DE102014011805A1

DE102014011805A1 - Verfahren zur Herstellung einer Klebeverbindung

Info

Publication number: DE102014011805A1
Application number: DE102014011805.3A
Authority: DE
Inventors: Ralf Domider
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2014-08-09
Filing date: 2014-08-09
Publication date: 2016-02-11
Anticipated expiration: 2034-08-10
Also published as: DE102014011805B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer zwischen zwei aus thermoplastischen Faserverbundwerkstoff hergestellten Bauteilen mit jeweils einem eine Klebefläche aufweisenden Fügeabschnitt, welches erfindungsgemäß die folgenden Verfahrensschritte umfasst: a) Bereitstellen eines ersten Bauteils mit einem eine Klebefläche aufweisenden Fügeabschnitt und eines zweiten Bauteils mit einem eine Klebefläche aufweisenden Fügeabschnitt, wobei das erste Bauteil (1) wenigstens eine Fixiernase aufweist, die bei über die Klebeflächen aneinander liegenden Fügeabschnitten an dem zweiten Bauteil außerhalb von dessen Klebefläche anliegt, b) Aufbringen von Klebstoff auf wenigstens eine der Klebeflächen, c) Anpressen der beiden Bauteile mit einem vorgegebenen Anpressdruck im Bereich der Klebeflächen unter Anlage der Fixiernase des ersten Bauteils an dem zweiten Bauteil, d) Erzeugen eines thermischen Energieeintrages im Bereich der Fixiernase bis zum Aufschmelzen derselben zur Herstellung einer nach dem Erstarren der aufgeschmolzenen Fixiernase entstehenden Fixierverbindung zwischen dem ersten und zweiten Bauteil, und e) Aushärten des Klebstoffes zur Herstellung der Klebeverbindung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Klebeverbindung zwischen zwei aus thermoplastischen Faserverbundwerkstoff hergestellten Bauteilen. Ferner betrifft die Erfindung eine mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Klebeverbindung.
Faserverstärkte Kunststoffe bestehen wenigstens zwei Komponenten, nämlich Verstärkungsfasern und einer Kunststoffmatrix und werden vermehrt wegen deren Leichtbaupotenzial und hohen Festigkeit im Automobilbau eingesetzt. Besondere Bedeutung kommt dabei den faserverstärkten Thermoplasten zu. Dabei ist es üblich, Bauteile aus faserverstärkten Kunststoffen anstelle von Niet- oder Schraubenverbindungen durch Klebeverbindungen zu fügen.
Zur Herstellung einer Klebeverbindung zwischen zwei aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellten Bauteilen wird gemäß der DE 197 37 966 A1 vorgeschlagen, dass zur Erzielung einer definierten Spaltbreite entlang der ganzen Länge des Klebespaltes zwischen den zu verbindenden Bauteilen Distanzelemente über die ganze Klebefläche des Klebespaltes verteilt angeordnet werden. Solche Distanzelemente werden bei der Herstellung eines der beiden Bauteile im Bereich von dessen Klebefläche angeformt. Um eine Anpresskraft zwischen den Bauteilen zu erzielen, sind Befestigungsmittel, bspw. Schrauben vorgesehen, die im Bereich dieser Distanzelemente die beiden Bauelemente verbinden und damit gleichzeitig diese Bauelemente fixieren, so dass die mit Klebstoff versehenen und zusammengefügten Bauteile transportfähig sind und der Klebstoff zwischen diesen Bauteilen in dieser fixierten Lage aushärten kann.
Nachteilig an einem solchen Verfahren gemäß dieser DE 197 37 966 A1 ist die durch die mechanischen Befestigungsmittel bewirkte Zerstörung der Verstärkungsfasern zumindest eines dieser Bauteile, durch welches bspw. eine Schraube zur Herstellung der Schraubverbindung hindurchgeführt wird. In diesem Bereich wird der faserverstärkten Kunststoff deutlich geschwächt und kann daher unter Belastung zu einem frühzeitigen Bauteilversagen führen.
Zur Verbindung einer Kunststoff-Heckscheibe mit einem plattenförmigen Anbindungselement eines Verdecks eines Cabriolet-Fahrzeugs weist gemäß der EP 1 972 424 A2 die Kunststoff-Heckscheibe mehrere einstückig mit derselben ausgebildeten Kunststoffnieten in Form von Erhebungen oder Domen auf, die im Rahmen eines eine Wärmeeinleitung bewirkenden Ultraschall-Nietprozesses derart verformt werden, dass sie eine Hinterschneidung mit dem Anbindungselement bilden.
Ferner beschreibt die DE 10 2011 116 744 A1 ein Halbzeug für ein faserverstärktes Kunststoff-Hybridbauteil mit einem metallischen, eine Kunststoffummantelung aufweisenden Hohlprofilelement, welches in einem aus Faserwerkstoff bestehenden Faserwerkstoff-Vorformling eingebettet ist. An dieser Kunststoffummantelung des Hohlprofilelementes sind Formschlusselemente und/oder Halteelemente als Fixierhilfen ausgebildet. Solche Fixierhilfen werden an der Kunststoffummantelung angespritzt und dienen dazu, das metallische Hohlprofilelement in dem Faserwerkstoff-Vorformling positionsgenau zu halten.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Klebeverbindung zwischen zwei aus thermoplastischen Faserverbundwerkstoff hergestellten Bauteilen anzugeben, welches ohne mechanische Fixierhilfen auskommt und dennoch als einfacher und reproduzierbarer Prozess durchführbar ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Ein solches Verfahren zur Herstellung einer Klebeverbindung zwischen zwei aus thermoplastischen Faserverbundwerkstoff hergestellten Bauteilen mit jeweils einem eine Klebefläche aufweisenden Fügeabschnitt umfasst erfindungsgemäß die folgenden Verfahrensschritte:

a) Bereitstellen eines ersten Bauteils mit einem eine Klebefläche aufweisenden Fügeabschnitt und eines zweiten Bauteils mit einem eine Klebefläche aufweisenden Fügeabschnitt, wobei das erste Bauteil wenigstens eine Fixiernase aufweist, die bei über die Klebeflächen aneinander liegenden Fügeabschnitten an dem zweiten Bauteil außerhalb von dessen Klebefläche anliegt,
b) Aufbringen von Klebstoff auf wenigstens eine der Klebeflächen,
c) Anpressen der beiden Bauteile mit einem vorgegebenen Anpressdruck im Bereich der Klebeflächen unter Anlage der Fixiernase des ersten Bauteils an dem zweiten Bauteil,
d) Erzeugen eines thermischen Energieeintrages im Bereich der Fixiernase bis zum Aufschmelzen derselben zur Herstellung einer nach dem Erstarren der aufgeschmolzenen Fixiernase entstehenden Fixierverbindung zwischen dem ersten und zweiten Bauteil, und
e) Aushärten des Klebstoffes zur Herstellung der Klebeverbindung.

Der Vorteil dieses erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass der Klebstoff ununterbrochen auf der Klebefläche eines Fügeabschnittes eines der beiden Bauteile appliziert werden kann, da die Fixiernase so an dem ersten Bauteil angeformt wird, dass weder der Klebeprozess behindert wird noch die Funktionalität der verbundenen Bauteile beeinträchtigt wird. Dies führt zu einer maximalen Verbindungsqualität der Klebeverbindung der beiden Bauelemente.
Die Herstellung eines Bauteils mit einer solchen Fixiernase im Spritzgussprozess stellt keinen nennenswerten Mehraufwand dar, wobei der Vorteil der verwendeten thermoplastischen Matrix in dessen Schmelzbarkeit liegt, so dass die Fixiernase lediglich lokal durch einen thermischen Energieeintrag über dessen Schmelztemperatur gebracht werden muss, so dass die dadurch erzeugte Kunststoffschmelze die Oberfläche des zweiten Bauteils benetzt und bereits nach wenigen Sekunden zur Erstarrung führt und dadurch die beiden Bauteile verbindet und zueinander fixiert.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der Vorgang der Fixierung durch das Aufschmelzen und das Erstarren der Fixiernase von dem Klebeprozess entkoppelt ist, so dass dadurch eine negative Beeinträchtigung des Klebeprozesses verhindert wird.
Während die beiden Bauteile zueinander mittels der aufgeschmolzenen und erstarrten Fixiernase fixiert sind, kann der Klebstoff in einem KTL-Ofen ausgehärtet werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren ausführlich beschrieben. Es zeigen:
1 eine schematische Explosivdarstellung von zwei mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zu fügenden Bauteile,
2 eine schematische Schnittdarstellung der über deren Klebefläche aneinander liegenden Bauteile gemäß 1, und
3 eine schematische Schnittdarstellung der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zueinander fixierten Bauteile.
Zunächst werden zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Fügeverbindung ein aus einem thermoplastischen Faserverbundwerkstoff hergestelltes erstes Bauteil 1 als erster Fügepartner und ein ebenso aus einem thermoplastischen Faserverbundwerkstoff hergestelltes zweites Bauteil 2 als zweiter Fügepartner zur Verwendung im Karosseriebau bereitgestellt. Diese beiden Bauteile 1 und 2 weisen jeweils einen Fügeabschnitt 1.1 und 2.1 mit einer Klebefläche 1.2 bzw. 2.2 auf. Diese beiden Fügeabschnitte 1.1 und 2.1 sind plattenförmig in der Art eines Flansches ausgebildet, wobei in den Figuren nur diese Fügeabschnitte 1.1 und 2.1 der beiden Bauteile 1 und 2 schematisch dargestellt sind.
Gemäß 1 schließt sich an die Klebefläche 1.2 des Fügeabschnittes 1.1 des ersten Bauteils 1 am freien Ende des Fügeabschnittes 1.1 eine stirnseitige Seitenfläche 1.3 an, an der zwei zueinander beabstandete Fixiernasen 1.4 angeformt sind, die sich in Richtung des plattenförmigen Fügeabschnittes 1.1 erstrecken. Diese Fixiernasen 1.4 sind derart an der Seitenfläche 1.3 angeformt, dass deren zum Fügeabschnitt 2.1 des zweiten Bauteils 2 benachbarte Grundfläche 1.41 in der Ebene der Klebefläche 1.2 des ersten Bauteils 1 liegt.
Nachdem wenigstens auf einer der beiden Klebeflächen 1.2 oder 2.2 Klebstoff 3 aufgetragen wurde, werden die beiden Bauteile 1 und 2 über ihre Klebefläche 1.2 und 2.2 miteinander gefügt, wie dies in 2 dargestellt ist. Hieraus ist ersichtlich, dass die Fixiernasen 1.4 außerhalb der beiden Klebeflächen 1.2 und 2.2 verlaufen und dadurch den Klebeprozess nicht negativ beeinflussen können.
Um die beiden Bauteile 1 und 2 in der in 2 dargestellten Lage zu fixieren, werden die beiden Fixiernasen 1.4 durch einen kurzen und thermischen Energieeintrag 4 über die Schmelztemperatur der thermoplastischen Matrix des Bauteils 1 gebracht und dadurch derart aufgeschmolzen, dass aufgrund des für den Klebeprozess erforderlichen Anpressdruckes (die Mittel zur Erzeugung des Anpressdruckes sind in den Figuren nicht dargestellt) die Oberfläche des Fügeabschnittes 2.1 im Bereich der Fixiernasen 1.4 von dem aufgeschmolzenen thermoplastischen Material benetzt wird, wodurch es zur Ausbildung von Adhäsionskräften kommt. Diesen aufgeschmolzenen Zustand der Fixiernasen 1.4 zeigt 3. Das aufgeschmolzene thermoplastische Material der Fixiernasen 1.4 ist nach wenigen Sekunden erstarrt und führt zu einer die beiden Bauteile 1 und 2 zueinander fixierenden Verbindung. Damit sind die beiden Bauteile 1 und 2 für die weiteren Produktionsschritte, insbesondere für den nachfolgenden Aushärtungsprozess des Klebstoffes 3 zueinander fixiert. Diese Aushärtung des Klebstoffes 3 kann bspw. in einem KTL-Ofen erfolgen.
Bei der Herstellung des Bauteils 1 mit dem Fixiernasen 1.4 kann parallel hierzu im Spritzgussprozess Abstandshalter (in den Figuren nicht dargestellt) im Bereich der Klebefläche 1.2 angespritzt werden, um die Klebeschichtdicke für den Klebstoff 3 zu definieren, wie dies bspw. in der DE 197 37 966 A1 beschrieben ist.
Eine solche mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Klebeverbindung weist folgende Vorteile auf:

– Dadurch dass die Klebeflächen 1.2 und 2.2 der beiden Bauteile 1 und 2 nicht von mechanischen Fixiermittel unterbrochen werden und dadurch ein homogener Klebekontakt entsteht, erfolgt unter Belastung der verbundenen Bauteile 1 und 2 eine homogene Krafteinleitung in die Klebeverbindung.
– Die Funktionalität der verbundenen Bauteile wird durch die Fixiernasen nicht beeinträchtigt, insbesondere erfolgt keine Verletzung der Faserstruktur der Bauteile.
– Es entsteht keine nennenswerte Mehraufwand für Konstruktion und Herstellung eines Bauteils mit den erfindungsgemäßen Fixiernasen 1.4.
– Es sind keine mechanischen Verbindungselemente zum Fixieren der Bauteile entsprechend der DE 197 37 966 A1 erforderlich.
– Das erfindungsgemäße Verfahren kann als einfacher und reproduzierbarer Prozess mit kurzen Zykluszeiten realisiert werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch mit einem zweiten Bauteil 2 durchgeführt werden, welches nicht aus einem thermoplastischen Faserverbundwerkstoff besteht, sondern aus Metall, bspw. als Metallblech aus Aluminium oder Stahl hergestellt ist.
Bezugszeichenliste

1: Erstes Bauteil
1.1: Fügeabschnitt des ersten Bauteils
1.2: Klebefläche des Fügeabschnittes 1.1
1.3: Seitenfläche der Klebefläche 1.2
1.4: Fixiernase des ersten Bauteils 1
1.41: Grundfläche der Fixiernase 1.4
2: Zweites Bauteil
2.1: Fügeabschnitt des zweiten Bauteils
2.2: Klebefläche des Fügeabschnittes 2.1
3: Klebstoff
4: Energieeintrag

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

DE 19737966 A1 [0003, 0004, 0022, 0023]
EP 1972424 A2 [0005]
DE 102011116744 A1 [0006]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Klebeverbindung zwischen zwei aus thermoplastischen Faserverbundwerkstoff hergestellten Bauteilen mit jeweils einem eine Klebefläche aufweisenden Fügeabschnitt, umfassend die folgenden Verfahrensschritte: a) Bereitstellen eines ersten Bauteils mit einem eine Klebefläche aufweisenden Fügeabschnitt und eines zweiten Bauteils mit einem eine Klebefläche aufweisenden Fügeabschnitt, wobei das erste Bauteil (1) wenigstens eine Fixiernase aufweist, die bei über die Klebeflächen aneinander liegenden Fügeabschnitten an dem zweiten Bauteil außerhalb von dessen Klebefläche anliegt, b) Aufbringen von Klebstoff auf wenigstens eine der Klebeflächen, c) Anpressen der beiden Bauteile mit einem vorgegebenen Anpressdruck im Bereich der Klebeflächen unter Anlage der Fixiernase des ersten Bauteils an dem zweiten Bauteil, d) Erzeugen eines thermischen Energieeintrages im Bereich der Fixiernase bis zum Aufschmelzen derselben zur Herstellung einer nach dem Erstarren der aufgeschmolzenen Fixiernase entstehenden Fixierverbindung zwischen dem ersten und zweiten Bauteil, und e) Aushärten des Klebstoffes zur Herstellung der Klebeverbindung.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fixiernase an einer an die Klebefläche angrenzenden Seitenfläche des Fügeabschnittes des ersten Bauteils bei der Herstellung des ersten Bauteils in einem Spritzgussprozess angespritzt ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fixiernase über eine die Klebefläche aufweisende Seitenfläche des Fügeabschnittes des zweiten Bauteils erstreckt.
Klebeverbindung von zwei aus thermoplastischen Faserverbundwerkstoff hergestellten Bauteilen mit jeweils einem eine Klebefläche aufweisenden Fügeabschnitt nach einem der vorhergehenden Ansprüche.