DE102013222788A1 - Verfahren zur Herstellung einer formschlüssigen Verbindung - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Herstellung einer formschlüssigen Verbindung zwischen einer ersten flächigen Komponente (2) mit einer Durchgangsöffnung (9) und einem Kunststoffträgerteil (1) mit einem säulenförmigen Zapfen (10), wobei der Zapfen (10) ein Teil des Kunststoffträgerteils (1) ist, und sich der Zapfen (10) am Ende unter Ausbildung einer Schulter (11) zu einem Dom (5) verjüngt, wobei zunächst die erste flächige Komponente (2) auf das Kunststoffträgerteil (1) derart gefügt wird, dass der Dom (5) durch die Durchgangsöffnung (9) hindurch ragt, und die erste flächige Komponente (2) auf der Schulter (11) zum liegen kommt, wobei anschließend eine zweite flächige Komponente (3), die einen Bereich (4) aufweist, an der auf mindestens einer Seite eine Vertiefung (6) ausgebildet ist, auf den Kunststoffträgerteil (1) derart gefügt wird, dass der Bereich (4) der zweiten flächigen Komponente (3) auf dem Dom (5) aufliegt und die Vertiefung (6) den Dom (5) teilweise umschließt, und wobei dann in den Bereich (4) der zweiten flächigen Komponente (3) von der dem Dom (5) gegenüber liegenden Seite Wärme zugeführt wird, bis der Dom (5) schmilzt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer formschlüssigen Verbindung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Bei Verfahren zum Verbinden von Kunststoffträgern mit beispielsweise Leiterplatten oder Metallkomponenten, werden herkömmlicherweise Kunststoffdome unter Anwendung von Kraft und Wärme geschmolzen und umgeformt. Es können thermoplastische Kunststoffe wie zum Beispiel Polyamid oder Polyethylen heiß verstemmt werden. Die Bauteile können dabei zueinander fixiert werden; es können zusätzlich auch Kräfte und Drehmomente zwischen den Einzelteilen übertragen werden.
  • Das Verfahren des Heißverstemmens findet unter anderem Anwendung in der Medizintechnik, Automobilindustrie, sowie in der Elektroindustrie.
  • Insbesondere wird das klassische Heißverstemmen mit einem Stempel angewendet, wobei der Stempel entweder vor oder während dem Kontakt mit dem Produkt erhitzt wird. Neben der Wärmezuführung erfolgt auch die Krafteinwirkung auf das Werkstück über den Werkzeugstempel. Je nach Beschaffenheit und Formgebung kann der Stempel im Sekundenbereich oder sogar darunter erhitzt werden. Ein klassisches Heißverstemmen wird beispielsweise in der WO 2013/006162 A1 beschrieben.
  • Alternativ findet das berührungslose Laserheißverstemmen Anwendung, bei dem die Laserstrahlung an der Oberfläche des Kunststoffdoms absorbiert wird, wobei diese lokal schmilzt. Unter zusätzlicher Einwirkung einer Anpresskraft wird eine dauerhafte formschlüssige Verbindung hergestellt. Dieses Verfahren ist mit dem Laser-Kunststoffschweißen zu vergleichen und vereint dessen Eigenschaften mit denen der Niettechnik.
  • Bei den beiden beschriebenen Verfahren wird jeweils ein extra Werkzeug zur Formgebung des geschmolzenen Materials benötigt.
  • Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer formschlüssigen Verbindung der eingangs genannten Art zu vereinfachen.
  • Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine formschlüssige Verbindung zwischen einer ersten flächigen Komponente mit einer Durchgangsöffnung und einem Kunststoffträgerteil mit einem säulenförmigen Zapfen hergestellt. Der Zapfen ist dabei ein Teil des Kunststoffträgerteils und verjüngt sich an seinem Ende unter Ausbildung einer Schulter zu einem Dom.
  • In einem ersten Schritt wird die erste flächige Komponente auf das Kunststoffträgerteil derart gefügt, dass der Dom durch die Durchgangsöffnung hindurch ragt. Die erste flächige Komponente kommt dabei auf der Schulter zum liegen.
  • Anschließend wird eine zweite flächige Komponente, die insbesondere einen Bereich mit einer Vertiefung aufweist, auf dem Kunststoffträgerteil derart positioniert, dass der Bereich auf dem Dom aufliegt und die Vertiefung des Bereichs den Dom teilweise umschließt, wobei insbesondere die Form der Vertiefung an die Form des Doms angepasst ist.
  • Nach dem Positionieren der zweiten flächigen Komponente auf dem Kunststoffträgerteil wird von der dem Dom gegenüber liegenden Seite in den Bereich der zweiten flächigen Komponente so lange Wärme zugeführt, bis der Dom schmilzt und dabei derart insbesondere pilzförmig verformt wird, dass eine dauerhafte formschlüssige Verbindung zwischen der ersten flächigen Komponente und dem Kunststoffträgerteil hergestellt wird. Optional kann währen der Verformung des Doms auch eine zusätzliche Anpresskraft auf den Dom wirken.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann gegenüber den bisher verwendeten Verfahren insbesondere das extra Werkzeug zur Formgebung des geschmolzenen Materials eingespart werden.
  • Vorteilhafterweise kann die Wärme über einen Kontakt mit einem heißen Werkzeug oder kontaktlos, beispielsweis mittels Heißluft oder Laserlicht zugeführt werden.
  • Insbesondere bilden die zweite flächige Komponente als Deckel und das Kunststoffträgerteil als Gehäuseunterteil ein zweiteiliges Gehäuse, in der die erste flächige Komponente als Schaltungsträger zur Aufnahme von elektronischen Komponenten, insbesondere als eine Leiterplatte, angeordnet ist. Das Gehäuse kann beispielsweise als Gehäuse für ein Steuergerät zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug verwendet werden.
  • Eine nähere Beschreibung der vorliegenden Erfindung erfolgt anhand der beigefügten Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigen
  • 1 ein herkömmliches mechanisches Heißstemmverfahren,
  • 2 ein herkömmliches kontaktloses Laserheißstemmverfahren, und
  • 3 ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer formschlüssigen Verbindung zwischen einem Kunststoffträgerteil und einer flächigen Komponente.
  • 1 zeigt ein klassisches Heißverstemmverfahren zur Herstellung einer formschlüssigen Verbindung zwischen einer ersten flächigen Komponente 2 mit einer Durchgangsöffnung 9 und einem Kunststoffträgerteil 1 mit einem säulenförmigen Dom 5, wobei der Dom 5 ein Teil des Kunststoffträgerteils 1 ist und durch die Durchgangsöffnung 9 hindurch ragt. Der Stempel 12 wird entweder vor oder während des Kontakts mit dem Dom 5 erhitzt. Neben der Wärmezuführung erfolgt in der Regel auch die Krafteinwirkung auf den Dom 5 über den Stempel 12.
  • Der Dom 5 schmilzt und bildet unter der Einwirkung des Stempels 12 einen pilzförmigen Kopf, der die Komponente 2 mit dem Kunststoffträgerteil 1 formschlüssig verbindet.
  • 2 zeigt ein alternatives berührungsloses Verfahren zur Herstellung einer formschlüssigen Verbindung zwischen einer ersten flächigen Komponente 2 und dem Kunststoffträgerteil 1, wobei die Wärme mittels eines Laserstrahls 13 zugeführt wird. Bei dem gezeigten Laserheißverstemmverfahren wird vor der Wärmezufuhr ein zusätzliches Teil 14 aus Kunststoff auf dem Dom 5 angeordnet, wobei der Dom 5 durch die Durchgangsöffnung 9 hindurch ragt. Unter der Einwirkung des Laserstrahls 13 schmilzt das Teil 14 und bildet wie in dem zuvor beschriebenen HeißstemmVerfahren einen pilzförmigen Kopf, der die erste Komponente 2 mit dem Kunststoffträgerteil 1 formschlüssig verbindet.
  • 3 zeigt in zwei Schritten ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer formschlüssigen Verbindung zwischen einer ersten flächigen Komponente 2 mit einer Durchgangsöffnung 9 und einem Kunststoffträgerteil 1 mit einem säulenförmigen Zapfen 10. Der Zapfen 10 ist ein Teil des Kunststoffträgerteils 1 und verjüngt sich an seinem Ende unter Ausbildung einer Schulter 11 zu einem Dom 5.
  • Zunächst wird die erste flächige Komponente 2 auf das Kunststoffträgerteil 1 gefügt, so dass der Dom 5 durch die Durchgangsöffnung 9 hindurch ragt, und die erste flächige Komponente 2 auf der Schulter 11 zum liegen kommt. Die erste flächige Komponente 2 ist in diesem Fall zusätzlich auf säulenförmigen Stützen 7 gelagert, wie in 3a gezeigt.
  • Anschließend wird eine zweite flächige Komponente 3 auf dem Kunststoffträgerteil 1 positioniert. Die zweite flächige Komponente 3 kann aus Kunststoff oder aus Metall hergestellt sein. Die zweite flächige Komponente 3 weist insbesondere mittig einen Bereich 4 mit einer Vertiefung 6 auf.
  • Die zweite flächige Komponente 3 wird derart auf dem Kunststoffträgerteil 1 positioniert, dass der Bereich 4 auf dem Dom 5 aufliegt und die Vertiefung 6 des Bereichs 4 den Dom 5 teilweise umschließt, wobei vorteilhafterweise die Form der Vertiefung 6 an die Form des Doms 5 angepasst ist, wie in 3b gezeigt.
  • Für den Fall, dass die in 3 gezeigte zweite flächige Komponente 3 aus Kunststoff ist, ist insbesondere die Vertiefung 6 des Bereichs 4 im Prinzip besonders einfach herstellbar, insbesondere kurz vor der Herstellung der erfindungsgemäßen formschlüssigen Verbindung. Es kann nämlich von einer Seite ein auf eine entsprechende Temperatur gebrachtes Werkzeug, beispielsweise ein Stempel, insbesondere mittig an die zweite flächige Komponente 3 gegen ein zweites entsprechend geformtes Werkzeug gedrückt werden, um auf der einen Seite die Einbuchtung 8, und auf der gegenüberliegende Seite den Bereich 4 insbesondere mit der dem Dom 5 angepassten Vertiefung 6 zu formen.
  • Nach dem Positionieren der zweiten flächigen Komponente 3 auf dem Kunststoffträgerteil 1 wird von der dem Dom 5 gegenüber liegenden Seite in den Bereich 4 so lange Wärme zugeführt, bis der Dom 5 schmilzt und dabei derart insbesondere pilzförmig verformt wird, dass eine dauerhafte formschlüssige Verbindung zwischen der ersten flächigen Komponente 2 und dem Kunststoffträgerteil 1 hergestellt wird. Optional kann währen der Verformung des Doms 5 auch eine zusätzliche Anpresskraft auf den Dom 5 wirken.
  • Insbesondere kann die Wärme über einen Kontakt mit einem heißen Werkzeug 12, vergleiche 1, oder kontaktlos, beispielsweis mittels Heißluft oder Laserlicht 13, vergleiche 2, zugeführt werden. Im Fall der Laserbestrahlung ist die zweite flächige Komponente 3 zumindest im Bereich 4 für die Strahlung des Lasers 13 durchlässig, und das Material des Kunststoffträgerteils 1 absorbiert die Strahlung des Lasers 13 zumindest im Bereich des Doms 5.
  • Insbesondere bilden die zweite flächige Komponente 3 als Deckel und das Kunststoffträgerteil 1 als Gehäuseunterteil ein zweiteiliges Gehäuse, in der die erste flächige Komponente 2 als Schaltungsträger zur Aufnahme von elektronischen Komponenten, insbesondere als eine Leiterplatte, angeordnet ist. Das Gehäuse kann beispielsweise als Gehäuse für ein Steuergerät zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug verwendet werden.
  • Bei der Herstellung der formschlüssigen Verbindung zwischen der ersten flächigen Komponente 2, insbesondere einer Leiterplatte und dem Kunststoffträgerteil 1, insbesondere dem Gehäuseunterteil, kann gleichzeitig oder auch zeitlich versetzt, der zweiten flächigen Komponente 3 bzw. dem Deckel im Bereich des Randes des Kunststoffträgerteil 1, bzw. dem Gehäuseunterteil, so lange Wärme zugeführt werden, bis die beiden Teile in diesem Bereich verschmelzen und formschlüssig verbunden sind und somit ein dicht verschlossenes Gehäuse bilden.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann gegenüber den bisher verwendeten Verfahren insbesondere das extra Werkzeug zur Formgebung des geschmolzenen Materials eingespart werden.
  • Zudem kann bei der Herstellung eines zweiteiligen Gehäuses bei der Herstellung der erfindungsgemäßen formschlüssigen Verbindung zwischen der Leiterplatte und dem Gehäuseunterteil vorteilhafterweise auch gleich der Deckel mit dem Gehäuseunterteil verbunden werden, was prozesstechnische Vorteile bringt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 2013/006162 A1 [0004]

Claims (9)

  1. Verfahren zur Herstellung einer formschlüssigen Verbindung zwischen einer ersten flächigen Komponente (2) mit einer Durchgangsöffnung (9) und einem Kunststoffträgerteil (1) mit einem säulenförmigen Zapfen (10), wobei der Zapfen (10) ein Teil des Kunststoffträgerteils (1) ist, und sich der Zapfen (10) am Ende unter Ausbildung einer Schulter (11) zu einem Dom (5) verjüngt, mit den Schritten: – Fügen der ersten flächigen Komponente (2) auf das Kunststoffträgerteil (1) derart, dass der Dom (5) durch die Durchgangsöffnung (9) hindurch ragt, und die erste flächige Komponente (2) auf der Schulter (11) zum liegen kommt, – Positionieren einer zweiten flächigen Komponente (3), die einen Bereich (4) aufweist, an der auf mindestens einer Seite eine Vertiefung (6) ausgebildet ist, auf dem Kunststoffträgerteil (1) derart, dass der Bereich (4) der zweiten flächigen Komponente (3) auf dem Dom (5) aufliegt und die Vertiefung (6) den Dom (5) teilweise umschließt, – Zuführen von Wärme in den Bereich (4) der zweiten flächigen Komponente (3) von der dem Dom (5) gegenüber liegenden Seite bis der Dom (5) schmilzt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme unter Kontakt der zweiten flächigen Komponente (3) mit einem heißen Werkzeug (12) zugeführt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme kontaktlos zugeführt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme durch Heißluft zugeführt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme mittels eines Lasers (13) zugeführt wird, wobei die zweite flächige Komponente (3) zumindest im Bereich (4) die Strahlung des Lasers (13) durchlässt, und das Kunststoffträgerteil (1) die Strahlung des Lasers (13) zumindest im Bereich des Doms (5) absorbiert.
  6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des Schmelzens des Doms (5) Druck auf den Dom ausgeübt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Herstellung der formschlüssigen Verbindung zwischen der ersten flächigen Komponente (2) und dem Kunststoffträgerteil (1) ein zweiteiliges Gehäuse bestehend aus der zweiten flächigen Komponente (3) als Deckel und dem Kunststoffträgerteil (1) als Gehäuseunterteil hergestellt wird.
  8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als erste flächige Komponente (2) ein Schaltungsträger für elektronische Bauteile verwendet wird.
  9. Gehäuse (1, 3) für ein Steuergerät zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug, wobei die formschlüssige Verbindung zwischen einem Schaltungsträger als erster flächiger Komponente (2) im Gehäuse (1, 3) und dem Gehäuseunterteil (1) gemäß einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt ist.
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