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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Verfahren zum Fügen von Werkstü- cken mithilfe einer leitfähigen Tinte und eines leitfähigen Niets.
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Bezüglich des Standes der Technik sei an dieser Stelle auf die
US 4 556 439 A verwiesen, gemäß der zum Fügen zweier Bauteile ein beschichteter Bolzen zum Einsatz kommt. Ferner ist es aus der
JP H07 - 214 338 A1 bekannt, einen Verbinder während des Formpressens eines Werkstücks in dasselbe einzubetten. Weiterer Stand der Technik findet sich in
DE 102004025492 A1 .
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HINTERGRUND
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Fahrzeuge werden zunehmend so gefertigt, dass sie Kunststoffe und andere Polymere anstelle von traditionellen Materialien wie z. B. Metall umfassen. Polymere wie z. B. faserverstärkte Polymere (FRP, vom engl. fiber-reinforced polymers) sind allgemein leichter und können eine vergleichbare Festigkeit aufweisen. Sie können auch einfacher wunschgemäß geformt, strukturiert und gefärbt werden.
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Die zunehmende Verwendung in Automobilen kann beispielsweise in Armaturenbrettern und Türblättern, Leuchten, Luftkanälen, Lenkrädern, Polsterung, LKW-Pritschen oder anderen Fahrzeugaufbewahrungsräumlichkeiten, Polsterung und sogar Motorkomponenten umfassen.
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Die zunehmende Verwendung in Automobilen umfasst beispielsweise in Armaturenbrettern und Türblättern, Leuchten, Luftkanälen, Lenkrädern, Polsterung, LKW-Pritschen oder anderen Fahrzeugaufbewahrungsräumlichkeiten, Polsterung, äußeren Teilen und sogar Motorkomponenten. Was Motorkomponenten und andere Anwendungen unter der Motorhaube (oder UTH, vom engl. under-the-hood) betrifft, sind z. B. Polymere ausgestaltet und werden fortlaufend entwickelt, die einer heißen und/oder chemisch aggressiven Umgebung standhalten können. Was äußere Teile wie z. B. Kotflügel betrifft, werden Polymere entwickelt, die am Band lackierbar sind und hohe Hitze- und Chemikalienbeständigkeit über längere Zeitspannen aufweisen. Und es wird fortgesetzt über andere mögliche Verwendungen in Kraftfahrzeuganwendungen nachgedacht.
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Mit diesem Trend gewinnt das Erkunden von Möglichkeiten, Polymerkomponenten effizient und effektiv zusammenzubauen und zu fügen, zunehmend an Bedeutung.
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Eine Möglichkeit, thermoplastische Polymere, insbesondere zwei unterschiedliche Polymere, zu fügen, ist die Verwendung des Ultraschallschweißens. Bei dieser Technik werden akustische Hochfrequenz-Ultraschallschwingungen auf zwei Polymerkomponenten angewendet. Die Schwingungen werden angewendet, während die Komponenten unter Druck zusammengehalten werden, um eine Schmelzschweißnaht zu erzeugen.
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Die Unzulänglichkeiten des herkömmlichen Ultraschallschweißens umfassen jene bezüglich der erforderlichen Energiemenge. Eine dieser Herausforderungen ist die unerwünschte Zykluszeit. Üblicherweise ist z. B. ein Bereich von etwa zwölf bis etwa zwanzig Sekunden oder mehr erforderlich.
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Für herkömmliche zweiseitige Schweißverfahren besteht eine andere dieser Unzulänglichkeiten in der Notwendigkeit, auf die Werkstücke von entgegengesetzten Seiten zuzugreifen, was aufgrund von Umweltschutzauflagen bei der Produktion gegebenenfalls nicht machbar sein kann.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Die vorliegende Technologie betrifft eine Hybrid-Nietwiderstandsschweißtechnik. Die Technik beinhaltet das Aufbringen eines leitfähigen Fluids in Form einer leitfähigen Tinte zwischen den Teilen, wo die Fügestelle gebildet werden soll. Ein mechanischer, leitfähiger Verbinder in Form eines Niets wird in ein erstes der Werkstücke, die gefügt werden, bis zu zumindest einer Distanz eingebettet, durch die der Verbinder das leitfähige Fluid erreicht. In einigen Ausführungsformen ist der Niet derart dimensioniert und geformt, dass er sich bis zu einem zweiten der Werkstücke, die gefügt werden, erstreckt, wenn er eingesetzt ist.
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Dann wird ein elektrischer Strom über den Niet an die leitfähige Tinte angelegt, um ohmsche Wärme zu produzieren und die Werkstücke zusammenzuschweißen.
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Figurenliste
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- 1 ist eine Querschnittsansicht eines Systems und zweier Werkstücke, die mit dem System gefügt werden sollen, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
- 2 ist eine obere Draufsicht einer Elektrode des in 1 gezeigten Systems.
- 3 illustriert ein Verfahren zum Implementieren der vorliegenden Technologie.
- 4 illustriert das System und die Werkstücke von 1 bei einer ersten ausgewählten Verarbeitungsstufe.
- 5 ist ein Querschnitt, der das System und die Werkstücke von 1 bei einer nachfolgenden Verarbeitungsstufe zeigt.
- 6 illustriert beispielhafte leitfähige Verbinder (z. B. Heftniete) gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Technologie.
- 7 ist ein Querschnitt, der das System und die Werkstücke von 1 bei einer noch weiteren Verarbeitungsstufe zeigt.
- 8 ist ein Querschnitt, der das System und die Werkstücke von 1 bei einer noch späteren Verarbeitungsstufe zeigt.
- 9 illustriert eine beispielhafte Anordnung mehrerer mechanischer, leitfähiger Verbinder zur gemeinsamen Verwendung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Technologie.
- 10 illustriert eine beispielhafte Elektrodenanordnung, die in Kombination mit der Verbinderanordnung von 9 verwendet werden kann, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Technologie.
- 11 illustriert eine beispielhafte Schweißnahtanordnung, die aus der Verwendung der Verbinder- und Elektrodenanordnungen der 9 und 10 resultiert.
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Die Fig. sind nicht unbedingt maßstabgetreu und einige Merkmale können übertrieben oder stark verkleinert sein, um z. B. Details spezieller Komponenten zu zeigen. In einigen Fällen wurden gut bekannte Komponenten, Systeme, Materialien oder Verfahren nicht im Detail beschrieben, um zu verhindern, dass die vorliegende Offenbarung unklar wird.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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I. Allgemeine Übersicht über die Offenbarung
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Die vorliegende Technologie sieht eine Hybrid-Nietwiderstandsschweißtechnik zum Fügen von zwei Komponenten oder Werkstücken vor.
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Wie vorgesehen, können die Werkstücke, die zusammengeschweißt werden, gleichartig oder unterschiedlich sein. Was unterschiedliche Werkstückmaterialien betrifft, kann z. B. ein Werkstück aus Kunststoff oder einem anderen Polymer bestehen und das andere kann aus Stahl, Aluminium, einer Legierung oder einem anderen Metall etc. bestehen. Deshalb können die Lehren der vorliegenden Offenbarung verwendet werden, um beispielsweise ein Polymer (z. B. einen Polymer-Verbundwerkstoff) an ein anderes Polymer zu fügen oder ein Polymer an ein Metall zu fügen.
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In einer Ausführungsform umfasst das Material Polyethylen. In einer Ausführungsform umfasst das Material Polyethylenterephthalat (PET), Polyethylen hoher Dichte (HDPE, vom engl. high density polyethylene) und/oder Ethylen-Vinylalkohol (EVOH).
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In einer Ausführungsform umfasst zumindest eines der Werkstücke, die gefügt werden, ein Polymer. Zumindest eines der Werkstücke kann synthetische oder anorganische Moleküle umfassen. Während die Verwendung von so genannten Biopolymeren (oder grünen Polymeren) zunimmt, sind Polymere auf Erdölbasis noch immer weitaus üblicher.
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Das Material eines oder beider Werkstücke kann auch ein recyceltes Material wie z. B. ein Polybutylenterephthalat (PBT)-Polymer umfassen, das aus etwa fünfundachtzig Prozent Alt-Polyethylenterephthalat (PET) besteht.
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In einer Ausführungsform umfasst/en eines oder beide der Werkstücke eine Art von Kunststoff. In einer Ausführungsform umfasst das Material einen thermoplastischen Kunststoff.
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In einer Ausführungsform umfasst/en eines oder beide der Werkstücke einen Verbundwerkstoff. Beispielsweise umfasst/en in einer Ausführungsform eines oder beide der Werkstücke einen faserverstärkten Polymer (FRP, vom engl. fiber-reinforced polymer)-Verbundwerkstoff wie z. B. ein kohlefaserverstärktes Polymer (CFRP, vom engl. carbon-fiber-reinforced polymer) oder ein glasfaserverstärktes Polymer (GFRP, vom engl. glass-fiber-reinforced polymer). Der Verbundwerkstoff kann z. B. ein Fiberglas-Verbundwerkstoff sein. In einer Ausführungsform ist der FRP-Verbundwerkstoff ein Kunststoff-Metall-Hybrid-Verbundwerkstoff.
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Das Material umfasst in einigen Implementierungen ein Polymer von Polyamid-Qualität, das allgemein als ein Polyamid bezeichnet werden kann.
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Das Material eines oder beider Werkstücke kann auch Polyvinylchlorid (PVC) umfassen.
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In einer Ausführungsform umfasst das Material Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS).
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In einer Ausführungsform umfasst das Material ein Polycarbonat (PC).
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Das Material eines oder beider Werkstücke kann auch eine Art von Harz umfassen. Beispielhafte Harze umfassen ein Fiberglas-Polypropylen (PP)-Harz, ein PC/PBT-Harz und ein PC/ABS-Harz.
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Die Werkstücke können vor dem Schweißen vorbehandelt, z. B. erwärmt und formgepresst, werden.
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Das Verfahren beinhaltet das Aufbringen eines leitfähigen Fluids in Form einer leitfähigen Tinte zwischen den Werkstücken, die gefügt werden, wo die Fügestelle gebildet werden soll. Ein leitfähiger Verbinder in Form eines Niets wird in ein erstes der Werkstücke, die gefügt werden, bis zu zumindest einer Distanz eingebettet, durch die der Verbinder das leitfähige Fluid erreicht.
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Dann wird ein elektrischer Strom unter Verwendung einer Elektrode an den Niet angelegt. Der Strom fließt mithilfe einer ersten (z. B. positiven) Elektrode in einen ersten Abschnitt des Niets und dann weiter zu der leitfähigen Tinte. Die Tinte vervollständigt eine Leiterschleife, die einen zweiten Abschnitt des Niets umfasst, welcher bis zu einer zweiten (z. B. negativen) Elektrode führt.
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Der durch die Tinte fließende Strom produziert ohmsche Wärme in dem Niet, der Tinte und den Werkstücken benachbart der Tinte und des Niets. Die ohmsche Wärme schmilzt die Werkstücke an der Fügestelle, um dadurch die Werkstücke zusammenzufügen.
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Das System und die Betriebsweise sind nachfolgend in näherem Detail beschrieben.
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II. Systemkomponenten - Fig. 1
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Wendet man sich nun den Fig. und im Spezielleren den ersten Fig. zu, so zeigt 1 in einer Querschnittsansicht Aspekte eines Widerstandsschweißsystems. Das System ist hier durch die Bezugsziffer 100 bezeichnet. Das System 100 wird verwendet, um zwei oder mehr Werkstücke oder Komponenten, welche mit den Bezugsziffern 101 versehen sind, zusammenzufügen.
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Das System 100 umfasst eine Elektrodenanordnung 102. In einer Ausführungsform umfasst das System 100 einen Stempel 104. Der Stempel 104 kann zumindest anfänglich mit der Elektrodenanordnung 102 verbunden, in dieser eingekapselt oder anderweitig benachbart dazu positioniert sein, wie in 1 gezeigt. Im Spezielleren, wie gezeigt, sind die Elektrode und die Elektrode in einer Ausführungsform derart dimensioniert und geformt, dass der Stempel verschiebbar in einem zentralen Hohlraum der Elektrode aufgenommen werden kann, wie in 1 gezeigt.
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Das System 100 umfasst auch ein leitfähiges Fluid 106 wie erfindungsgemäß eine leitfähige Tinte. Das leitfähige Fluid kann jedes beliebige Material und Qualitäten wie z. B. Dichte, Konsistenz, Viskosität und Leitfähigkeit aufweisen. Die Dichte, die Konsistenz und die Viskosität können z. B. beeinflussen, wie dick das Fluid aufgebracht und/oder zwischen den Teilen gehalten werden kann. Wie dick das Fluid gehalten werden kann, kann auch durch physikalische Faktoren beeinflusst werden, die zwischen den Werkstücken vorhanden sind, z. B. den Druck (z. B. das Vorhandensein jeglichen Vakuums oder Unterdrucks) und die Haftung wie z. B. die Oberflächenhaftung, durch die sich das Fluid ausdehnen kann, nachdem es mit einer oder beiden entgegengesetzten Flächen der Werkstücke in Kontakt getreten ist.
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Das System 100 umfasst ferner einen leitfähigen Verbinder 108 wie erfindungsgemäß einen Heftniet oder nicht erfindungsgemäß ein anderes mechanisches Hilfsmittel. Der Verbinder 108 wird als solcher bezeichnet, da er die Elektrode und das leitfähige Fluid 106 verbindet, nachdem das Fluid auf die Werkstücke 101, die gefügt werden, aufgebracht wurde. Der Ausdruck kann sich auch auf eine Verbindungsfunktion beziehen, welche das Merkmal 108 nach dem Fügeverfahren erfüllt - d. h. das Bereitstellen einer sekundären mechanischen Verbindung als eine Unterstützung für die geschweißte Verbindung.
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Die Werkstücke 101 können gleichartige oder unterschiedliche Materialien verglichen miteinander umfassen. Beispielhafte Materialien für die Werkstücke 101 umfassen, sind aber nicht beschränkt auf, kohlefaserverstärkte Polymer (CFRP)-Verbundwerkstoffe, ein sehr starkes und leichtgewichtiges FRP. Andere Fasertypen, die in gefügte Polymer-Verbundwerkstoffe eingebettet werden können, umfassen Glas - d.h. GFRP.
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III. Eine Elektrode in näherem Detail - Fig. 2
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2 ist eine obere Draufsicht der beispielhaften Elektrodenanordnung 102, die in 1 gezeigt ist. Die Elektrodenanordnung 102 kann ein allgemein kreisförmiges oberes Profil, wie gezeigt, und einen zentralen Leerraum 202 aufweisen. Wie vorgesehen, kann der Leerraum 202 dimensioniert und geformt sein, um den Stempel 104 aufzunehmen, der in 2 nicht gezeigt ist.
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In der gezeigten Ausführungsform umfasst die Elektrodenanordnung 102 einen Isolierabschnitt 204. Der Isolierteil 102 ist als eine/n erste/n und zweite/n Elektrode 206, 208 oder Elektrodenpol halbierend gezeigt. Im Betrieb wird Strom durch die erste Elektrode 206, durch einen ersten Teil des leitfähigen Verbinders 108, durch das leitfähige Fluid 106 und über einen zweiten Teil des Verbinders 108 zurück hinauf zu der zweiten Elektrode 208 geleitet, um die elektrische Schleife zu vervollständigen. Der durch die Schleife fließende Strom schafft ohmsche Ziel-Erwärmungsbedingungen zum Aneinanderschmelzen der Werkstücke an der Grenzfläche zwischen den Stücken, um dadurch eine geschweißte Fügestelle zu erzeugen.
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Wie bei allen hierin beschriebenen Elementen ist die Elektrodenanordnung 102 nicht auf die gezeigte Form oder Ausgestaltung beschränkt. Die Elektrodenanordnung 102 kann in einigen Implementierungen z. B. eine nicht-kreisförmige obere Profilform aufweisen. In einer in Erwägung gezogenen Ausführungsform umfasst die Elektrodenanordnung 102 zwei nicht verbundene Elektroden, was den Bedarf eines dazwischentretenden Isolierkörpers unnötig macht (unter Verweis z. B. auf 10, die nicht verbundene Elektroden zeigt).
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IV. Betriebsweise - Fig. 3, mit Bezugnahme auf die Fig. 4-8
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3 zeigt ein exemplarisches Verfahren 300 zum Zusammenschweißen mehrerer Komponenten wie z. B. Polymer-Verbundwerkstoff-Werkstücken. Während hierin primär das Fügen von zwei Werkstücken 101 beschrieben ist, ist die Beschreibung beispielhaft, da mehr als zwei Stücke gemäß den Lehren der vorliegenden Offenbarung gefügt werden können.
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Wie vorgesehen, können die Werkstücke 101 gleichartig oder unterschiedlich sein. In einer Ausführungsform ist zumindest eines der Werkstücke 101 ein faserverstärkter Polymer (FRP)-Kunststoff wie z. B. ein kohlefaserverstärktes Polymer (CFRP) oder ein Glas-FRP (GFRP).
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Das Verfahren 300 beginnt bei dem ovalen Feld 301 und der Fluss schreitet zu Block 302 weiter, wo eine leitfähige Tinte (z. B. das in 1 gezeigte Fluid) 106 zwischen den Werkstücken, die gefügt werden, eingeleitet wird.
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Der Vorgang von Schritt 302 ist in 4 schematisch dargestellt. Das leitfähige Fluid wird nicht erfindungsgemäß aufgebracht, bevor die Werkstücke benachbart zueinander positioniert werden. Das Fluid kann in jeder geeigneten Art und Weise wie z. B. mittels Sprühdüsenabgabe oder Spritzen, Pinselauftrag etc. aufgebracht werden.
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Und es kann jede beliebige geeignete Menge des leitfähigen Fluids aufgebracht werden. In einer Ausführungsform wird das Fluid in einer Art und Weise einschließlich in einer Menge aufgebracht, um sicherzustellen, dass das Fluid kontinuierlich zwischen den Werkstücken bereitgestellt wird, wo die Schweißung erwünscht ist.
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Bei Schritt 304 wird ein mechanischer, leitfähiger Verbinder in Form eines Niets (z. B. der Heftniet 108) in zumindest das erste der Werkstücke 101 hinein bereitgestellt. In einer nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform wird der Verbinder vor dem Einsetzen des leitfähigen Fluids (Schritt 302) innerhalb des ersten Werkstückes positioniert. Diese nicht erfindungsgemäße Ausführungsform ist weiter unten beschrieben.
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In einer anderen Ausführungsform schreitet der Fluss des Verfahrens 300, sobald die Werkstücke mit der leitfähigen Tinte in Position zwischen ihnen, wie erwünscht, benachbart zueinander positioniert sind, zu Schritt 304 weiter, wo der mechanische, leitfähige Verbinder (z. B. der Heftniet 108) in zumindest eines der Werkstücke (101) eingesetzt wird, um sich bis zu dem leitfähigen Fluid zu erstrecken. In einer Ausführungsform wird ein Stempelwerkzeug (z. B. der Stempel 104) verwendet, um den Verbinder in zumindest das erste der Werkstücke hinein zu zwingen, um sich bis zu dem leitfähigen Fluid zu erstrecken.
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Das Durchstoßen wird in einer Implementierung durchgeführt, während Schwei-ßenergie (z. B. Hochfrequenz-Ultraschallschwingungen) und eine Kraft durch ein Schweißwerkzeug auf den Verbinder angewendet werden. Die Energie bewirkt, dass das erste Werkstück 101 neben den Spitzen des Verbinders schmilzt, was das Durchstoßen erleichtert.
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Wie vorgesehen, wird der Verbinder in einer nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform vor dem Einsetzen des leitfähigen Fluids (Schritt 302) innerhalb des ersten Werkstückes positioniert. Der Schritt kann umfassen, dass z. B. der leitfähige, mechanische Verbinder in dem ersten Werkstück vor oder während eines Formgebungsprozesses für das erste Werkstück positioniert wird. Der Verbinder kann z. B. während eines Formpressens für das erste Werkstück in das erste Werkstück eingepflanzt oder eingebettet werden.
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Unabhängig davon, wie der Verbinder in dem ersten Werkstück vorgesehen ist, kann der Verbinder weiter in das zweite Werkstück hinein eingestochen werden - z. B. zumindest an unteren Spitzen des Verbinders 108, wie in 7 gezeigt. In einer Ausführungsform wird dieses Durchstoßen durchgeführt, während Schweißenergie (z. B. Hochfrequenz-Ultraschallschwingungen) und eine Kraft (Druckkraft) durch ein Schweißwerkzeug auf den Verbinder angewendet werden. Die Energie bewirkt, dass das zweite Werkstück 101 benachbart zu den Spitzen des Verbinders schmilzt, was das Einstechen des Verbinders in das zweite Werkstück hinein erleichtert.
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5 illustriert ein beispielhaftes Szenario, welches die Werkstücke zeigt, nachdem das leitfähige Fluid aufgebracht (Schritt 302) und der leitfähige Verbinder (erfindungsgemäß ein Niet) in Position durchgestoßen wurde (Schritt 304). Wie oben referenziert und in der Fig. gezeigt, wird der leitfähige Verbinder bis zu zumindest einer Distanz in ein erstes der Werkstücke hinein eingebettet, durch die der Verbinder das leitfähige Fluid erreicht.
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In der Ausführungsform, die in 5 gezeigt ist, ist der mechanische Verbinder derart dimensioniert und geformt und wird in die Werkstücke hinein gedrückt, dass sich der Verbinder nicht nur durch das erste der Werkstücke (das obere Werkstück in der Ansicht von 5) hindurch und bis zu dem leitfähigen Fluid (z. B. der Tinte 106), sondern auch in das zweite der Werkstücke (das untere Werkstück in 5) hinein erstreckt.
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6 zeigt Draufsichten 602, 604, 606 und Seitenansichten 608, 610, 612 von drei beispielhaften Verbindern 614, 616, 618. Jeder Verbinder umfasst erfindungsgemäß einen Isolierkörper 620, 622, 624.
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Betrachtet man nur die 1, 5 und 6, kann der mechanische Verbinder in den 1 und 5 von einer beliebigen der Bauformen 614, 616, 618 sein, wobei das Profil des Teiles in den 1 und 5 mit dem Profil 608, 610, 612 einer jeden der Bauformen von 6 übereinstimmt.
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Wie aus den Draufsichten 602, 604, 606 von 6 ersichtlich, weist jede der Bauformen 614, 616, 618, wenngleich sie gemeinsame Profile 608, 610, 612 aufweisen, eine eigene dreidimensionale Form auf. Der erste beispielhafte Verbinder 614 weist eine relativ geringe Tiefe auf, wobei eine Dicke 626 etwa gleich einer Schenkelbreite 628 ist.
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Der zweite beispielhafte Verbinder 616 ist in der Form dem ersten 614 ähnlich, weist aber eine größere Tiefe auf. Die Dicke 628 des zweiten Verbinders 616 ist etwa gleich der Schenkelbreite.
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Der dritte beispielhafte Verbinder 618 weist eine kreisförmige obere ebene Form auf, wie in 6 gezeigt. Wenn dieser Verbinder 618 verwendet wird, wird eine Punktschweißnaht gebildet werden
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Mit fortgesetzter Bezugnahme auf das Verfahren 300 schreitet der Fluss, während sich das leitfähige Fluid und der leitfähige Verbinder in Position befinden, zu Schritt 306 weiter, wo der Stempel von dem leitfähigen Verbinder zurückgezogen werden und die Elektrode benachbart des und in Kontakt mit dem leitfähigen Verbinder/s positioniert wird, wenn er nicht schon benachbart des und in Kontakt mit dem leitfähigen Verbinder/s positioniert wurde.
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In einer Ausführungsform, welche in den Fig. nicht ausdrücklich gezeigt ist, ist das Verfahren zweiseitig, wobei der Verbinder dimensioniert, geformt und positioniert wird, um eine äußere Oberfläche (z. B. die obere Oberfläche in den Fig.) des ersten Werkstückes und eine entgegengesetzte äußere Oberfläche (z. B. die untere Oberfläche in den Fig.) des zweiten Werkstückes zu erreichen. In dieser Ausführungsform umfasst ein Schweißsystem eine erste Elektrode zum Anwenden von Schweißenergie (z. B. elektrischen Strom) auf den Verbinder an der ersten Stelle bei oder benachbart der äußeren Oberfläche eines der Werkstücke (z. B. des ersten Werkstückes oder des zweiten Werkstückes). Eine zweite Elektrode wird benachbart des anderen der Werkstücke (z. B. des zweiten Werkstückes oder des ersten Werkstückes) positioniert, um den Strom von der ersten Elektrode zu empfangen.
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Ein Beispiel der Anordnung an diesem Punkt ist in 7 gezeigt. 7 zeigt auch eine Verbindung einer oder mehrerer Leitungen 702, 704 zu der Elektrode, die weiter unten beschrieben sind.
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Bei Schritt 308 wird ein elektrischer Strom durch die Elektrode hindurch an die Anordnung angelegt, welche die Werkstücke (101) und einen leitfähigen Verbinder (108) und das Fluid (106) umfasst. Der Strom wird mittels einer ersten (z. B. positiven) Elektrode von einer ersten Leitung 702 in einen ersten Abschnitt des Niets (z. B. die linke Seite des Niets 108 in 7) hinein und weiter zu der leitfähigen Tinte angelegt. Die Tinte vervollständigt eine Leiterschleife, welche einen zweiten Abschnitt des Niets (z. B. die rechte Seite des Niets 108 in 7) umfasst und hinauf zu einer zweiten (z. B. negativen) Elektrode und der zweiten Leitung 704 führt.
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Der Strom, der durch den Niet, die Tinte und die Werkstücke hindurch fließt, produziert ohmsche Wärme in dem Niet, der Tinte und schließlich den Werkstücken benachbart der Tinte und des Niets. Die ohmsche Wärme schmilzt die Werkstücke an der Fügestelle und fügt dadurch die Werkstücke aneinander.
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8 zeigt diesen Schritt 308 schematisch. Das Bild zeigt den Strompfad zu und von der Elektrode mit der Ziffer 800 an.
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Die joulsche Wärme initiiert eine Schweißlinse zwischen den Werkstücken.
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8 zeigt auch die Schweißlinse 802. Allgemein wächst die Schweißnaht 802 (z. B. von links (Strom hinein) nach rechts (Strom hinaus)), während die Bedingung ohmscher Wärme aufrechterhalten wird, oder bis der Großteil der oder alle der Zwischenkomponentenbereiche geschweißt ist/sind. Da sich der Niet auch erwärmen wird, werden die Werkstücke auch einige benachbarte Nietabschnitte schmelzen, durch die hindurch Strom geleitet wird, wie gezeigt.
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Die Einflussgrößen des Schweißverfahrens werden wunschgemäß gesteuert. Beispielsweise werden eine Rate und ein Ausmaß der Schweißung durch den Pegel des Stromes (z. B. den Spannungspegel), der an die Anordnung bereitgestellt wird, und durch die auf die Werkstücke angewendete Elektrodenkraft beeinflusst. Die Rate und das Ausmaß der Schweißung werden auch durch die Größe und Form des leitfähigen Verbinders und der Werkstücke beeinflusst. Die/das Schweißrate und -ausmaß werden ferner durch eine Menge, Art und Positionierung des leitfähigen Fluids beeinflusst. Eine noch andere relevante Variable ist eine Zeitspanne, in welcher der Strom an das mechanische, leitfähige Element angelegt wird. In einer in Erwägung gezogenen Ausführungsform variiert der an die Anordnung angelegte Strompegel während des Verfahrens, indem er z. B. bis zu einer Spitze hochgefahren und zurück hinuntergefahren wird.
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Bei Verwendung der aktuellen Technologie wird, verglichen mit herkömmlichen Ultraschalltechniken, die eine Zykluszeit von etwa zwölf bis zwanzig Sekunden oder mehr aufweisen können, Strom an die Anordnung für viel kürzere Zeit angelegt. In einer Ausführungsform liegt die Zykluszeit für die vorliegende Technologie zwischen etwa 0,1 und etwa fünf Sekunden. In einer anderen liegt die Zykluszeit zwischen etwa fünf und etwa zehn Sekunden. In einer Ausführungsform liegt die Dauer zwischen etwa zwei und etwa acht Sekunden. In einigen Implementierungen werden andere Zeitbereiche verwendet. Ein System kann entworfen sein, um die Schweißungen beispielsweise regelmäßig wunschgemäß innerhalb eines engeren Zeitfensters, z. B. mit einem Fenster von einer Sekunde, durchzuführen. Als ein Beispiel ist das System ausgestaltet, um die Schweißnaht mit einer Stromanwendung von etwa zwei bis drei Sekunden zufriedenstellend fertigzustellen.
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Diese und andere relativ kurze/n Zykluszeiten können auf der Basis des Einstellens von Variablen wie den beschriebenen - z. B. Spannungspegel, Elektrodenkraft, Form des leitfähigen Verbinders, Art und Positionierung des leitfähigen Fluids etc. wunschgemäß erzielt werden.
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Mit fortgesetzter Bezugnahme auf das Verfahren 300 von 3 schreitet der Fluss zu Schritt 310 weiter, wo die Schweißnaht bis zu einer erwünschten Größe gewachsen ist und die Elektrode zurückgezogen wird. Da die Elektrode mit dem mechanischen Verbinder anstelle des ersten Polymer-Werkstückes selbst in Kontakt gestanden ist, ist die Wahrscheinlichkeit sehr gering oder es besteht überhaupt keine Gefahr, dass etwas von dem Werkstückmaterial unerwünschterweise an der Elektrode klebt, die zurückgezogen wird.
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Das Verfahren kann enden oder wie z. B. in Verbindung mit anderen Werkstücken wiederholt werden, wie durch die Bezugsziffer 311 angezeigt.
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Während auf die in dem beispielhaften Verfahren 300 von 3 skizzierte Technik mit einer anderen Terminologie Bezug genommen werden kann, kann die Technik als ein Niet-Hybrid-Widerstandsschweißen bezeichnet werden. Die Technik ist eine Hybrid-Technik, da sie nicht nur das Anwenden eines Widerstandes umfasst, sondern dies auch durch einen Niet hindurch und über ein leitfähiges Fluid geschieht, wie oben gelehrt.
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V. Mehrfachverbinder / Mehrfachelektroden-Ausführungsformen
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9 illustriert eine beispielhafte Anordnung 900 mehrerer mechanischer, leitfähiger Verbinder 902, 904, 906 zur gemeinsamen Verwendung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Technologie.
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9 zeigt eine obere Draufsicht der Verbinder, die in das Werkstück 101 eingesetzt sind, wie das im Querschnitt von 5 gezeigte Einsetzen.
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Jeder Verbinder in diesem Beispiel kann eine Form aufweisen, wie die durch die Ziffer 602 in 6 referenzierte.
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Während drei Verbinder 902, 904, 906, z. B. Niete, gezeigt sind und eine Dreiecksform bilden, können andere Anzahlen von Verbindern, die eine beliebige aus einer breiten Vielfalt von Formen (z. B. Kreis, Eiform, Quadrat oder andere Rechtecke) bilden, innerhalb des Schutzumfanges der vorliegenden Lehren verwendet werden.
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10 illustriert eine beispielhafte Elektrodenanordnung 1000, die in Kombination mit der Verbinderanordnung von 9 verwendet werden kann. Die Anordnung von 10 umfasst drei Elektroden 1002, 1004, 1006.
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Die drei Elektroden 1002, 1004, 1006 von 10 entsprechen den drei Verbindern 902, 904, 906 von 9. Die Elektroden 1002, 1004, 1006 sind im Spezielleren dimensioniert, geformt und positioniert, um mit jedem der Verbinder 902, 904, 906 selektiv in Kontakt zu stehen und diesen Spannung zuzuführen, um die erwünschte Schweißnaht zu bilden.
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Im Spezielleren kann beispielsweise Strom sequenziell durch verschiedene Paare der Elektroden 1002, 1004, 1006 hindurch angelegt werden. Allgemein sind die Elektrodenpaare, zu denen Strom geleitet wird, jene, unter und zwischen denen sich ein mechanischer Verbinder 902, 904, 906 erstreckt. Beispielsweise würde sich der Verbinder 902 unter den Elektroden 1002 und 1004 befinden und sich dazwischen erstrecken, wenn die Verbinder in das Werkstück 101 eingesetzt und die Elektroden (wie z. B. in den 7 und 8) zum Schweißen positioniert sind.
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In dem Beispiel von 10 wird der Strom zuerst derart gelenkt, dass er in einem anfänglichen Energiebeaufschlagungsschritt zwischen einem ersten Paar der Elektroden (z. B. den Elektroden 1002 und 1004) - d. h. durch eine erste des Paares (z. B. 1002) in eine erste Seite (z. B. einen Schenkel) des Verbinders 902 hinein fließt, dann die Schweißwärme zwischen der ersten Seite und einer zweiten Seite (z. B. einem Schenkel) des Verbinders 902 erzeugt, eine Schweißnaht an dieser Stelle zwischen den Seiten (wie die Schweißnaht von 8) erzeugt und dann durch die zweite Seite hindurch zu der zweiten Elektrode des Paares (z. B. 1004) zurück aufwärts fließt.
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Nachdem der Strom so gelenkt wurde, dass er in dem anfänglichen Energiebeaufschlagungsschritt zwischen dem ersten Paar der Elektroden (z. B. den Elektroden 1002 und 1004) fließt, wird Strom dann in einem darauffolgenden Energiebeaufschlagungsschritt gleichermaßen zwischen ein zweites Paar der Elektroden (z. B. die Elektroden 1004 und 1006) und dann in einem noch darauffolgenden Energiebeaufschlagungsschritt zwischen ein drittes Paar der Elektroden (z. B. die Elektroden 1006 und 1002) geleitet.
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In einer Ausführungsform wird die beispielhaft beschriebene Abfolge, welche jedes Paar von Elektroden umfasst, einmal durchgeführt. In einer anderen werden einige oder alle der Elektrodenpaare mehr als einmal mit Energie beaufschlagt, wie beschrieben.
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11 illustriert eine beispielhafte Schweißanordnung 100, die aus dem Positionieren und dem Betrieb der Verbinder- und Elektrodenanordnungen der 9 und 10 resultiert. Im Spezielleren weist die Schweißnaht 1100 Seiten 1102, 1104, 1106 auf, die den mechanischen Verbindern 902, 904, 906 entsprechen.
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VI. Ausgewählte Merkmale der Technologie
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Einige Merkmale der Technologie sind nachfolgend zusammengefasst und sind einfach Beispiele, die für bestimmte Merkmale, unter anderem Vorzüge und Vorteile, nicht exklusiv sind.
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Die Vorzüge der vorliegenden Technologie umfassen eine zunehmende Zugänglichkeit in dem Fügeverfahren aufgrund des beschriebenen einseitigen Charakters.
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Gemäß herkömmlichen zweiseitigen Techniken, sind eine größere „Pistole“ und ohmsche Maschine mit zwei entgegengesetzten Elektroden erforderlich, und es wird viel mehr Arbeitsfläche notwendig, um dieselben unterzubringen. Bei Verwendung des einseitigen Widerstandsschweißens besteht auch keine Notwendigkeit, entgegengesetzte Kräfte auf die Werkstücke anzuwenden, die gefügt werden.
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Ein noch weiterer Vorteil der vorliegenden Technologie besteht darin, dass viel/e Fertigungseinrichtungen und Infrastruktur, z. B. die Werkzeugbereitstellung, schon Widerstandsschweiß-Fertigungsmittel ungeachtet des Punktschweißens [engl. sport welding] von Metall aufweisen. Diese Werkzeugbereitstellung kann für die Umsetzung der Technologie wirksam eingesetzt werden, um dadurch Kosten für die Realisierung zu senken.
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Ein noch anderer Vorteil umfasst die von dem mechanischen Verbinder erfindungsgemäß dem Niet) erfüllte mechanische Befestigungsfunktion, unter anderem, nachdem das Produkt (z. B. ein Automobil) hergestellt und im Gebrauch ist. Während die Schweißnähte erzeugt werden, sodass sie über lange Zeit robust und widerstandsfähig sind, fungiert der mechanische Verbinder, wenn eine Schweißnaht aus irgendeinem Grund im Laufe der Lebensdauer des Produkts nachlässt, als Stütz- oder Unterstützungs-Verbindungselement. Die Funktion kann als eine Ablösungsschutz- oder Ablösungsstopp-Funktion bezeichnet werden, da der Niet dazu beitragen kann, die verbundenen Werkstücke davon abzuhalten, sich voneinander abzulösen. Der Verbinder kann z. B. als ein Ablösungsstopper bezeichnet werden.
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Die Vorzüge der vorliegenden Technologie umfassen außerdem eine Verkürzung der Zykluszeit, die zum Fügen mehrerer Werkstücke wie z. B. faserverstärkter Polymer (FRP)-Verbundwerkstoffe in einer Stapelanordnung erforderlich ist. Eine Verbesserung der Zykluszeit würde die Effizienz einer Produktherstellung verbessern und gleichzeitig eine Produktqualität aufrechterhalten oder verbessern.
