auf das Metallteil (1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Herstellung einer Fügeverbindung zwischen einem Metallteil und einem Kunststoffteil.
Verbindungen aus Metall und Kunststoff gehören insbesondere vor dem Hintergrund des allgemeinen Trends zur Gewichtsoptimierung, z. B. in Fahrzeugkonzepten, zu den zukunftsträchtigen Materialkombinationen. Die in der Kunststofftechnik inzwischen entwickelten hochleistungsfähigen kunststoffbasierten Werkstoffe erlauben eine Teilsubstitution metallischer Werkstoffe, wobei insbesondere glas- und karbonfaserverstärkte Kunststoffmaterialien eingesetzt werden.
Es ist bekannt (D. Flock; Wärmeleitungsfügen hybrider Kunststoff-Metall-Verbindungen; Dissertation, RWTH Aachen, 2011) Kunststoffe und Metalle unmittelbar aneinander stoffschlüssig zu fügen. Dort wird vorgeschlagen, das Metallteil über Wärmeleitung mittels eines Heizelements derart zu erwärmen, dass das mit dem Metallteil in Kontakt befindliche Kunststoffteil an der Kontaktstelle schmelzflüssig wird, die Metalloberfläche benetzt und beim Erkalten eine stoffschlüssige Fügeverbindung erzeugt. Die auf diese Weise erreichten Verbindungen sind – je nach Materialkombination – oftmals jedoch nicht von ausreichender Festigkeit oder Dauerhaftigkeit.
Des Weiteren ist es bekannt (siehe D. Flock a. a. O. mit weiteren Nachweisen) Metallteil und Kunststoffteil mittels eines gesonderten Klebstoffes aneinander zu kleben. Dabei handelt es sich ebenfalls um eine stoffschlüssige Fügeverbindung, jedoch unter Vermittlung des Klebstoffes. Neben der Flexibilität hinsichtlich der zu fügenden Materialien und Geometrien sind insbesondere die sehr gute dynamische Festigkeit sowie die Möglichkeit der Funktionsintegration durch Zusatzstoffe vorteilhaft. Nachteilig sind allerdings die in der Regel relativ langen Fixierzeiten beim Einsatz des Klebstoffes, die klebstoffabhängig im Minutenbereich liegen können, wodurch sich für die weitere Behandlung der verklebten Teile im Fertigungsprozess hohe Wartezeiten ergeben.
Um solche Wartezeiten zu vermeiden, ist es bekannt, zusätzlich zum Klebstoff mechanische Verbindungselemente, wie z. B. Nieten, vorzusehen (siehe z. B. Wibbeke, T. N. et al; optimierte Blindnietklebverbindungen in Leichtbaukonstruktionen; in: Adhäsion – Kleben und Dichten (2005) 6, Seiten 42 bis 44). Hierdurch entsteht ein Mehraufwand in Form von Oberflächenvorbehandlungen, z. B. Vorbohren, und zusätzlichen Applikationsschritten, z. B. dem Nietprozess. In Bereichen, in denen die Verbindungselemente im fertigen Produkt sichtbar würden, müssen sie in der Regel aus kosmetischen Gründen im weiteren Produktionsentstehungszyklus entfernt oder durch Verkleidung kaschiert werden. Hilfsmittel, wie z. B. Nieten, setzen zudem eine Penetration der Materialien voraus und können sie daher schädigen oder sorgen unter Belastung im Verbund für Spannungsspitzen.
Alternativ wird versucht, die Wartezeiten bis zum Erreichen der Handhabbarkeit der geklebten Teile durch die Entwicklung schneller abbindender Klebstoffsysteme und/oder eine Prozessoptimierung im Aushärtungsprozess zu erreichen (siehe z. B. Eberdt, C.; Integration von induktiv beschleunigt ausgehärteten 2K-Klebstoffen in die Automobil-Serienfertigung, Disseration Technische Universität Braunschweig 2009).
Aus der EP 1 475 424 B1 ist ein Verfahren zum Verkleben von stapelbaren Modulen bekannt. Dort ist auf den vorherigen Stand der Technik hingewiesen, insbesondere im Fahrzeugbau elastische einkomponentige Polyurethanklebstoffe einzusetzen, die in nachteiliger Weise langsam aushärten. Die vorgenannte EP-Schrift schlägt vor, an die stapelbare Module mindestens einen Abstandhalter aus einem Hotmelt-Klebstoff anzubringen, der sich mit dem Modul stoffschlüssig verbindet, indem der Abstandhalter im Bereich der Kontaktstelle mit dem Modul partiell aufgeschmolzen wird. Mit dem Abstandhalter können die Module unter Vermeidung einer Oberflächenberührung aufeinander gestapelt werden. Des Weiteren offenbart die EP 1 475 424 B1 , die Abstandhalter als Fixiermittel für die mit einem Montageklebstoff aneinander zu fügenden Module vorzusehen. Hierdurch werden die Abstandhalter zu einem Hotmelt-Fixierklebstoff, wobei offenbart ist, diesen Hotmelt-Fixierklebstoff bevorzugt durch IR-Strahlung, Heißluftzufuhr oder durch Mikrowellenstrahlung aufzuschmelzen. Die Abstandhalter verfestigen schnell, so dass das verklebte Modul in seiner Position fixiert ist, bis der eigentliche Montageklebstoff genügend Festigkeit aufgebaut hat. Bei diesem Verfahren ist nachteilig, dass zusätzlich zum Montageklebstoff mit dem Abstandhalter ein weiterer Hotmelt-Fixierklebstoff vorgesehen werden muss.
Aus der DE-OS 2 235 558 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erwärmen von Metallteilen zum Zwecke ihrer Verklebung mit nicht metallischen Werkstoffen bekannt. Dabei wird zwischen den zu verklebenden Teilen ein Klebefilm verwendet, der zur Erfüllung seiner Funktion erwärmt werden muss. U. a. ist vorgeschlagen, das zu fügende Metallteil elektrisch konduktiv, d.h. mittels Stromdurchleitung, zu erwärmen und damit den Klebstoff zu aktivieren. Bei diesem Verfahren ist man weiterhin für das weitere Händeln der geklebten Teile darauf angewiesen, dass der Klebstoff hinreichend ausgehärtet ist.
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer Fügeverbindung zwischen einem Metallteil und einem Kunststoffteil sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Verfügung zu stellen, welche mit geringem Material- und Zeitaufwand eine zu einer Klebeverbindung zusätzliche Fixierung der zu fügenden Teile erreichen.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art durch die Merkmale des Anspruchs 1 und bei einer eine Stromquelle, mindestens zwei Elektroden und Mittel zum Aufpressen der mindestens zwei Elektroden auf ein Metallteil umfassende Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruch 4 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens sowie der Vorrichtung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen
Demnach wird neben der durch das Klebemittel erzeugten Klebeverbindung eine zusätzliche Fügeverbindung geschaffen, wobei die Fügeverbindung zwischen Metallteil und Kunststoffteil unmittelbar, dass heißt ohne zusätzlichen Klebstoff, erzeugt wird. Das hierfür notwendige Aufschmelzen eines Teils des Kunststoffteils erfolgt mittelbar über die Erwärmung des Metallteils und den an der (den) Kontaktstelle(n) zwischen Kunststoff und Metall gegebenen Wärmeübergang.
Bei geeigneter Kombination von Kunststoff und Metall kommt es zu einer guten Benetzung der Metalloberfläche durch den schmelzflüssigen Kunststoff, wodurch sich Haftkräfte auf Basis zwischenmolekularer Bindungen ausbilden. Anders als bei einem üblichen Klebeprozess entsteht eine sofortige Anfangsfestigkeit, sobald die Schmelztemperatur des Kunststoffes wieder unterschritten wird. Geeignete Kombinationen sind z.B. Polyamid mit Aluminium oder nichtrostendem Stahl, wobei das Polyamid unverstärkt oder beispielsweise mit Glasfaser oder Carbon verstärkt sein kann.
Auf diese Weise kann in der Regel innerhalb von wenigen Sekunden eine Festigkeit der zusätzlichen Fügeverbindung erreicht werden, die eine weitere Handhabung der aneinandergefügten Teile erlaubt. Das zusätzlich zwischen Metallteil und Kunststoffteil befindliche Klebemittel kann während der weiteren Handhabung aushärten. Es wird somit eine rein stoffschlüssige Verbindung ohne mechanische Schädigung der Materialien durch Penetration von Befestigungsteilen und ohne Zusatz eines weiteren Klebstoffes ermöglicht. Eine Oberflächenvorbehandlung der zur Fixierung vorgesehenen Flächen ist in der Regel nicht notwendig. Durch einen definierten Anpressdruck während der Aufschmelzphase des Kunststoffes kann eine gleichmäßige Klebschicht realisiert werden.
Die für das Aufschmelzen des Kunststoffes notwendige Erwärmung des Metallteils erfolgt vorzugsweise mittels elektrischer Widerstandserwärmung über Elektroden. Mit Hilfe der Elektroden wird das metallische Bauteil lokal innerhalb weniger Sekunden auf Schmelztemperatur des Kunststoffes erhitzt.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann zumindest für die Erwärmung des Metallteils auf bekannte Anlagentechnik zurückgegriffen werden, z.B. auf solche zum Widerstandspunktschweißen, die jedoch in erfindungsgemäßer Weise zu modifizieren ist. Anders als bei der handelsüblichen Schweißzange kontaktieren die Elektroden das Metallteil mit lateralem Abstand zueinander. Hierzu ist eine Anpassung der Elektrodenanordnung und des Krafterzeugungssystems an die Werkstückgeometrie vorzunehmen. Bei geeigneter Metallteilgeometrie können zum Beispiel Haltezangen verwendet werden, die jeweils eine einzelne Elektrode aufweisen. Die elektrische Installation einer Anlage zum Widerstandspunktschweißen kann nahezu unverändert übernommen werden. Somit ist es durch einen einfachen Wechsel des Elektrodenkopfes möglich, mit der ansonsten selben Anlagentechnik, insbesondere derselben Schweißstromquelle und demselben Handhabungssystem, Metallteile miteinander zu verschweißen und nach einer einfachen Anpassung, z.B. dem Wechsel des Elektrodenkopfes, eine erfindungsgemäße Verbindung zwischen Metall und Kunststoff zu realisieren.
Alternativ zur elektrisch konduktiven Erwärmung über Elektroden kann das Metall auch induktiv erwärmt werden oder durch Einsatz eines Heizelements mittels Wärmeleitung.
Es kann vorteilhaft sein, im Kunststoffteil Erhebungen vorzusehen, die bereits bei der Herstellung des Kunststoffteils eingearbeitet werden können. In jedem Fall bestehen die Erhebungen aus dem Material des Kunststoffteils oder – sofern das Kunststoffteil aus mehreren Kunststoffen zusammengesetzt ist – aus einem der Materialien des Kunststoffteils und sind einstückig mit diesem verbunden.
Die Erhebungen brauchen nicht mit dem Klebemittel für die Klebeverbindung bestrichen zu sein, so dass es zu einem unmittelbaren Kontakt zwischen dem Kunststoffteil und dem Metallteil kommt und die zusätzliche Fügeverbindung störungsfrei erreicht werden kann.
Es ist vorteilhaft, wenn die Höhe der Erhebungen der Dicke der Klebmittelschicht entspricht oder vorzugsweise diese übersteigt.
Im Folgenden wird eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand von Figuren dargestellt.
Es zeigt schematisch
1: ein Metallteil und im Abstand hiervon ein Kunststoffteil,
2: das auf das Metallteil aufgesetzte Kunststoffteil sowie Elektroden vor einem Fügevorgang,
3: die Anordnung gemäß 2 nach dem Fügevorgang,
4: eine Anordnung von Metallteil, Kunststoffteil, Stempel und Elektroden,
5: eine Anordnung ähnlich 4 mit anderer Orientierung der Elektroden und
6: eine Anordnung mit einem mittels Elektroden auf ein Kunststoffteil gepresstem Metallteil.
1 zeigt ein Metallteil 1 und ein Kunststoffteil 2, welches mit dem Metallteil 1 stoffschlüssig verbunden werden soll. 2 zeigt das auf dem Metallteil 1 aufgepresste Kunststoffteil 2, wobei die Mittel zum Pressen der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt sind. Das Kunststoffteil 2 weist zwei Erhebungen 3 auf, die sich in dem dargestellten Beispiel über die gesamte Tiefe des Kunststoffteils 2 ziehen. Es versteht sich von selbst, dass die nur schematisch wiedergegebenen Teile 1 und 2 für eine deutlichere Darstellung von einfacher Struktur sind. Die erfindungsgemäße Fügeverbindung kann auch mit komplexeren Geometrien durchgeführt werden, wobei die Erhebungen 3 an anderen oder weiteren Stellen des Kunststoffteils 2 vorgesehen werden und/oder andere Formen aufweisen können, z. B. zylinderförmig.
Aufgrund der Erhebungen 3 verbleibt zwischen dem Kunststoffteil 2 und dem Metallteil 1 im aufgepressten Zustand ein Hohlraum 4, welcher zumindest zum Teil mit einem Klebemittel 5 gefüllt ist. Das Klebemittel 5 soll für die spätere stoffschlüssige Verbindung zwischen Metallteil 1 und Kunststoffteil 2 die hauptsächliche Fügekomponente darstellen.
Als weitere Fügekomponente der Verbindung wird ein unmittelbares stoffschlüssiges Fügen zwischen Metallteil 1 und Kunststoffteil 2 erzeugt. Hierfür wird mittels Elektroden 6, welche an eine hier nicht dargestellte Stromquelle angeschlossen sind, ein Strom durch das Metallteil 1 geleitet. Das Metallteil 1 erwärmt sich dabei aufgrund des elektrischen Widerstandes soweit, dass die Erhebungen 3 des Kunststoffteils 2 angeschmolzen werden. Gleichzeitig wird das Kunststoffteil 2 auf das Metallteil 1 gepresst. Der aufgeschmolzene Kunststoff geht eine unmittelbare stoffschlüssige Verbindung mit dem Metallteil 1 ein. Der durch das teilweise Aufschmelzen der Erhebungen 3 verkleinerte Hohlraum 4 wird durch das Klebemittel 5 nun vollständig ausgefüllt (3) und bildet einen Klebespalt, dessen Stärke über die Menge des Klebstoffes 5 und/oder die Höhe der Erhebungen und das Maß der Aufschmelzung der Erhebungen definiert eingestellt werden kann. Die Verteilung des aufgeschmolzenen Kunststoffs, z.B. nach außen oder nach innen in den Hohlraum 4 hinein ist in 3 nicht dargestellt.
Die 4 bis 6 zeigen drei beispielhafte unterschiedliche Anordnungen zur Herstellung der Fügeverbindung zwischen Metallteil 1 und Kunststoffteil 2. In sämtlichen Anordnungen wurde auf die Darstellung der Erhebungen 3, des Hohlraums 4 und des Klebstoffs 5 (siehe 1–3) der Einfachheit halber verzichtet.
Die Anordnung gemäß 4 entspricht im Wesentlichen der in den 2 und 3 dargestellten Anordnung, jedoch ist ein Stempel 7 dargestellt, der das Kunststoffteil 2 gegen das Metallteil 1 presst. Das Metallteil 1 kann auf eine isolierende und hier nicht dargestellte Abstützung aufgelegt oder durch eine nicht dargestellte Halterung gehalten sein, um dem Druck des Stempels 7 entgegenzuwirken.
Die Anordnung in 5 entspricht im Wesentlichen der der 4, wobei jedoch die Elektroden 6 von einander entgegengesetzten Seiten auf das Metallteil 1 zugreifen.
6 schließlich zeigt eine Variante, bei der das Metallteil 1 mittels der stromeinspeisenden Elektroden 6 gegen das Kunststoffteil 2 gepresst wird. Das Kunststoffteil 2 wird von einer hier nicht dargestellten, die Gegenkraft ausübende Halterung gehalten oder wird gegen eine Abstützung (ebenfalls nicht gezeigt) gepresst.
Weitere Varianten sind denkbar. So könnte zum Beispiel zumindest eine der Elektroden 6 durch eine entsprechende Öffnung im Kunststoffteil 2 hindurch auf das Metallteil 1 gedrückt werden.
Nach Beendigung des Stromflusses erkaltet das Metallteil 1, wodurch die stoffschlüssige Verbindung zwischen Kunststoffteil 2 und dem Metallteil 1 stabil genug wird, um den Verbund zwischen Metallteil 1 und Kunststoffteil 2 für weitere Prozesse bereits handhaben zu können. Während der weiteren Handhabung kann das Klebemittel 5 noch aushärten, um die gewünschte endgültige Fügefestigkeit aufzubauen.
Bezugszeichenliste

1: Metallteil
2: Kunststoffteil
3: Erhebung
4: Hohlraum
5: Klebemittel
6: Elektroden
7: Stempel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1475424 B1 [0007, 0007]
DE 2235558 A [0008]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

D. Flock; Wärmeleitungsfügen hybrider Kunststoff-Metall-Verbindungen; Dissertation, RWTH Aachen, 2011 [0003]
Wibbeke, T. N. et al; optimierte Blindnietklebverbindungen in Leichtbaukonstruktionen; in: Adhäsion – Kleben und Dichten (2005) 6, Seiten 42 bis 44 [0005]
Eberdt, C.; Integration von induktiv beschleunigt ausgehärteten 2K-Klebstoffen in die Automobil-Serienfertigung, Disseration Technische Universität Braunschweig 2009 [0006]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Fügeverbindung zwischen einem Metallteil (1) und einem Kunststoffteil (2), bei dem zur Erzeugung einer Klebeverbindung zwischen Metallteil (1) und Kunststoffteil (2) ein Klebemittel (5) angebracht wird, zur Erzeugung einer zusätzlichen Fügeverbindung an mindestens einer Kontaktstelle Metallteil (1) und Kunststoffteil (2) unmittelbar stoffschlüssig aneinander gefügt werden, indem mittels Erwärmung des Metallteils (1) das Kunststoffteil (2) zumindest im Bereich der mindestens einen Kontaktstelle zeitweise aufgeschmolzen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung des Metallteils (1) mittels elektrischer Widerstandserwärmung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Kontaktstelle oder als mindestens eine der Kontaktstellen zur Erzeugung der zusätzlichen Fügeverbindung mindestens eine aus dem Material des Kunststoffteils (2) bestehende und einstückig mit diesem verbundene Erhebung (3) verwendet wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, umfassend eine Stromquelle, mindestens zwei Elektroden (6) und Mittel zum Aufpressen der mindestens zwei Elektroden (6) auf ein Metallteil (1), gekennzeichnet durch Mittel zum Aufpressen eines mit dem Metallteil (1) zu fügenden Kunststoffteils (2) auf das Metallteil (1).
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Elektroden (6) einzeln auf das Metallteil (1) aufpressbar ist.