DE102014110908A1

DE102014110908A1 - Thermoplastisches Fügesystem und -verfahren

Info

Publication number: DE102014110908A1
Application number: DE102014110908.2A
Authority: DE
Inventors: c/o STANLEY Engineered Fastening Saltenberger Reimar; c/o STANLEY Engineered Fast Stau Bastian; c/o STANLEY Engineered Fastening T Michel Ralf; c/o STANLEY Engineered Fastenin Brumm Mathias
Original assignee: Newfrey LLC
Current assignee: Newfrey LLC
Priority date: 2014-07-31
Filing date: 2014-07-31
Publication date: 2016-02-04
Also published as: EP2979848A1; EP2979848A8

Abstract

Verbundbauteil (40), das auf eine Fläche eines Werkstückes (28) fügbar ist, mit einem Basiselement (26) aus einem Basismaterial, wobei das Basiselement (26) eine Fläche (44) zum Fügen auf die Werkstückfläche aufweist, wobei in der Basisfläche (44) eine Ausnehmung (42) ausgebildet ist, in der ein Schmelzelement (10) aus einem aufschmelzbaren Kunststoffmaterial angeordnet ist Dabei steht das Schmelzelement (10) im nicht aufgeschmolzenen Zustand gegenüber der Basisfläche (44) axial vor, so dass das Verbundbauteil (40) bei Beginn des Fügevorganges mit dem Schmelzelement (10) auf die Werkstückfläche aufsetzbar ist, wobei das Volumen des Schmelzelements (10) und das Volumen der Ausnehmung (42) so aneinander angepasst sind, dass die Basisfläche (44) sich während des Fügevorganges an die Werkstückfläche annähern kann, um einen Austritt von geschmolzenem Material des Schmelzelementes (10) aus der Ausnehmung (42) heraus zu begrenzen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verbundbauteil, das auf eine Fläche eines Werkstückes fügbar ist, mit einem Basiselement aus einem Basismaterial, wobei das Basiselement eine Basisfläche zum Fügen auf die Werkstückfläche aufweist, wobei in der Basisfläche eine Ausnehmung ausgebildet ist, in der ein Schmelzelement aus einem aufschmelzbaren Kunststoffmaterial angeordnet ist.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Fügeverbindung mit einem derartigen Verbundbauteil und einem Werkstück und betrifft ein Schmelzelement, das sich insbesondere für ein Verbundbauteil der oben genannten Art eignet. Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer thermoplastischen Fügeverbindung unter Verwendung eines Verbundbauteiles und/oder eines Schmelzelementes.
Auf dem Gebiet des Kraftfahrzeug-Karosseriebaus sind unterschiedliche Verfahren bekannt, um flächige Bauteile miteinander zu verbinden oder um Ankerbauteile an flächigen Bauteilen festzulegen. Während in der Vergangenheit die hierbei verwendeten Materialien der Bauteile im Wesentlichen stahlbasiert waren, findet sich im modernen Karosseriebau ein Materialmix aus unterschiedlichsten Materialien, einschließlich Stahl, Aluminium, Kunststoffe und faserverstärkte Verbundmaterialien.
Zum Verbinden von thermoplastischen Kunststoffen ist beispielsweise eine Vielzahl unterschiedlicher Verfahren bekannt. Diese haben jeweils ganz spezielle Vorteile und ganz spezielle Nachteile. Beispielsweise sind laserbasierte Verfahren wie Laserdurchstrahlschweißen und Laserstumpfschweißen relativ teuer und nur bei einer einseitigen Zugänglichkeit anwendbar, jedoch nicht dann, wenn ein zweiseitiger Zugang gefordert ist. Ein zweiseitiger Zugang kann insbesondere dann gefordert sein, wenn ein thermoplastischer Fügeprozess im Inneren eines Hohlraumes ausgeführt wird, beispielsweise im Inneren eines Tankes aus Kunststoff oder dergleichen. In diesem Fall ist es aufgrund der begrenzten Zugänglichkeit im Inneren des Hohlraumes teilweise notwendig, die Prozessenergie von außen zuzuführen, was bei dem genannten Verfahren generell nur schwierig oder gar nicht realisierbar ist. Gleiches gilt auch für das sogenannte Infrarotschweißen. Auch beim sogenannten Spiegelschweißen sowie beim Mikrowellenschweißen und beim Wärmeimpulsschweißen ist ein Fügeprozess bei geforderter zweiseitiger Zugänglichkeit nicht oder nur schwierig realisierbar.
Prozesse wie das Reibschweißen und das Ultraschallschweißen sind umgekehrt ausschließlich dann realisierbar, wenn eine zweiseitige Zugänglichkeit gegeben ist. Bei nur einseitiger Zugänglichkeit sind diese Verfahren nachteilig, zumal dort auch die Druckbelastung auf das jeweilige Bauteil relativ groß ist.
Das thermische Nieten wiederum ist sehr gut bei einseitiger Zugänglichkeit, jedoch nur schwierig bei zweiseitiger Zugänglichkeit realisierbar.
Sowohl eine einseitige als auch eine zweiseitige Zugänglichkeit ist hingegen beim sogenannten Heizdraht-Ω-Schweißen realisierbar, wie auch beim thermoplastischen Schweißen unter Verwendung induktiver Energiezufuhr.
Das Heizdraht-Ω-Schweißen ist relativ nachteilig hinsichtlich der auf das Bauteil aufgebrachten Druckbelastung, hinsichtlich der Prozesszeit und hinsichtlich der Gestaltungsfreiheit. Auch sind die Prozesskosten relativ hoch, wohingegen die Systemkosten vergleichsweise gering sein können.
Bei thermoplastischen Fügeverfahren unter Verwendung von induktiven Energiequellen ist es bekannt, eine Fügekomponente mit einem Halteabschnitt und einem Flanschabschnitt aus thermoplastischem Material bereitzustellen, wobei in den Flanschabschnitt ein Metallabschnitt integriert ist, der axiale Öffnungen aufweist. Der Metallabschnitt ist nach der Art eines Bleches ausgebildet und so in den Flanschabschnitt integriert, dass die Fügefläche durch einen Oberflächenabschnitt des Metallabschnittes und einen Oberflächenabschnitt des Flanschabschnittes gebildet ist. Der Oberflächenabschnitt des Flanschabschnittes bildet einen Rand, der den Metallabschnitt umgibt. Der Metallabschnitt ist induktiv erwärmbar, derart, dass der Rand-Flanschabschnitt aufschmilzt und beim Aufschmelzen der Fügekomponente auf ein Werkstück den Metallabschnitt vollständig einschließt. Eine derartige Fügekomponente ist beispielsweise bekannt aus dem Dokument WO 2010/057599 A1 .
Bei der bekannten Fügekomponente sind der Metallabschnitt und der Flanschabschnitt folglich immer aneinander angepasst, um das gewünschte Aufschmelzverhalten des Flanschabschnitt-Randes zu erzielen.
Aus dem Dokument GB 2 408 972 A ist ein Kraftstofftank für ein Kraftfahrzeug bekannt, bei dem eine Komponente thermoplastisch an eine Innenwand geschweißt ist. Die Komponente weist einen induktiv erwärmbaren Einsatz auf. Die Komponente kann mittels eines Roboters in das Innere des Tanks eingefahren werden. Eine Induktionsspule kann außen an dem Tank bereitgestellt werden. Anstelle eines induktiv erwärmbaren Einsatzes können in die Komponente benachbart zu der Schweißfläche auch Induktionspartikel eingefügt werden, und zwar anstelle des Induktionseinsatzes.
Ein weiteres Verfahren zum Schweißen einer Komponente an eine Innenwand eines Gefäßes ist aus dem Dokument US 2006/01 91 909 A1 bekannt.
Bei diesem Verfahren werden sowohl ein Elektromagnet zum Aufbringen von Axialkräften als auch eine Induktionsspule zum Aufschmelzen von Kunststoffmaterial an der Außenseite des hohlen Gefäßes (Tank) angeordnet.
Ferner ist es allgemein bekannt, in Fügeflächen von thermoplastischen Kunststoff-Bauteilen spulenartige Wendel zu integrieren, die von Strom durchflossen werden können, um die Fügefläche aufzuschmelzen.
Die zuletzt genannten Fügeverfahren und -bauteile besitzen generell den Nachteil, dass die Fügezone jeweils an die Fügeaufgabe anzupassen ist.
Es ist vor diesem Hintergrund eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes thermoplastisches Fügesystem anzugeben.
Diese Aufgabe wird gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung gelöst durch ein Verbundbauteil der eingangs genannten Art, wobei das Schmelzelement im nicht aufgeschmolzenen Zustand gegenüber der Basisfläche axial vorsteht, so dass das Verbundbauteil bei Beginn des Fügevorganges mit dem Schmelzelement auf die Werkstückfläche aufsetzbar ist, wobei das Volumen des Schmelzelementes und das Volumen der Ausnehmung so aneinander angepasst sind, dass die Basisfläche sich während des Fügevorganges an die Werkstückoberfläche annähern kann, um einen Austritt von geschmolzenem Material des Schmelzelementes aus der Ausnehmung heraus zu begrenzen.
Bei einem Fügeprozess mittels dieses Verbundbauteiles wird das Schmelzelement aufgeschmolzen und das Verbundbauteil wird vorzugsweise in Richtung hin zu dem Werkstück angedrückt, so dass sich die Basisfläche beim Aufschmelzen des Schmelzelementes der Werkstückfläche annähert. Hierdurch kann die Fügezone nach Herstellen der Fügeverbindung leichter vor Umwelteinflüssen geschützt werden, beispielsweise vor UV-Strahlung oder durch andere Einflüsse.
Das aufschmelzbare Kunststoffmaterial des Schmelzelementes ist vorzugsweise ein thermoplastisches Kunststoffmaterial. Das Schmelzelement kann in die Ausnehmung auf beliebige Art und Weise eingesetzt werden. Beispielsweise kann das Schmelzelement im einfachsten Fall in die Ausnehmung eingelegt werden, kann jedoch auch darin eingeclipst werden. Auch ein Verkleben des Schmelzelementes mit einer Fläche der Ausnehmung ist möglich.
Das Basismaterial des Basiselementes kann ein beliebiges Material sein, ist jedoch vorzugsweise ebenfalls ein Kunststoffmaterial. In diesem Fall ist es von besonderem Vorzug, wenn das Basiselement und das Schmelzelement in einem 2 K-Verfahren hergestellt werden, beispielsweise gespritzt werden.
Das Verbundbauteil kann nach der Art eines Halters ausgebildet sein, in welchem Fall das Basiselement einen Befestigungsabschnitt aufweist, an dem beispielsweise weitere Gegenstände befestigt werden können, wie Kunststoffclipse oder Leitungen, Abdeckungen und dergleichen. Das Verbundbauteil kann jedoch auch ein strukturelles oder ein Verkleidungsbauteil sein, insbesondere einer Karosserie eines Kraftfahrzeuges. An dem Basiselement können in diesem Fall eine Mehrzahl von Schmelzelementen in jeweiligen Ausnehmungen angeordnet sein, die zum Befestigen des Verbundbauteiles an einem anderen Werkstück gleichzeitig oder nacheinander aufgeschmolzen werden.
Die Basisfläche des Basiselementes kann bei dem Fügeprozess, bei dem das Schmelzelement aufgeschmolzen wird, ebenfalls aufgeschmolzen werden. Es ist jedoch bevorzugt, wenn der Fügeprozess so ausgelegt ist, dass die Basisfläche des Basiselementes bei dem Fügeprozess nicht oder nur wenig aufgeschmolzen wird, so dass sie im Wesentlichen an der Werkstückfläche anliegt. Bei diesem Konzept ist es auch möglich, dass die Kunststoffe des Basiselementes einerseits und eines Werkstückes andererseits unterschiedliche Gitterstrukturen haben können, wie beispielsweise POM und PE. Eine Verschweißung dieser Materialien untereinander ist ohnehin nur bedingt möglich. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann eine solche Verbindung jedoch erfolgen, wie nachstehend noch beschrieben wird, indem das Schmelzelement auf besondere Art und Weise ausgestaltet wird.
Von besonderem Vorzug ist bei dem ersten Aspekt des erfindungsgemäßen Verbundbauteils, wenn das Volumen des Schmelzelementes und das Volumen der Ausnehmung im Wesentlichen gleich groß sind.
Dies wird vorzugsweise dadurch erreicht, dass das Schmelzelement mit einem Boden der Ausnehmung verbunden ist, zwischen einer Umfangsfläche des Schmelzelementes und einer Umfangsfläche der Ausnehmung jedoch ein Spalt vorhanden ist. Hierbei steht das Schmelzelement im nicht aufgeschmolzenen Zustand gegenüber der Basisfläche vor. Wenn das Schmelzelement aufgeschmolzen wird, füllt es den Umfangsspalt aus und tritt in axialer Richtung zurück, so dass es im aufgeschmolzenen Zustand die Ausnehmung vollständig ausfüllen kann. Hierbei kann die Basisfläche des Basiselementes beispielsweise eine Werkstückfläche berühren (mit Aufschmelzung der Basisfläche oder ohne). Selbst dann, wenn die Basisfläche die Werkstückfläche nur berührt, kann ein weitgehender Schutz vor Umwelteinflüssen erreicht werden, beispielsweise auch in einer Umgebung, bei der Fluide die Fügezone auswaschen könnten.
Die Basisfläche kann zudem als Anschlag dienen und/oder kann bei größeren Bauteilen Unebenheiten ausgleichen.
Ein Austritt von aufgeschmolzenem Material des Schmelzelementes kann weitgehend vollständig verhindert werden. Hierdurch ergibt sich eine einheitliche Festigkeit der Fügeverbindung. Auch kann gegebenenfalls ein ungleichmäßiger Schmelzeaustritt vermieden werden, so dass Kerbwirkungen verringert oder vermieden werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Ausnehmung des Basiselementes kreisförmig oder ringförmig, wobei das Schmelzelement ebenfalls kreisförmig oder ringförmig ist.
Die Kreis- oder Ringform ist dabei koaxial zu einer Fügeachse, entlang der das Schmelzelement im nicht aufgeschmolzenen Zustand gegenüber der Basisfläche axial vorsteht.
Bei einem kreisförmigen Schmelzelement kann zwischen einem Außenumfang des Schmelzelementes und einem Innenumfang einer kreisförmigen Ausnehmung ein ringförmiger Spalt ausgebildet sein, der sich bei Aufschmelzen des Schmelzelementes füllt. Bei einem ringförmigen Schmelzelement kann ein solcher Spalt innenumfänglich und/oder außenumfänglich vorgesehen sein.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verbundbauteiles gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung weist das aufschmelzbare Kunststoffmaterial des Schmelzelementes eine induktiv erwärmbare Materialkomponente auf.
Dies kann beispielsweise eine Metallkomponente sein, zum Beispiel in Form eines Lochbleches oder einer gewundenen Anordnung eines Materialkomponentenstranges.
Von besonderem Vorzug ist es jedoch, wie nachstehend noch beschrieben werden wird, wenn die induktiv erwärmbare Materialkomponente durch Metallfasern gebildet ist, die mit dem Kunststoffmaterial des Schmelzelementes vermischt sind.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, die in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ein Verbundbauteil gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung darstellt, weist das Basismaterial ein POM-Material auf, wobei das aufschmelzbare Kunststoffmaterial ein Kombinationsmaterial ist, das ein POM-Material, eine induktiv erwärmbare Materialkomponente und ein weiteres Kunststoffmaterial aufweist, das kein POM-Material ist.
Das POM-Material des Basismaterials ist insbesondere hinsichtlich verschiedener Eigenschaften wie Festigkeit, Härte und Steifigkeit in einem weiten Temperaturbereich vorteilhaft. Daher eignet sich ein solches Basismaterial insbesondere dann, wenn das Verbundbauteil als Trägerbauteil ausgebildet ist, das beispielsweise zum Anclipsen von zu befestigenden Gegenständen verwendet wird. Ein Anwendungsbeispiel ist die Befestigung von Parksensoren an einer Kunststoff-Stoßstange oder dergleichen.
Durch die Maßnahme, dass das Schmelzelement sowohl ein POM-Material als auch ein Nicht-POM-Material beinhaltet, ist es möglich, ein derartiges Verbundbauteil über das Schmelzelement auch an solche Werkstücke zu fügen, die nicht aus POM hergestellt sind.
POM hat nämlich eine deutlich andere Gitterstruktur als viele andere technische Kunststoffe, wie sie im Karosseriebau von Kraftfahrzeugen verwendet werden. Daher lassen POM-Materialien in der Regel nur untereinander verschweißen, jedoch nicht mit Thermoplasten anderer Art.
Durch die Ausgestaltung des Schmelzelementes als 3 K-Kombinationsmaterial aus POM, aus einer induktiv erwärmbaren Materialkomponente und einem weiteren Kunststoffmaterial (das vorzugsweise an das Material des Werkstückes angepasst wird) lassen sich folglich Verbundbauteile mit einem Basiselement aus POM auch auf andere thermoplastische Kunststoffe schweißen.
Über die induktiv erwärmbare Materialkomponente können die beiden Kunststoffarten des Schmelzelementes miteinander gekoppelt bzw. verankert werden. Dies gilt insbesondere dann, wenn die induktiv erwärmbare Materialkomponente durch Metallfasern gebildet wird.
Das Schmelzelement kann bei diesem Aspekt der Erfindung an das Basiselement gespritzt werden.
Es versteht sich, dass die Erfindung gemäß dem zweiten Aspekt in gleicher Weise realisierbar ist, wenn das Basismaterial kein POM-Material ist, wobei das Material des Werkstückes ein POM-Material ist.
Die unterschiedlichen Kunststoffmaterialien des Schmelzelementes können in dem Schmelzelement zu gleichen oder zu unterschiedlichen Anteilen enthalten sein. Die Kunststoffmaterialien können in dem Schmelzelement homogegen vermischt sein, wobei sie sich über die induktiv erwärmbare Materialkomponente verbinden. Es kann auch bevorzugt sein, wenn das Schmelzelement so ausgebildet ist, dass das eine Kunststoffmaterial, beispielsweise POM, vorwiegend im Bereich von einer Fügefläche ausgebildet ist, wohingegen das andere Kunststoffmaterial vorwiegend im Bereich einer axial gegenüberliegenden Fügefläche ausgebildet ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, die auf beide Aspekte eines erfindungsgemäßen Verbundbauteiles anwendbar ist und in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruches 1 eine eigene Erfindung (dritter Aspekt) darstellt, weist das Basiselement eine Öffnung auf, die in die Ausnehmung mündet, so dass das Schmelzelement während des Fügevorganges über die Öffnung beobachtbar ist.
Die Öffnung mündet dabei in die Ausnehmung vorzugsweise in einem Bereich, der der Basisfläche des Basiselementes abgewandt ist. Es ist möglich, dass die Öffnung eine radiale Öffnung durch einen Flanschabschnitt des Basiselementes hindurch aufweist.
Von besonderem Vorzug ist es jedoch, wenn die Öffnung parallel zu der Ausnehmung ausgerichtet ist, sich also in axialer Richtung erstreckt. Dabei kann die Öffnung konzentrisch zu dem Schmelzelement ausgerichtet sein oder exzentrisch hierzu.
Eine Beobachtung des Schmelzelementes während des Fügevorganges kann beispielsweise über ein berührungsloses Thermometer wie ein Pyrometer erfolgen, bei dem eine Oberflächentemperatur des Schmelzelementes mittels eines Infrarot-Sensors erfasst wird.
Eine solche Ausgestaltung ermöglicht es, den Fügeprozess in Abhängigkeit von der Beobachtung des Schmelzelementes, insbesondere in Abhängigkeit von der erfassten Temperatur des Schmelzelementes, zu regeln.
Insgesamt wird die obige Aufgabe ferner gelöst durch eine Fügeverbindung mit einem Verbundbauteil der oben genannten Art sowie mit einem Werkstück, wobei das Werkstück zumindest im Bereich der Werkstückfläche ein Kunststoffmaterial aufweist, bei dem es sich um ein POM-Material handeln kann, bei dem es sich jedoch vorzugsweise um ein Nicht-POM-Material handelt, wie beispielsweise ein PE-Material, PP-Material, ein PC-Material, ein PA-Material, ein PA/PC-ABS-Material, ein ABS-Material, ein Sandwichmaterial wie ein PA-Material auf TPE und dergleichen.
Ferner wird die obige Aufgabe gelöst durch ein Schmelzelement, das insbesondere für ein Verbundbauteil der oben genannten Art verwendbar ist, und zwar in Form eines flachen, vorzugsweise kreis- oder ringförmigen Kunststoffelementes, das ein thermoplastisches, mit Metallfasern durchsetztes Kunststoffmaterial aufweist sowie eine erste Fügefläche zum Fügen an ein erstes Bauteil und eine zweite Fügefläche zum thermoplastischen Fügen an ein zweites Bauteil aufweist.
Das Kunststoffelement kann als solches separat hergestellt werden. Insbesondere kann es direkt in einer Spritzgussmaschine erzeugt werden, wobei die Metallfasern mit Kunststoffgranulat vermischt werden.
Die Verarbeitung ist auch in einem 2 K-Prozess möglich.
Das Schmelzelement kann dann nach der Art einer ”Fügetablette” in großen Stückzahlen hergestellt werden, und anschließend nach Bedarf an unterschiedlichen Bauteilen festgelegt werden, beispielsweise an Verbundbauteilen der oben beschriebenen Art (erste und/oder zweiter und/oder dritter Aspekt) angebracht werden. Die Anbringung an einem solchen Bauteil kann über die erste Fügefläche erfolgen. Das Verbinden mit diesem Bauteil kann durch Einlegen, Einkleben, Einclipsen oder Ähnliches erfolgen, oder durch Anspritzen an dieses Bauteil.
Das Schmelzelement kann folglich für unterschiedliche Arten von Verbundbauteilen oder anderen Bauteilen verwendet werden und kann folglich in großen Stückzahlen hergestellt werden, so dass es kostengünstig bereitgestellt werden kann.
Bei dem Schmelzelement beträgt der Anteil der Metallfasern an dem Schmelzelement vorzugsweise 5 Gew.-% bis 40 Gew.-%, insbesondere 10 Gew.-% bis 30 Gew.-%. Ferner kann die Länge der Metallfasern in einem Bereich von 0,05 mm bis 2 mm liegen, insbesondere in einem Bereich von 0,1 mm bis 1 mm, und vorzugsweise in einem Bereich von 0,15 mm bis 0,75 mm.
Die Faserdicke kann kleiner sein als die Länge der Metallfasern. Insbesondere kann die Dicke der Metallfasern vorzugsweise kleiner sein als die halbe Länge der Metallfasern, insbesondere kleiner als die viertel Länge der Metallfasern, vorzugsweise kleiner als ein Zehntel der Länge der Metallfasern, und besonders bevorzugt kleiner als ein Zwanzigstel der Länge der Metallfasern.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Metallfasern aus einem korrosionsfesten, induktiv erwärmbaren Metall hergestellt, wie beispielsweise einem Edelstahl. Der Edelstahl kann beispielsweise vom Typ 1.4113 sein.
Durch diese Maßnahme kann eine Korrosion der Metallfasern verhindert werden, die die Fügezone insbesondere in einem Umfeld mit aggressiven Fluiden (z. B. Kraftfahrzeugtank oder Stoßfängerbereich oder Ähnliches) negativ beeinträchtigen könnte.
Es versteht sich, dass das Schmelzelement neben dem einen thermoplastischen, mit Metallfasern durchsetzen Kunststoff auch einen zweiten Kunststoff aufweisen kann, so dass das Schmelzelement vorzugsweise ein erstes Kunststoffmaterial und ein zweites Kunststoffmaterial aufweist. Das erste Kunststoffmaterial kann beispielsweise ein POM-Material sein, und das zweite Kunststoffmaterial kann beispielsweise ein Nicht-POM-Material sein.
Die obige Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen einer thermoplastischen Fügeverbindung unter Verwendung eines Verbundbauteils der oben beschriebenen Art und/oder eines Schmelzelementes der oben beschriebenen Art, wobei die thermoplastische Fügeverbindung unter Verwendung einer elektromagnetischen Induktions-Energiequelle ausgebildet wird.
Die von der Induktions-Energiequelle bereitgestellte Energie kann durch ein Werkstück (insbesondere aus Kunststoff) hindurchgehen, so dass die Energiequelle auf einer anderen axialen Seite angeordnet sein kann als jene Seite, an der die Fügeverbindung durchzuführen ist. Umgekehrt kann die Energiequelle jedoch auch auf der gleichen Seite angeordnet sein. Das Verfahren eignet sich sowohl bei einseitiger als auch bei zweiseitiger Zugänglichkeit der Fügezone.
Die Induktions-Energiequelle wird vorzugsweise mit hohen Frequenzen im Bereich von 100 bis 2000 kHz betrieben. Es hat sich herausgestellt, dass bei Frequenzen in dieser Größenordnung die oben genannten Metallfasern besonders gut und schnell erwärmt werden können, so dass ein schnelles Aufschmelzen des Schmelzelementes ermöglicht wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es von Vorteil, wenn bei der Herstellung der Fügeverbindung eine Schmelztemperatur von aufgeschmolzenem Material erfasst wird, insbesondere von aufgeschmolzenem Material des Schmelzelementes, und wobei die Dauer und/oder die Höhe der Energiezufuhr mittels der Induktions-Energiequelle in Abhängigkeit von der Schmelztemperatur angepasst wird.
Hierdurch kann eine hohe Prozesssicherheit erreicht werden, da die Fügeverbindung durch Regeln der Induktions-Energiequelle hergestellt werden kann.
Die Erfassung der Schmelztemperatur erfolgt vorzugsweise über eine Öffnung in einem Basiselement eines Verbundbauteiles.
Die Schmelztemperaturwird vorzugsweise über eine IR-Temperaturmessung ermittelt, beispielsweise mittels eines Pyrometers.
Weitere Parameter der Regelung können die Wandstärke des Werkstückes, auf die ein Verbundbauteil zu fügen ist, der Materialtyp des Werkstückes, die Geometrie des Werkstückes sowie die geforderten Fügeparameter sein. Auch können weitere Parameter sein die Art der Oberflächen sowie die geforderten Abzugs- bzw. Scherkräfte.
Bei zweiseitiger Zugänglichkeit und induktiver Erwärmung über die der Fügezone abgewandten Seite des Werkstückes ist die Wandstärke des Werkstückes vorzugsweise kleiner als 10 mm, insbesondere kleiner als 7 mm und vorzugsweise kleiner gleich 5 mm.
Die Erfindung erreicht in wenigstens einigen ihrer Aspekte eine hervorragende Kombination von Kriterien, die die Anwendungsbreite, die Zugänglichkeit (einseitig/zweiseitig), den auf das Bauteil auszuübenden Druck, die Prozesszeit, die Haltefähigkeit, die Gestaltungsfreiheit, die Verwendung von Zusatzwerkstoffen, den Austritt von Schmelze, die Fügequalität, die Fügesystemkosten und/oder die Fügeprozesskosten beinhalten können.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Längsschnittansicht durch eine Fügeanordnung vor ihrer Herstellung;
2 die Fügeanordnung der 1 nach ihrer Herstellung;
3 eine schematische Längsschnittansicht durch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verbundbauteiles;
4 eine Längsschnittansicht durch eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verbundbauteiles;
5 eine schematische Längsschnittansicht durch eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verbundbauteiles;
6 eine Fügeanordnung, die mittels des Fügeverbundbauteiles der 5 hergestellt ist;
7 eine schematische Längsschnittansicht durch eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verbundbauteiles;
8 eine Längsschnittansicht durch eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verbundbauteiles;
9 eine schematische Darstellung von Materialkombinationen bei Fügeverbindungen der erfindungsgemäßen Art; und
10 eine schematische Darstellung einer Fügeanordnung zur Herstellung einer Fügeverbindung der erfindungsgemäßen Art.
In 1 ist ein Schmelzelement 10 zur Herstellung einer thermoplastischen Fügeverbindung schematisch dargestellt und generell mit 10 bezeichnet. Das Schmelzelement 10 weist wenigstens ein Kunststoffmaterial 12 (ein POM- oder ein Nicht-POM-Material) auf, das mit induktiv erwärmbaren Fasern, insbesondere Metallfasern 14 durchsetzt ist. Die Metallfasern sind insbesondere Edelstahlfasern aus dem Material 1.4113, weisen vorzugsweise eine Länge im Bereich von 0,05 mm bis 2 mm und eine deutlich kleinere Faserdicke auf. Der Anteil der Metallfasern an dem Gesamtvolumen des Schmelzelementes 10 liegt im Bereich von 5 Gew.-% bis 40 Gew.-%.
Das Schmelzelement 10 ist als tablettenartiges flaches Kunststoffelement ausgebildet, das eine axiale Höhe 16 und einen Durchmesser 18 besitzt. Der Durchmesser 18 ist vorzugsweise wenigstens doppelt so groß wie die Höhe 16. Das Schmelzelement 10 ist vorzugsweise rotationssymmetrisch in Bezug auf eine Längsachse 20 ausgebildet, weist also in der Draufsicht eine Kreisform auf. Alternativ hierzu kann das Schmelzelement 10 in der Draufsicht auch eine polygonale, eine elliptische oder eine sonstige Form aufweisen, die an den jeweiligen Verwendungszweck angepasst ist.
Das Schmelzelement 10 weist auf einer ersten axialen Seite eine erste Fügefläche 22 und auf einer gegenüberliegenden axialen Seite eine zweite Fügefläche 24 auf.
Die erste Fügefläche 22 ist dazu ausgebildet, um das Schmelzelement 10 auf eine nicht näher bezeichnete Werkstückfläche eines ersten Werkstückes bzw. ersten Bauteils 26 zu fügen. Die gegenüberliegende zweite Fügefläche 24 ist dazu ausgebildet, um das Schmelzelement 10 thermoplastisch auf ein zweites Werkstück bzw. ein zweites Bauteil 28 zu fügen.
Die Verbindung zwischen dem Schmelzelement 10 und dem ersten Bauteil 26 kann eine mechanische Verbindung sein, kann jedoch auch eine Klebstoffverbindung sein oder auch eine thermoplastische Schweißverbindung. Zur Herstellung der thermoplastischen Fügeverbindung zwischen dem Schmelzelement 10 und dem zweiten Bauteil 28 ist eine Induktions-Energiequelle 30 vorgesehen, mittels der ein elektromagnetisches Feld erzeugt werden kann, das vorzugsweise in einem Frequenzbereich von 100 kHz bis 2000 kHz betrieben wird.
Die Induktions-Energiequelle 30 kann mit einer Induktionssonde in Form einer Induktionsschleife oder dergleichen verbunden sein, mittels der das elektromagnetische Feld im Bereich der zweiten Fügefläche 24 aufgebaut wird. Eine solche Sonde kann auf der dem Schmelzelement 10 gegenüberliegenden axialen Seite des zweiten Bauteils 28 angeordnet sein (bei zweiseitiger Zugänglichkeit), oder kann auf der gleichen axialen Seite des zweiten Bauteils 28 angeordnet sein wie das Schmelzelement 10 (bei einseitiger Zugänglichkeit des zweiten Bauteils 28).
Ausgehend von einem Zustand, bei dem das Schmelzelement 10 über die erste Fügefläche 22 mit dem ersten Bauteil 26 verbunden ist, wird das hierdurch gebildete Verbundbauteil dann über das Schmelzelement 10 und dessen zweite Fügefläche 24 thermoplastisch mit dem zweiten Bauteil 28 verbunden, indem eine gewisse Axialkraft ausgeübt wird, die jedoch relativ klein sein kann, und indem über die Induktions-Energiequelle 30 die Metallfasern 14 in dem Schmelzelement 10 erwärmt werden, wodurch der Kunststoff 12 des Schmelzelementes 10 aufgeschmolzen wird und eine thermoplastische Schweißverbindung mit dem zweiten Bauteil 28 eingehen kann. Es versteht sich hierbei, dass die hierdurch gebildete Fügeverbindung zwischen dem Schmelzelement 10 und dem zweiten Bauteil 28 so sein kann, dass im Wesentlichen nur das Material des Schmelzelementes 10 aufgeschmolzen wird. In der Praxis wird jedoch aufgrund des Kontaktes und der Kraft 31 zumindest oberflächlich auch ein Teil des zweiten Bauteils 28 angeschmolzen, wenn dieses aus Kunststoff hergestellt ist. Für diesen Fall weisen die Kunststoffe des Schmelzelementes 10 und des zweiten Bauteils 28 jeweils solche Gitterstrukturen auf, dass ein thermoplastischer Schweißvorgang möglich ist. Hierbei verbinden sich im Idealfall zumindest oberflächlich die Schmelzen des Schmelzelementes 10 und des zweiten Bauteils 28, so dass eine stoffschlüssige Verbindung eingerichtet wird.
2 zeigt zum einen eine erste Fügeverbindung 32 zwischen dem Schmelzelement 10 und dem ersten Bauteil 26. Zum anderen ist die thermoplastische zweite Fügeverbindung 34 zwischen dem Schmelzelement 10 und dem zweiten Bauteil 28 gezeigt. Insgesamt wird erreicht, dass sich über das Schmelzelement 10 das erste Bauteil 26 und das zweite Bauteil 28 miteinander verbinden lassen.
Das Schmelzelement 10 kann während des Fügeprozesses vollständig aufgeschmolzen werden, so dass sich dessen axiale Höhe 36 verkleinert und dessen Durchmesser 18 vergrößert, was in 2 jedoch nicht im Detail dargestellt ist.
Wie erläutert, kann das Schmelzelement 10 einen Kunststoff 12 und Metallfasern 14 beinhalten. Das Schmelzelement 10 kann jedoch auch einen ersten Kunststoff, wie beispielsweise ein POM-Material, Metallfasern 14 und einen weiteren Kunststoff, zum Beispiel ein Nicht-POM-Material, beinhalten. Bei einem derartigen 3 K-Kombinationsmaterial für das Schmelzelement 10 lassen sich auch Bauteile 26, 28 miteinander verbinden, von denen eines ein POM-Material sein kann und von denen das andere ein Nicht-POM-Material sein kann. Die Auswahl aus POM-Material und Nicht-POM-Material ist lediglich beispielhaft zu verstehen. Generell ist dieses Prinzip auf jede Art von Kunststoffkombinationen anwendbar, die beispielsweise aufgrund ihrer Gitterstruktur in der Regel nicht direkt thermoplastisch miteinander verschweißbar sind.
3 zeigt eine axiale schematische Schnittansicht durch ein Verbundbauteil 40, das ein Schmelzelement 10' sowie ein Basiselement 26' aufweist, wobei das Basiselement 26' dem ersten Bauteil 26 der 1 und 2 entsprechen kann. Bei dieser wie auch bei den folgenden Ausführungsformen können die Schmelzelemente 10' etc. hinsichtlich des Aufbaus dem der 1/2 entsprechen.
Das Basiselement 26' weist bei dieser Ausführungsform eine axiale Ausnehmung 42 auf, in die das Schmelzelement 10' eingesetzt ist. Das Schmelzelement 10' kann dabei gegenüber einer Basisfläche 44 des Basiselementes 26' vorstehen oder bündig in die Ausnehmung 42 eingelassen sein.
Sofern das Schmelzelement 10 in einer solchen Ausnehmung 42 aufgenommen ist, kann eine thermoplastische Schweißverbindung mit einem zweiten Bauteil 28 hergestellt werden, wobei ein radialer Austritt von Schmelze des Schmelzelementes 10' überwiegend verhindert werden kann, wodurch die hergestellte Fügeverbindung weitgehend geschützt ist gegenüber Umwelteinflüssen und dergleichen.
3 zeigt ferner, dass das Basiselement 26' einen Befestigungsabschnitt 46 aufweisen kann. Bei dieser Variante kann das Verbundbauteil 40 beispielsweise nach der Art eines Ankers an Kunststoffträgern durch thermoplastisches Schweißes festgelegt werden, wobei das Verbundbauteil 14 dann beispielsweise als Anker für weitere zu befestigende Gegenstände dient, beispielsweise für Kunststoffclips oder direkt für Leitungen, Teppiche, Verkleidungen etc.
Das Basiselement 26' kann ferner eine axiale Öffnung 50 aufweisen, über die das Schmelzelement 10' während eines Fügeprozesses beobachtbar ist, insbesondere hinsichtlich der Schmelztemperatur. Die Öffnung 50 kann, wie gezeigt, konzentrisch zu dem Schmelzelement 10' ausgebildet sein, kann jedoch auch exzentrisch angeordnet sein. Anstelle einer axialen Öffnung 50 kann auch eine radiale Öffnung in dem Basiselement 26' ausgebildet sein.)
4 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Verbundbauteils 40'', das hinsichtlich Aufbau und Funktionsweise generell dem Verbundbauteil 40 der 3 entspricht. Gleiche Elemente sind daher durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet.
Bei dem Verbundbauteil 40'' der 4 ist in der Basisfläche 44'' des Basiselementes 26'' eine ringförmige Ausnehmung 42'' ausgebildet, in die ein ringförmiges Schmelzelement 10'' eingesetzt ist.
4 zeigt ferner eine exzentrisch angeordnete Öffnung 50'' zur Beobachtung des Schmelzelementes 10'' während eines Fügevorganges. Das Basiselement 26'' der 4 weist ferner eine zentrale Aufnahme 51 auf, die als axial durchgehende Aufnahme ausgebildet sein kann, jedoch nicht sein muss. Die Aufnahme 51 kann beispielsweise zum Aufnehmen von Sensoren oder dergleichen dienen, wie sie beispielsweise zur Parkabstandsermittlung verwendet werden. Die Aufnahme 51 ist folglich in einem Befestigungsabschnitt 46'' des Basiselementes 26'' ausgebildet. Es versteht sich für diesen Fall, dass beispielsweise das zweite Bauteil 28 auch eine Durchgangsöffnung aufweisen kann, so dass ein in der Aufnahme 51 montierter Sensor auch durch das zweite Bauteil 58 hindurch ”blicken” kann, sofern das Verbundbauteil 40'' auf ein solches zweites Bauteil 28 (wie beispielsweise eine Stoßstange) geschweißt wird.
In 4 ist ferner zu erkennen, dass das Schmelzelement 10'' im nicht aufgeschmolzenen Zustand in axialer Richtung gegenüber der Basisfläche 44'' vorsteht.
5 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Verbundbauteils 40'''. Dieses ist im Grunde ähnlich aufgebaut wie das Verbundbauteil 40 der 3. Gleiche Elemente sind daher durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet. Im Folgenden werden im Wesentlichen die Unterschiede erläutert.
Bei dem Verbundbauteil 40''' der 5 ist die Ausnehmung 42''' so ausgebildet, dass ihr Volumen (gemessen ab der Basisfläche 44''') im Wesentlichen gleich dem Volumen eines darin eingesetzten Schmelzelementes 24''' ist. Das Schmelzelement 24''' steht in axialer Richtung gegenüber der Basisfläche 44''' vor, wie es in 5 bei 53 dargestellt ist. Durch die annähernd gleichen Volumina ist dabei zwischen dem Schmelzelement 10''' und einem Innenumfangsrand der Ausnehmung 42''' ein Ringspalt 52 gebildet.
Bei der Ausführungsform der 5 ist die Öffnung 50''' wiederum eine axiale zentrale Öffnung, und der Befestigungsabschnitt 46''' weist bei dieser Ausführungsform eine Umfangsnut auf, die beispielsweise zur Festlegung von weiteren Gegenständen dienen kann.
In 6 ist gezeigt, wie das Verbundbauteil 40''' auf ein zweites Bauteil 28 gefügt wird. Hierbei wird eine Fügeanordnung 54 verwendet. Die Fügeanordnung 54 beinhaltet einen Halter 56, an dem das Verbundbauteil 40''' gehalten wird. Die Fügeanordnung 54 ist ferner dazu ausgebildet, auf den Halter 56 und damit auf das Verbundbauteil 40''' eine Axialkraft 31 auszuüben.
Die Fügeanordnung 54 beinhaltet ferner eine Induktionsschleife 58, die mit einer Induktions-Energiequelle 30 gekoppelt ist. Über die Induktionsschleife 58, die bei der Ausführungsform der 6 auf der dem Verbundbauteil 40''' axial gegenüberliegenden Seite des zweiten Bauteils 28 angeordnet ist (zweiseitige Zugänglichkeit), werden die Metallfasern des Schmelzelementes 10''' induktiv erwärmt, wodurch der Kunststoff (oder die Kunststoffe) des Schmelzelementes 10 aufschmelzen. Durch die Kraft 31 wird das Verbundbauteil 40''' so weit auf das zweite Bauteil 28 gedrückt, bis die Basisfläche 44''' auf der Werkstückfläche des zweiten Bauteils 28 aufliegt. In diesem Zustand füllt das geschmolzene Material des Schmelzelementes 10''' das Volumen der Ausnehmung 42''' vollständig aus, wie es in 6 dargestellt ist. Durch die Tatsache, dass die Basisfläche 44''' an der Fläche des zweiten Bauteils 28 anliegt, wird ein radialer Austritt von aufgeschmolzenem Material des Schmelzelementes 10''' verhindert. Die Fügezone kann daher gegenüber Umwelteinflüssen geschützt werden. Ein Herausspülen von Material aus der Fügezone kann verhindert werden, so dass die Metallfasern nicht freigelegt werden. Auch ist ein Schutz gegenüber UV-Strahlung erreicht.
Um den Fügevorgang genau steuern zu können, ist vorgesehen, dass die Fügeanordnung 54 ferner ein Thermometer 60 beinhaltet, das die Temperatur des Schmelzelementes 10''' misst, und zwar berührungslos über einen Infrarot-Sensor, der beispielsweise in ein Pyrometer 60 eingebaut sein kann. Die über den Temperatursensor (Pyrometer) 60 ermittelte Temperatur wird einer Steuereinrichtung 62 der Fügeanordnung 54 zugeleitet, die in Abhängigkeit von der Temperatur der Fügezone die Induktions-Energiequelle 30 ansteuert, und zwar um die Dauer und/oder die Höhe der Energiezufuhr zu der Induktionsschleife 58 in Abhängigkeit von der Temperatur einzustellen bzw. zu regeln.
7 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Verbundbauteils 40 ^IV das ein Basiselement 26 ^IV aufweist, an dem zwei Ausnehmungen 42 ^IV ausgebildet sind, in die jeweils Schmelzelemente 10 ^IV eingesetzt sind. Hierüber lässt sich das Basiselement 26 ^IV über eine Mehrzahl von Kontaktstellen mit einem weiteren Bauteil verbinden. Jede der Fügezonen ist dabei in ähnlicher Weise ausgebildet wie bei der Ausführungsform der 5.
8 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Verbundbauteils 40 ^V, bei dem, ähnlich wie bei der Ausführungsform der 4, ein ringförmiges Schmelzelement 10 ^V in eine ringförmige Ausnehmung 42 ^V eingesetzt ist, und zwar derart, dass sowohl am Innenumfang als auch am Außenumfang des Schmelzelementes 10 ^V ein Ringspalt 52 ^V verbleibt.
Wie bei der Ausführungsform der 4 ist in dem Basiselement 26 ^V eine zentrale Durchbrechung 68 vorgesehen, die beispielsweise als Aufnahme 51 für ein weiteres Teil dienen kann. 8 zeigt ferner, dass an der Basisfläche 44 ^V konzentrisch zu der Ausnehmung 42 ^V ein Ringsteg 70 vorgesehen sein kann, der gegenüber der Basisfläche 44 ^V in axialer Richtung vorsteht, jedoch um ein Vorsprungmaß 72, das kleiner ist als der Vorsprung 53, um den das Schmelzelement 10 ^V gegenüber der Basisfläche 44 ^V vorsteht. Der Ringsteg 70 kann beispielsweise zur frühzeitigen Schließung des radial äußeren Ringspaltes 52 ^V während eines Fügeprozesses dienen, so dass aufgeschmolzenes Material des Schmelzelementes 10 ^V nicht radial nach außen gelangen kann. Ferner ist es denkbar, dass im Rahmen des Fügeverfahrens der Ringsteg 70 ebenfalls aufgeschmolzen wird, um die Fügezone radial nach außen komplett abzudichten.
9 zeigt eine der 1 vergleichbare Ansicht eines Schmelzelementes 10 ^VI, das thermoplastisch mit einem ersten Bauteil 26 ^VI und mit einem zweiten Bauteil 28 ^VI zu verbinden ist. Das erste Bauteil 26 ^VI besteht aus einem Kunststoff eines ersten Materialtyps, wie beispielsweise PE. Das zweite Bauteil 28 ^VI besteht aus einem zweiten Materialtyp, beispielsweise POM. Diese beiden Kunststoffmaterialien weisen unterschiedliche Gitterstrukturen auf, so dass sie sich thermoplastisch nicht oder nur schwer direkt miteinander verschweißen lassen.
Das Schmelzelement 10 ^VI weist ein erstes Kunststoffmaterial auf, das beispielsweise identisch zu dem Kunststoffmaterial des ersten Bauteils 26 ^VI sein kann, jedenfalls eine ähnliche oder vergleichbare Gitterstruktur aufweist, so dass ein Verschweißen mit dem Kunststoffmaterial des ersten Bauteils 26 ^VI möglich ist. Ferner beinhaltet das Schmelzelement 10 ^VI ein zweites Kunststoffmaterial, das eine vergleichbare Gitterstruktur aufweist wie POM, beispielsweise POM.
Die beiden Kunststoffmaterialien sind in dem Schmelzelement 10 ^VI über die Metallfasern 14 miteinander verbunden und verankern sich in diesen. Über das Schmelzelement 10 ^VI, das als 3 K-Kombinationsmaterial ausgebildet ist, lassen sich die unterschiedlichen Bauteile 26 ^VI und 28 ^VI miteinander thermoplastisch verschweißen.
Wie es in 9 dargestellt ist, können die zwei Kunststoffmaterialien des Schmelzelementes 10 ^VI gleichmäßig über das Volumen des Schmelzelementes 10 ^VI vermischt sein, können jedoch auch räumlich voneinander getrennt sein, so dass die zwei Kunststoffmaterialien des Schmelzelementes 10 ^VI in axialer Richtung voneinander getrennt sind oder zumindest an den axialen Enden in unterschiedlichen Konzentrationen vorhanden sind, so dass die thermoplastischen Schweißprozesse mit den jeweiligen Bauelementen 26 ^vI und 28 ^VI vereinfacht werden.
10 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Fügeanordnung 54', die einen Roboter 76 aufweist, an dem ein Handhabungssystem 78 vorgesehen ist, mittels dessen ein Fügekopf 80 geführt wird. Der Fügekopf 80 kann beispielsweise in einen Hohlraum 82 eingeführt werden. Der Fügekopf 80 beinhaltet einen Halter (nicht dargestellt) für ein Verbundbauteil 40 und kann innerhalb des Hohlraumes 82 so positioniert werden, dass das Verbundbauteil 40 auf eine Innenwand des Gefäßes gefügt werden kann, das den Hohlraum 82 bildet, beispielsweise ein Tank aus Kunststoff für ein Kraftfahrzeug oder dergleichen.
In 10 ist zu erkennen, dass bei zweiseitiger Zugänglichkeit eine Induktionsschleife 58 einer Induktions-Energiequelle 30 außerhalb des Gefäßes angeordnet sein kann. Alternativ hierzu kann eine solche Induktionsschleife 58A jedoch auch innerhalb des Hohlraumes 82 angeordnet werden, also verbunden mit dem Fügekopf 80. Letztere Variante ist insbesondere bei einseitiger Zugänglichkeit bevorzugt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2010/057599 A1 [0009]
GB 2408972 A [0011]
US 2006/0191909 A1 [0012]

Claims

Verbundbauteil (40), das auf eine Fläche eines Werkstückes (28) fügbar ist, mit einem Basiselement (26) aus einem Basismaterial, wobei das Basiselement (26) eine Fläche (44) zum Fügen auf die Werkstückfläche aufweist, wobei in der Basisfläche (44) eine Ausnehmung (42) ausgebildet ist, in der ein Schmelzelement (10) aus einem aufschmelzbaren Kunststoffmaterial angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Schmelzelement (10) im nicht aufgeschmolzenen Zustand gegenüber der Basisfläche (44) axial vorsteht, so dass das Verbundbauteil (40) bei Beginn des Fügevorganges mit dem Schmelzelement (10) auf die Werkstückfläche aufsetzbar ist, wobei das Volumen des Schmelzelements (10) und das Volumen der Ausnehmung (42) so aneinander angepasst sind, dass die Basisfläche (44) sich während des Fügevorganges an die Werkstückfläche annähern kann, um einen Austritt von geschmolzenem Material des Schmelzelementes (10) aus der Ausnehmung (42) heraus zu begrenzen.
Verbundbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen des Schmelzelementes (10) und das Volumen der Ausnehmung (42) im Wesentlichen gleich groß sind.
Verbundbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (42) kreisförmig oder ringförmig ist, wobei das Schmelzelement (10) ebenfalls kreisförmig oder ringförmig ist.
Verbundbauteil nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass das aufschmelzbare Kunststoffmaterial des Schmelzelementes (10) eine induktiv erwärmbare Materialkomponente (14) aufweist.
Verbundbauteil nach einem der Ansprüche 1–4 oder nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Basismaterial ein POM-Material aufweist, wobei das aufschmelzbare Kunststoffmaterial ein Kombinationsmaterial ist, das ein POM-Material, eine induktiv erwärmbare Materialkomponente (14) und ein weiteres Kunststoffmaterial aufweist, das kein POM-Material ist.
Verbundbauteil nach einem der Ansprüche 1–5 oder nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Basiselement (26) eine Öffnung (50) aufweist, die in die Ausnehmung (42) mündet, so dass das Schmelzelement (10) während des Fügevorganges über die Öffnung (50) beobachtbar ist.
Verbundbauteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (50) parallel zu der Ausnehmung (42) ausgerichtet ist.
Fügeverbindung mit einem Verbundbauteil (40) nach einem der Ansprüche 1–7 und einem Werkstück (28), wobei das Werkstück (28) zumindest im Bereich der Werkstückfläche ein Kunststoffmaterial aufweist.
Schmelzelement (10), insbesondere für ein Verbundbauteil (40) nach einem der Ansprüche 1–7, in Form eines flachen, vorzugsweise kreis- oder ringförmigen Kunststoffelementes, das ein thermoplastisches, mit Metallfasern durchsetztes Kunststoffmaterial aufweist sowie eine erste Fügefläche (22) zum Fügen an ein erstes Bauteil (26) und eine zweite Fügefläche (24) zum thermoplastischen Fügen an ein zweites Bauteil (28) aufweist.
Schmelzelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der Metallfasern an dem Schmelzelement (10) 5 Gew.-% bis 40 Gew.-% beträgt, insbesondere 10 Gew.-% bis 30 Gew.-%, und/oder dass die Länge der Metallfasern im Bereich von 0,05 mm bis 2 mm liegt, insbesondere im Bereich von 0,1 mm bis 1 mm, vorzugsweise im Bereich von 0,15 mm bis 0,75 mm.
Schmelzelement nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallfasern aus einem korrosionsfesten, induktiv erwärmbaren Metall hergestellt sind.
Schmelzelement nach einem der Ansprüche 9–11, dadurch gekennzeichnet, dass das Schmelzelement (10) ein erstes Kunststoffmaterial aufweist und ein zweites Kunststoffmaterial aufweist.
Verfahren zum Herstellen einer thermoplastischen Fügeverbindung unter Verwendung eines Verbundbauteils (40) nach einem der Ansprüche 1–7 und/oder eines Schmelzelementes (10) nach einem der Ansprüche 9–12, wobei die thermoplastische Fügeverbindung unter Verwendung einer elektromagnetischen Induktions-Energiequelle (30) ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei bei der Herstellung der Fügeverbindung eine Schmelztemperatur von aufgeschmolzenem Material erfasst wird und wobei die Dauer und/oder die Höhe der Energiezufuhr mittels der Induktions-Energiequelle (30) in Abhängigkeit von der Schmelztemperatur angepasst wird.