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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen eines Verbundblechs umfassend zwei äußere metallische Deckschichten und eine dazwischen angeordnete nichtmetallische Zwischenschicht mit mindestens einem weiteren Bauteil, wobei das Verbundblech und das mindestens eine weitere Bauteil zumindest teilweise überlappend angeordnet werden. Die Erfindung betrifft zudem eine Vorrichtung zum Fügen eines Verbundblechs umfassend zwei äußere metallische Deckschichten und eine dazwischen angeordnete nichtmetallische Zwischenschicht mit mindestens einem weiteren Bauteil, insbesondere zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Verbundbleche sind Verbundwerkstoffe, die insbesondere in Form eines Sandwichs aufgebaut sind und insofern auch Sandwichbleche genannt werden. Verbundbleche bestehen meist aus zwei äußeren Deckschichten oder -blechen und einer zwischen den Deckschichten angeordneten Kunststoffschicht. Durch den Schichtaufbau der Verbundbleche können diese Eigenschaften aufweisen, die durch ein Bauteil aus einem einheitlichen Material nicht oder kaum erzielt werden könnten. Verbundbleche können beispielsweise sehr hohe lokale Steifigkeiten und Festigkeiten aufweisen. Zudem können Verbundbleche gute schalldämmende Eigenschaften bereitstellen. Nicht zuletzt erlauben Verbundbleche aber auch ein geringeres Bauteilgewicht, ohne dass Einbußen bei den übrigen Eigenschaften des Bauteils hingenommen werden müssen. Aus diesem Grunde werden Verbundbleche zunehmend als sogenannte Leichtbleche im Kraftfahrzeugbau verwendet.
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Nachteilig dabei ist, dass die Verbundbleche nur bedingt für die im Kraftfahrzeugbau verbreiteten Fügemethoden, wie etwa Widerstandsschweißen, geeignet sind. Das Widerstandsschweißen kommt beispielsweise zum Einsatz, um die Verbundbleche mit andern Bauteilen einfach und kostengünstig zu verbinden. Beim Widerstandsschweißen kommt es zu einem kurzzeitigen, hohen Wärmeeintrag in das Verbundblech, wodurch die wenigstens eine zwischen den Deckschichten angeordnete nichtmetallische Schicht leicht beschädigt werden kann. Dies ist insbesondere bei Kunststoffschichten der Fall, die eine geringere Temperaturbeständigkeit und zudem eine geringere Temperaturleitfähigkeit haben als die äußeren Deckschichten. Die Kunststoffschichten können zudem elektrisch isolierend sein oder jedenfalls eine sehr geringe elektrische Leitfähigkeit aufweisen.
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Auch bei mechanischen Fügeverfahren kann die Verwendung der Verbundbleche problematisch sein, da sich durch die mechanischen Fügeverfahren beispielsweise die einzelnen Schichten des Verbundblechs abtrennen können oder nachgeben können, sodass kein prozesssicheres und zuverlässiges Fügen mehr möglich ist.
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Die deutsche Offenlegungsschrift
DE 10 2011 100 495 A1 schlägt vor, sogenannte Dummyelemente speziell beim Widerstandsschweißen zu verwenden. Die Dummyelemente können in einer die Dummyelemente umgreifenden Aufnahme fixiert und auf dem Verbundblech positioniert werden. Durch eine Schweißzange kann das Dummyelement beim Fügevorgang auch angeschweißt werden. Grundsätzlich ist auch denkbar, die Dummyelemente aufzukleben.
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Dieser Ansatz ermöglicht eine Beeinflussung des Schweißvorgangs durch die Verwendung von Dummyelementen, ist jedoch mit einem vergleichsweise hohen Aufwand verbunden. Zum einen müssen die Dummyelemente bis zum eigentlichen Schweißprozess mittels der Aufnahme in der richtigen Position gehalten werden, was die Gefahr einer falschen Positionierung erhöht. Werden die Dummyelemente aufgeklebt, ist ein zusätzlicher manueller Arbeitsschritt zum Aufkleben erforderlich, welcher zeitintensiv ist und an den sich dann noch die Kontaktierung des Dummyelements mit der Aufnahme und zusätzlich die Kontaktierung des Dummyelements mit der Schweißzange anschließen müssen. Durch die einzelnen Verfahrensschritte kann das Verfahren dann entsprechend unwirtschaftlich sein.
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Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, das Verfahren und die Vorrichtung jeweils der eingangs genannten Art derart auszugestalten und weiterzubilden, dass Verbundbleche prozesssicher und gleichzeitig auf wirtschaftliche Weise gefügt werden können.
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Die Aufgabe wird gemäß einer ersten Lehre der Erfindung dadurch gelöst, dass mittels einer Positioniereinheit mindestens ein Fügehilfselement in Anlage an das Verbundblech gebracht wird und an dem Verbundblech fixiert wird, und dass das Verbundblech anschließend mit dem mindestens einen weiteren Bauteil im Bereich des mindestens einen Fügehilfselements gefügt wird.
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Durch das mindestens eine Fügehilfselement kann eine Unterstützung der zu fügenden Teile im Fügebereich, also an lokal besonders beanspruchten Stellen, erfolgen. Im Gegensatz zum Stand der Technik kann aber dadurch, dass eine Positioniereinheit vorgesehen ist, welche das Fügehilfselement bzw. die Fügehilfselemente nicht nur in Anlage an das Verbundblech bringt, sondern zudem auch an dem Verbundblech fixiert, die Positionierung und Fixierung von Fügehilfselementen nicht nur sehr effizient, sondern auch sehr präzise durchgeführt werden. Nach der präzisen Positionierung und Fixierung können die zu fügenden Teile beispielsweise in beliebige Positionen gebracht werden, ohne dass die Gefahr eines Verrutschens besteht. Ebenfalls vorteilhaft können Fügehilfselemente auf diese Weise auch präzise auf einer Unterseite der zu fügenden Teile positioniert werden. Ebenfalls vorteilhaft können auf diese Weise mehrere Fügehilfselemente positioniert und fixiert werden.
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Unter einem Fügehilfselement wird ein zusätzliches Element verstanden, welches den Fügevorgang unterstützen kann. Das Fügehilfselement kann insbesondere je nach der vorzunehmenden Fügemethode unterschiedlich ausgestaltet sein. So können grundsätzlich unterschiedliche Materialien und Geometrien vorgesehen sein. Bevorzugt ist das Fügehilfselement jedoch im Wesentlichen flach und/oder rund ausgebildet. Beispielsweise ist das Fügehilfselement scheibenförmig oder tellerförmig ausgebildet. Das Fügehilfselement kann beispielsweise Metall (zum Beispiel Stahl) aufweisen oder hieraus bestehen und insbesondere elektrisch leitfähig sein. Beispielsweise weist das Fügehilfselement vergleichbare oder unterschiedliche Materialeigenschaften (etwa eine andere elektrische Leitfähigkeit und/oder eine andere Festigkeit) im Vergleich zu den Deckschichten des Verbundblechs auf.
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Unter einer Positioniereinheit wird insbesondere eine Vorrichtung oder ein System verstanden, welches Fügehilfselemente automatisiert im Raum positionieren kann und bevorzugt etwa zur Fixierung von Fügehilfselementen diese auch mit einer Kraft beaufschlagen kann, beispielsweise gegen das Verbundblech drücken kann. Die Positioniereinheit kann hierzu verschiede Teile, wie einen Roboterarm, ein Zangenelement und/oder eine Aufnahme für die Fügehilfselemente umfassen.
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Unter Fixieren eines Fügehilfselemente an dem Verbundblech wird insbesondere verstanden, dass dieses mit dem Verbundblech verbunden wird. Beispielsweise wird das Fügehilfselement unmittelbar mit dem Verbundblech verbunden.
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Eine oder beide Deckschichten des Verbundblechs bestehen beispielsweise aus Stahl beispielsweise aus Karbonstahl oder Edelstahl, aber auch die Verwendung von Aluminium und/oder Magnesium ist denkbar. Eine oder beide Deckschichten weisen beispielsweise eine Dicke von weniger als 1 mm auf, bevorzugt eine Dicke von 0,1 bis 0,5 mm, beispielsweise 0,2 bis 0,3 mm. Die Deckschichten können beispielsweise gleich oder unterschiedlich ausgestaltet sein. Die Zwischenschicht besteht beispielsweise aus Kunststoff, beispielsweise aus einem thermoplastischen Kunststoff. Beispielsweise weist auch die Zwischenschicht eine Dicke von weniger als 2 mm auf, bevorzugt eine Dicke von 0,2 bis 1,5 mm, beispielsweise etwa 0,4 mm.
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Das weitere Bauteil kann beispielsweise ein Vollblech sein oder ebenfalls ein Verbundblech. In letzterem Fall gelten die Ausführungen zum Verbundblech entsprechend. Ebenfalls können noch weitere Bauteile vorgesehen sein, welche gleichzeitig oder in einem separaten Schritt mit dem Verbundblech und/oder dem weiteren Bauteil gefügt werden. Bevorzugt wird das Verbundblech mit genau einem weiteren Bauteil gefügt.
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Durch die Anordnung des Verbundblechs und des weiteren Bauteils überlappen diese dann in einem Überlappungsbereich, indem das mindestens eine Fügehilfselement angeordnet werden kann.
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Grundsätzlich können auch ein oder mehrere Fügehilfselemente in Anlage an das weitere Bauteil gebracht und an dem weiteren Bauteil fixiert werden. Auch insofern gelten die obigen Ausführungen entsprechend.
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Nach dem Fügen kann das mindestens eine Fügehilfselement beispielsweise an den gefügten Teilen verbleiben, das heißt mit diesen verbunden bleiben. Alternativ ist jedoch denkbar, dass das mindestens eine Fügehilfselement auch wieder von den gefügten Teilen entfernt wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird das mindestens eine Fügehilfselement derart an dem Verbundblech fixiert, dass eine form- und/oder kraftschlüssige Verbindung zwischen dem mindestens einen Fügehilfselement und dem Verbundblech entsteht. Durch die form- und/oder kraftschlüssige Verbindung kann also die Fixierung des mindestens einen Fügehilfselements erreicht werden. Hierdurch wird eine besonders einfache Fixierung des Fügehilfselements an dem Verbundblech ermöglicht, welches eine präzise Positionierung des Fügehilfselements während des darauffolgenden Fügens bei einem geringen Zeitaufwand erlaubt. Beispielsweise braucht das mindestens eine Fügehilfselement durch die Positioniereinheit lediglich mit einer Kraft beaufschlagt zu werden und gegen das Verbundblech gedrückt zu werden. Alternativ oder zusätzlich ist auch eine stoffschlüssige Verbindung denkbar. Werden auch ein oder mehrere Fügehilfselemente an dem weiteren Bauteil fixiert, gelten diese Ausführungen hierfür entsprechend.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird das mindestens eine Fügehilfselement mittels eines oder mehrerer auf seiner jeweiligen dem Verbundblech zugewandten Seite angeordneter Fixierelemente an dem Verbundblech fixiert. Hierdurch kann insbesondere eine kraft- und/oder formschlüssige Verbindung zwischen dem jeweiligen Fügehilfselement und dem Verbundblech einfach realisiert werden. Die Fixierelemente sind beispielsweise in Form von Vorsprüngen, Dornen und/oder Haken vorgesehen. Die Fixierelemente dringen beispielsweise zumindest oder ausschließlich in die dem entsprechenden Fügehilfselement zugewandte (äußere) Deckschicht ein. Beispielsweise dringen die Fixierelemente zumindest bis in die Zwischenschicht des Verbundblechs ein. Werden auch ein oder mehrere Fügehilfselemente an dem weiteren Bauteil fixiert, gelten diese Ausführungen hierfür entsprechend.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens umfasst die Positioniereinheit zur Fixierung des mindestens einen Fügehilfselements einen Positionierungsarm und/oder eine Zange. Hierdurch kann die Positionierung und Fixierung des mindestens einen Fügehilfselements prozesssicher und effizient erfolgen. Die Zange ist beispielsweise derart ausgebildet, dass sie das Verbundblech und das überlappend angeordnete weitere Bauteil umgreifen kann. Auf diese Weise können insbesondere Fügehilfselemente beidseitig, das heißt auf der Seite des Verbundblechs und auf der Seite des weiteren Bauteils, angeordnet werden. Die Zange kann auch dazu ausgebildet sein, Fügehilfselemente auf das Verbundblech zu drücken, um diese dort zu fixieren. Ein Positionierarm, beispielsweise ein Roboterarm, kann insbesondere zur Bewegung und Steuerung der Zange vorgesehen sein. Ebenfalls ist denkbar, Fügehilfselemente beispielsweise direkt mit dem Roboterarm auf dem Verbundblech zu positionieren. Werden auch ein oder mehrere Fügehilfselemente an dem weiteren Bauteil fixiert, gelten diese Ausführungen hierfür entsprechend.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens nimmt die Positioniereinheit das mindestens eine zu fixierende Fügehilfselement aus einem Zufuhrsystem auf. Durch das Vorsehen eines Zufuhrsystems können die Fügehilfselemente einfach und schnell der Positioniereinheit bereitgestellt und sicher an diese übergeben werden, was die Wirtschaftlichkeit und die Prozesssicherheit des Verfahrens weiter steigert. Das Zufuhrsystem dient beispielsweise als Reservoir oder Vorrat an Fügehilfselementen. Nach der Aufnahme der entsprechenden Fügehilfselemente können diese dann mittels der Positioniereinheit an dem Verbundblech und optional an dem weiteren Bauteil fixiert werden. Beispielsweise kann das Zufuhrsystem immer zwei Fügehilfselemente gleichzeitig zur Verfügung stellen. Dadurch kann beispielsweise eine Zange der Positioniereinheit zwei (gegenüberliegende) Fügehilfselemente ohne großen Zeitaufwand aufnehmen, etwa indem jeder Zangenschenkel ein Fügehilfselement aufnimmt.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird das mindestens eine Fügehilfselement relativ zu der Positioniereinheit bei der Aufnahme des mindestens einen Fügehilfselements mittels eines Führungssystems positioniert. Hierdurch kann die Präzision bei der Aufnahme der Fügehilfselemente durch die Positioniereinheit gesteigert werden, sodass im Endeffekt eine höhere Prozesssicherheit erreicht wird. Insbesondere kann dadurch die Positioniereinheit selbst entsprechend einfach ausgestaltet werden, da das Führungssystem bereits für die präzise Aufnahme des Fügehilfselements sorgt. Die Positioniereinheit, insbesondere eine Zange der Positioniereinheit kann beispielsweise einen Aufnahmebereich aufweisen mit dem die Fügehilfselemente aufgenommen werden können. Durch das Führungssystem werden dann die Position des entsprechenden Führungselements und der Aufnahmebereich der Positioniereinheit relativ zueinander positioniert, sodass das Fügehilfselement präzise von der Positioniereinheit aufgenommen werden kann.
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Beispielsweise umfasst das Führungssystem eine Begrenzung, um die Bewegung des Aufnahmebereichs der Positioniereinheit und/oder des Fügehilfselements in eine oder mehrere Richtungen zu begrenzen und somit die Aufnahme der Positioniereinheit und das Fügehilfselement zueinander auszurichten. Beispielsweise umfasst das Zufuhrsystem das Führungssystem.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens nimmt die Positioniereinheit das mindestens eine Fügehilfselement zumindest teilweise magnetisch auf. Das jeweilige Fügehilfselement kann dabei magnetisch am Aufnahmebereich der Positioniereinheit haften und bis zur Fixierung zum Verbundblech oder weiteren Bauteil befördert werden. Die Positioniereinheit kann hierzu beispielsweise einen Magnetgreifer oder eine Magnetzange umfassen. Beispielsweise umfasst die Positioniereinheit im jeweiligen Aufnahmebereich ein oder mehrere Magnetelement, insbesondere einen oder mehrere Magnetstifte.
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Vorzugsweise bestehen die Hilfselemente hierzu zumindest teilweise aus einem magnetisierbaren Material, etwa einem ferromagnetischen Material, beispielsweise Eisen oder einer Eisenlegierung.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist das mindestens eine weitere Bauteil ein Verbundblech oder ein Vollblech. Es hat sich gezeigt, dass insbesondere das Fügen von zwei Verbundblechen durch das Verfahren deutlich effizienter und prozesssicherer durchgeführt werden kann. In diesem Fall werden bevorzugt nicht nur ein oder mehrere Fügehilfselemente auf dem einen Verbundblech sondern auch ein oder mehrere Fügehilfselemente auf dem ebenfalls als Verbundblech ausgebildeten weiteren Bauteil vorgesehen.
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Ist das weitere Bauteil ein Vollblech, ist es bevorzugt, wenn auf der Seite des Vollblechs keine Fügehilfselemente vorgesehen werden, sondern ausschließlich auf der Seite des Verbundblechs. Es hat sich gezeigt, dass es ausreichend sein kann, wenn die Fügehilfselemente nur einseitige vorgesehen werden. Dies eröffnet insbesondere die Möglichkeit des Einsatzes weiterer Fügeverfahren, bei denen beispielsweise eine zumindest einseitige Zugänglichkeit zu den Bauteilen im Fügebereich notwendig ist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist zwischen dem Verbundblech und dem mindestens einen weiteren Bauteil eine Klebstoffschicht vorgesehen. Hierdurch kann die Prozesssicherheit weiter erhöht werden, da nicht nur eine Positionierung und Fixierung des mindestens einen Fügehilfselements gegenüber dem Verbundblech (beziehungsweise gegenüber dem weiteren Bauteil) erfolgt, sondern zudem eine Fixierung von Verbundblech und weiterem Bauteil erfolgt. Zudem unterstützt die Klebeschicht die durch das Fügen erzielte Verbindung von Verbundblech und weiterem Bauteil zusätzlich.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird das Verbundblech mit dem mindestens einen weiteren Bauteil im Bereich des mindestens einen Fügehilfselements thermisch, insbesondere mittels Widerstandsschweißen, gefügt. Es hat sich gezeigt, dass insbesondere beim Widerstandsschweißen die Qualität und die Prozesssicherheit erhöht werden kann. Denn beim Widerstandsschweißen kann der Schweißprozess vorteilhaft durch das mindestens eine Fügehilfselement beeinflusst werden. Beispielsweise kann der Wärmeeintrag in das Verbundblech durch die Fügehilfselemente bedarfsgerecht gestaltet werden, beispielsweise um Schäden an der Zwischenschicht zu vermeiden. Andererseits kann bei Bedarf aber auch eine ausreichende Wärmemenge in die Zwischenschicht eingebracht werden, sodass diese aufschmelzen kann und ein Kontakt der Deckschichten und damit ein Verschweißen der Deckschichten ermöglicht wird. Eine bevorzugte Art des Widerstandsschweißens ist das Widerstandspunktschweißen.
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Hierzu ist beispielsweise eine Schweißeinheit, insbesondere eine Widerstandsschweißeinheit vorgesehen. Diese umfasst beispielsweise eine erste (dem Verbundblech zugewandte oder zugeordnete) und eine zweite (dem weiteren Bauteil zugewandte oder zugeordnete) Schweißelektrode. Die erste dem Verbundblech zugeordnete Schweißelektrode kontaktiert dann beispielsweise das mindestens eine an dem Verbundblech fixierte Fügehilfselement, ohne dass eine Gefahr etwa eines Verrutschens entsteht. Die zweite dem weiteren Bauteil zugeordnete Schweißelektrode kontaktiert dann beispielsweise das weitere Bauteil unmittelbar oder ebenfalls ein Fügehilfselemente, sofern auch auf der Seite des weiteren Bauteils ein Fügehilfselement fixiert ist.
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Bevorzugt fließt beim Widerstandsschweißen zunächst ein Vorwärmstrom und anschließend ein Schweißstrom. Der Vorwärmstrom dient dazu, die nichtmetallische Zwischenschicht in Form einer thermoplastischen Kunststoffschicht aufzuwärmen und zu erweichen, sodass die Deckschichten zusammengedrückt werden können. Anschließend kann dann mittels des Schweißstroms das Verbundblech mit dem weiteren Bauteil gefügt werden. Dabei fließt der Vorwärmstrom und/oder der Schweißstrom bevorzugt über das entsprechende Fügehilfselement.
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Bevorzugt kann der Vorwärmstrom über eine Strombrücke oder einen Nebenschluss fließen. Damit kann auch zu dem Zeitpunkt, zu dem noch die Deckschichten des Verbundblechs durch die nichtmetallische Zwischenschicht getrennt sind, ein geschlossener Stromkreis bereitgestellt werden. Beispielsweise ist eine Strombrücke von einem auf dem Verbundblech angeordneten Fügehilfselement unter Umgehung des Verbundblechs zu dem weiteren Bauteil, welches beispielsweise als Vollblech ausgebildet ist, vorgesehen. Beispielsweise dient ein Nebenschluss, der ein auf dem Verbundblech angeordnetes Fügehilfselement kontaktiert, zur Umgehung des Verbundblechs und dem weiteren Bauteil, welches beispielsweise ebenfalls als Verbundblech ausgebildet ist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird das Verbundblech mit dem mindestens einen weiteren Bauteil im Bereich des mindestens einen Fügehilfselements mechanisch, insbesondere mittels Stanznietens oder Verschraubens, gefügt. Es hat sich gezeigt, dass die präzise Fixierung von Fügehilfselementen nicht nur bei thermischen, sondern auch bei mechanischen Fügeverfahren von Verbundblechen vorteilhaft ist. Durch die Fügehilfselemente wird den Verbundblechen eine zusätzliche Stabilität verliehen, was im Ergebnis zu einer Steigerung der Prozesssicherheit führt.
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Dabei durchdringt ein entsprechendes mechanisches Verbindungselement, etwa eine Halbhohlstanzniet, eine Vollstanzniet oder eine Schraube, bevorzugt das weitere Bauteil und das Verbundblech von der Seite des weiteren Bauteils her. Das mechanische Verbindungselement wird also gegenüberliegend von dem an dem Verbundblech fixierten Fügehilfselement in das weitere Bauteil eingebracht, bis es das weitere Bauteil mit dem Verbundblech verbindet.
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Im Falle des Verschraubens wird bevorzugt ein Fließbohrschrauben (sogenanntes „flow drill screwing” oder „FDS”) eingesetzt. Dabei wird eine FDS-Schraube in das volle Material geschraubt. Bevorzugt wird dabei das Material durch die Schraube erwärmt, sodass die Schraube in das Material eindringen kann und ein Gewinde gefurcht werden kann, um die Schraube schließlich anzuziehen.
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Im Falle eines mechanischen Fügens ist es bevorzugt, wenn ein Fügehilfselement nur einseitig, das heißt auf der Seite des Verbundbleches, angeordnet ist. Dadurch ergibt sich eine einfachere Zugänglichkeit auf der Seite des weiteren Bauteils (zum Beispiels ein Vollblech oder ebenfalls ein Verbundblech).
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Grundsätzlich ist auch eine Kombination aus thermischem und mechanischem Fügen denkbar.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden mehrere Fügehilfselemente an dem Verbundblech mittels der Positioniereinheit fixiert. Dadurch, dass die Fügehilfselemente an dem Verbundblech fixiert werden, kann beispielsweise auch erst das Fixieren von mehreren Fügehilfselementen durchgeführt werden, sodass anschließend das Fügen ohne unnötige Unterbrechungen erfolgen kann. Ebenfalls können mehrere Fügehilfselemente an dem weiteren Bauteil durch die Positioniereinheit fixiert werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird mindestens ein Fügehilfselement an dem weiteren Bauteil mittels der Positioniereinheit fixiert, insbesondere gegenüberliegend dem mindestens einen Fügehilfselement an dem Verbundblech. Hierdurch kann eine Beeinflussung des Fügebereichs auf der Seite des weiteren Bauteils erreicht werden. Dies ist insbesondere Vorteilhaft, wenn das weitere Bauteil ebenfalls ein Verbundblech ist und/oder im Falle des thermischen Fügens.
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Die Fixierung des mindestens einen Fügehilfselements an dem weiteren Bauteil kann dabei, wie zuvor in Bezug auf Fixierung an dem Verbundblech beschrieben, erfolgen.
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Gemäß einer zweiten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die eingangs genannte Aufgabe auch durch eine gattungsgemäße Vorrichtung gelöst, mit einer Positioniereinheit, welche dazu eingerichtet ist, mindestens ein Fügehilfselement an das Verbundblech in Anlage zu bringen und an dem Verbundblech zu fixieren, und mit einer Fügeeinheit zum Fügen des Verbundblechs mit dem mindestens einen weiteren Bauteil im Bereich des mindestens einen Fügehilfselements.
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Durch die Positioniereinheit, welche das Fügehilfselement bzw. die Fügehilfselemente nicht nur in Anlage an das Verbundblech bringt, sondern zudem auch an dem Verbundblech fixiert, kann die Positionierung und Fixierung von Fügehilfselementen nicht nur sehr effizient, sondern auch sehr präzise durchgeführt werden.
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Wie bereits ausgeführt weist die Positioniereinheit bevorzugt ein oder mehrere Magnetelemente (beispielsweise Magnetstifte) auf, um die Fügehilfselemente in einem Aufnahmebereich aufzunehmen.
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Bevorzugt umfasst die Vorrichtung weiterhin ein Zufuhrsystem zur Bereitstellung von Fügehilfselementen, wobei das Zufuhrsystem insbesondere ein Führungssystem umfasst, welches der Positionierung des mindestens einen Fügehilfselements relativ zu der Positioniereinheit bei der Aufnahme des mindestens einen Fügehilfselements dient.
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Bezüglich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen der Vorrichtung wird auf die Beschreibung des Verfahrens und den dort beschriebenen Vorteilen verwiesen.
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Durch die vorherige und folgende Beschreibung von Verfahrensschritten gemäß bevorzugter Ausführungsformen des Verfahrens sollen auch entsprechende Mittel zur Durchführung der Verfahrensschritte durch bevorzugte Ausführungsformen der Vorrichtung offenbart sein. Ebenfalls soll durch die Offenbarung von Mitteln zur Durchführung eines Verfahrensschrittes der entsprechende Verfahrensschritt offenbart sein.
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Im Weiteren soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert werden. Die Zeichnung zeigt in
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1a eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines Fügehilfselements;
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1b eine schematische Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels einer Positioniereinheit und eines Zufuhrsystems;
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1c eine perspektivische schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels der Platzierung und Fixierung der Fügehilfselemente;
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2 eine schematische Schnittansicht der in 1c) dargestellten Platzierung und Fixierung der Fügehilfselemente;
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3a–c schematische Schnittansichten unterschiedlicher Ausführungsbeispiele von Anordnungen von Fügehilfselementen;
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4 beispielshaft verschiedene Fügevorgänge in schematischer Schnittansicht;
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5a, b unterschiedliche Ausführungsbeispiele thermischer Fügevorgänge in schematischer Schnittansicht;
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6a, b unterschiedliche Ausführungsbeispiele mechanischer Fügevorgänge in schematischer Schnittansicht.
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1a zeigt zunächst eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines Fügehilfselements 1. Das Fügehilfselement 1 ist in diesem Fall aus Metall, beispielsweises aus Stahl hergestellt und weist eine im Wesentlichen flache, tellerförmige Geometrie auf. Auf der Unterseite des Fügehilfselements 1 sind mehrere Fixierelemente 2 angeordnet, welche der Fixierung des Fügehilfselements 1 an einem Verbundblech oder anderen Bauteil dienen. Die Fixierelemente 2 sind hier dornenförmig zum Eindringen in das Verbundblech oder Bauteil ausgebildet.
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1b zeigt eine schematische Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels einer Positioniereinheit 3 und eines Zufuhrsystems 4. Die Positioniereinheit 3 umfasst eine Zange 5 mit zwei Zangenschenkeln 5a, 5b und einen Positionierungsarm 6 in Form eines Roboterarms. Die Zangenschenkel 5a, 5b weisen jeweils einen Aufnahmebereich 7 auf, welche der Aufnahme jeweils eines Fügehilfselements 1 dienen. Hierzu weisen die Aufnahmebereiche 7 jeweils einen Magnetstift 8 auf, welcher der magnetischen Aufnahme des jeweiligen Fügehilfselements 1 dient.
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Das Zufuhrsystem 4 umfasst einen Vorrat an Fügehilfselementen 1. Durch ein Führungssystem 9 können die Aufnahmebereiche 7 und/oder die Fügehilfselemente 1 geführt werden. Dies kann hier durch eine Begrenzung, welche die Bewegung der Aufnahmebereiche 7 und/oder der Fügehilfselemente 1 beschränkt, erfolgen. Hierdurch werden die Fügehilfselemente 1 bei ihrer Aufnahme zu den Aufnahmebereichen 8 ausgerichtet. Anschließend können die Fügehilfselemente 1 mittels der Positioniereinheit 3 zu den zu fügenden Bauteilen befördert werden.
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1c zeigt hierzu eine perspektivische schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels der Platzierung und Fixierung der Fügehilfselemente 1. Durch die Zange 3 können die Fügehilfselemente 1 nicht nur präzise an den zu fügenden Bauteilen platziert und in Anlage gebracht werden, sondern auch an diesen fixiert werden, wie in Zusammenhang mit 2 näher beschrieben wird.
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2 zeigt hierzu eine schematische Schnittansicht der in 1c) dargestellten Platzierung und Fixierung der Fügehilfselemente 1. Die Fügehilfselemente 1 werden magnetisch durch die Magnetstifte an den Aufnahmebereichen 7 der jeweiligen Zangenschenkel 5a, 5b gehalten und können in Richtung der Pfeile 10 beidseitig auf die zu verbindenden Bauteile 11, 12 gedrückt werden. Dabei werden die Fügehilfselemente 1 paarweise gegenüberliegend angeordnet.
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Die zu verbindenden Bauteile sind dabei ein Verbundblech 11 und ein weiteres Bauteil 12, welches in diesem Fall ebenfalls als Verbundblech ausgebildet ist. Das Verbundblech 11 weist zwei äußere metallische Deckschichten 11a, 11b auf und eine dazwischen angeordnete nichtmetallische Zwischenschicht 11c, in diesem Fall eine thermoplastische Kunststoffschicht. Das weitere Bauteil 12 ist in diesem Fall identisch ausgebildet und weist analog die metallischen Deckschichten 12a, 12b und die Zwischensicht 12c auf. Zur zuverlässigeren relativen Platzierung und um bessere Fügeergebnisse zu erzielen, sind das Verbundblech 11 und das weitere Bauteil 12 mit einer dazwischen angeordneten Klebstoffschicht 13 stoffschlüssig verbunden.
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Die Fügehilfselemente 1 werden durch die Fixierelemente 2 form- und kraftschlüssig mit dem jeweiligen Bauteil 11, 12 verbunden. Dabei durchdringen die Fixierelemente 2 die ihnen jeweils zugewandten, äußeren Deckschichten 11a bzw. 12a. Die Fixierelemente 2 können beispielsweise bis in die jeweilige Zwischenschicht 11c bzw. 12c reichen. Die Fügehilfselemente 1 werden so auf einfache Weise präzise an dem Verbundblech 11 bzw. dem weiteren Bauteil 12 in Anlage gebracht und daran fixiert.
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3a–c zeigen eine schematische Schnittansicht unterschiedlicher Ausführungsbeispiele von Anordnungen von Fügehilfselementen 1. 3a zeigt eine beidseitige Anordnung von Fügehilfselementen 1 wie auch schon in 2 gezeigt. Dabei ist das weitere Bauteil 12 ebenfalls als Verbundblech ausgebildet und die Fügehilfselemente 1 sind beidseitig gegenüberliegend angeordnet. In der in 3b gezeigten Variante sind die Fügehilfselemente 1 nur einseitig, das heißt nur auf der Seite des Verbundblechs 11 angeordnet, jedoch nicht auf der Seite des weiteren Bauteils 12. In 3c sind die Fügehilfselemente 1 wie in 3b ebenfalls nur einseitig angeordnet. Im Unterschied zu 3b ist das weitere Bauteil 12 jedoch hier als Vollblech ausgebildet. In den drei gezeigten Ausführungsformen sind das Verbundblech 11 und das weitere Bauteil 12 jeweils über eine Klebstoffschicht 13 verbunden. Die Klebstoffschicht 13 ist jedoch nicht zwingend.
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4 zeigt beispielshaft verschiedene Fügetechniken in schematischer Schnittansicht. Beispielhaft ist das in 3b gezeigte Szenario dargestellt, in dem ein Verbundblech 11 mit einem weiteren als Verbundblech ausgebildeten Bauteil 12 gefügt werden soll und die Fügehilfselemente einseitig an dem Verbundblech 11 fixiert sind. Um die Verbundbleche 11, 12 mechanisch zu fügen, kann beispielsweise ein Vollstanzniet 14 zum Vollstanznieten verwendet werden. Ebenfalls kann ein Halbholstanzniet 15 zum Halbholstanznieten verwendet werden. Ebenfalls kann eine Schraube 16 zum Verschrauben, beispielsweise mittels Fließbohrschraubens, verwendet werden. Dabei wird das jeweilige mechanische Verbindungselement 14, 15, 16 von der Seite des weiteren Bauteils 12 eingebracht. Um die Verbundbleche 11, 12 thermisch zu fügen, kann eine Schweißlinse 17 mittels Widerstandsschweißens erzeugt werden. Es kann beispielsweise eine der dargestellten Fügetechniken ausgewählt werden, um die Bauteile 11, 12 miteinander an mehrere Stellen zu verbinden. Es können jedoch auch unterschiedliche Fügetechniken kombiniert werden.
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5a, b zeigen nun unterschiedliche Ausführungsbeispiele thermischer Fügevorgänge in schematischer Schnittansicht. Hierbei wird ein Verbundblech mit einem Vollblech gefügt, wie es in 3c gezeigt ist. Hierzu sind eine erste Schweißelektrode 18 und eine zweite Schweißelektrode 19 vorgesehen. Die erste Schweißelektrode 18 kontaktiert das mit dem Verbundblech 11 verbundene rechte Fügehilfselement 1 unmittelbar. Die zweite Schweißelektrode 19 kontaktiert gegenüberliegend der ersten Schweißelektrode 18 das weitere Bauteil 12 (Vollblech) unmittelbar. Die Schweißelektroden 18, 19 sind mit einer Stromquelle 20 über Leitungen 21 verbunden. Weiterhin ist eine Strombrücke 22 vorgesehen, welche das rechte Fügehilfselement 1 mit dem weiteren Bauteil 12 verbindet. Dadurch kann ein Vorwärmstrom unter Umgehung des Verbundblechs 11 fließen und die isolierende Zwischenschicht 11c erwärmen und erweichen, sodass durch eine Kraftbeaufschlagung des Verbundblechs durch die Schweißelektrode 18 die Deckschichten in Kontakt gebracht werden können. Dies ermöglicht dann ein Widerstandsverschweißen des Verbundblechs 11 mit dem weiteren Bauteil 12 mittels eines Schweißstroms. Der bereits gefügte Zustand ist mit Schweißlinse 17 im Bereich des linken Fügehilfselements 1 dargestellt.
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Im Unterschied zu 5a wird bei dem Ausführungsbeispiel in 5b ein Verbundblech 11 mit einem weiteren Verbundblech als weiteres Bauteil 12 gefügt, wobei wiederum nur einseitig Fügehilfselemente 1 vorgesehen sind (vgl. 3b). Auf der Seite des Verbundblechs 11 kontaktiert die erste Schweißelektrode 18 wiederum eins der Fügehilfselemente 1 und die zweite Schweißelektrode 19 kontaktiert das Verbundblech 12. Im Unterschied zu 1 ist keine Strombrücke, sondern ein Nebenschluss 23 vorgesehen, mittels welchem das jeweilige Fügehilfselement 1 unter Umgehung beider Verbundbleche 11, 12 und der zweiten Schweißelektrode 19 mit den Leitungen 21 verbunden ist. Dadurch entsteht ein Stromkreis über den Nebenschluss 23, das kontaktierte Fügehilfselement 1 und die erste Schweißelektrode 18, sodass hierüber ein Vorwärmstrom fließen kann und die Deckschichten 11a, 11b, 12a, 12b sich aufgrund des Erweichens der Zwischenschichten 11c, 12c kontaktieren können. Das Verschweißen erfolgt dann wiederum über einen Schweißstrom über die erste und die zweite Schweißelektrode 18, 19 und die Verbundbleche 11, 12.
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6a, b zeigt unterschiedliche Ausführungsbeispiele mechanischer Fügevorgänge in schematischer Schnittansicht. Die Fügeeinheit zur Kraftbeaufschlagung der mechanischen Verbindungsmittel ist nicht dargestellt. Wie bereits in Zusammenhang mit 4 ausgeführt, können die mechanischen Fügevorgänge insbesondere durch Stanznieten oder Verschrauben realisiert sein. Hierzu sind in 6a der Vollstanzniet 14, der Halbhohlstanzniet 15 und die Schraube 16 aus 4 gezeigt, wobei angedeutet ist, dass diese (zumindest teilweise) in die Bleche 11, 12 eingedrungen sind. Durch eine Kraftbeaufschlagung der mechanischen Verbindungselemente 14, 15, 16 in Fügerichtung 24 kann schließlich ein mechanisches Fügen der Belche 11, 12 ermöglicht werden.
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6b zeigt beispielshaft zwei Ausführungsbeispiele mechanischer Fügevorgänge bei einer Bauteilkombination, wie bereits in 3c dargestellt, das heißt, das weitere Bauteil 12 ist ein Vollblech. Wie jedoch zu erkennen ist, sind in dem gezeigten Stadium der Vollstanzniet 14 bzw. der Halbhohlstanzniet 15 bis in den Bereich der obersten Deckschicht 11a des Verbundblechs 11 vorgedrungen, sodass die Bleche 11, 12 in den Bereichen der Fügehilfselemente 1 gefügt sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011100495 A1 [0005]
