DE102016011795A1 - Verfahren zum Fügen von auch haftungs-inkompatiblen Kunststoffteilen miteinander und Verbundbauteil aus auch haftungs-inkompatiblen Kunststoffteilen - Google Patents

Verfahren zum Fügen von auch haftungs-inkompatiblen Kunststoffteilen miteinander und Verbundbauteil aus auch haftungs-inkompatiblen Kunststoffteilen Download PDF

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Abstract

Ein Verbundbauteil (11) aus auch verbindungs-inkompatiblen thermoplastischen Kunststoffteilen ist dadurch gefügt, dass eine Verbindungsfläche (14.1) an einem der Verbindungspartner (12.1) zu Mikrostrukturen (15) aufgeraut wurde, und dass die Verbindungsfläche (14.2) am anderen, dem zweiten, Verbindungspartner (12.2) gegen die Mikrostrukturen (15) in der ersten Verbindungsfläche (14.1) unter Erwärmen angedrückt wurde, bis wenigstens etliche der Mikrostrukturen (15) sich, zu Hinterschnitten gestaucht, plastisch verformten. Die Anlage der Verbindungsflächen (14.1–14.2) gegeneinander wurde beibehalten, bis infolge Temperaturanstieges aufschmelzendes Material (16) aus der zweiten Verbindungsfläche (14.2) zwischen die verformten Mikrostrukturen (15) floss, um dann dort infolge Abkühlens zu der mechanisch überaus stabilen mikroformschlüssigen Fügung des Verbundbauteiles (11) zu erstarren.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Verbundbauteil gemäß den Oberbegriffen der selbständigen Patentansprüche.
  • Viele thermoplastische Kunststoff-Paarungen lassen sich miteinander und auch mit anderen Werkstoffen zu einem Verbundbauteil verbinden. Man unterscheidet üblicherweise im Wesentlichen stoff-, kraft- und formschlüssige Verbindungen. Während stoffschlüssige Verbindungen eine werkstoffliche Haftungskompatibilität (chemisch und/oder physikalisch) der Fügepartner erfordern, sind bei formschlüssigen Verbindungen geometrische Hinterschnitte erforderlich. Kraftschlüssige Verbindungen basieren auf Klemmkräften mit erhöhter Reibung zwischen den Partnern. Kombinationen der Verbindungsprinzipien sind möglich Kraftschlüssige Verbindungen zwischen Kunststoffteilen sind unzuverlässig da nicht dauerfest; denn aufgrund der Fließeigenschaften der Materialien der miteinander verspannten Kunststoffteile, insbesondere bei Thermoplasten, baut der fertigungstechnisch vorgegebene Kraftschluss sich mit der Zeit ab.
  • Zuverlässiger sind bei haftungsinkompatiblen Kunststoffen deshalb makroskopisch formschlüssige Verbindungen. Die bedürfen allerdings oft zusätzlicher konstruktiver und fertigungstechnischer Maßnahmen, und gegebenenfalls zusätzlichen Einbauraumes für diese. Mikro-Formschlussverbindungen etwa nach dem Wirkprinzip von Klettverschlüssen dagegen benötigen komplementäre Verbindungspartner auf den beiden Verbindungsflächen; und sie sind nicht dauerfest gegen trennende Krafteinleitung. Bei auf Formschluss abzielenden Fügepartnern werden die Formschlusselemente zumindest eines Partners dem Stand der Technik folgend bereits bei der Bauteilherstellung vollständig geformt, z. B. bei Schnapphaken oder Verschraubungen.
  • Vorliegender Erfindung liegt dagegen die technische Problemstellung zugrunde, für Verbundbauteile mechanisch hoch belastbare Verbindungen auch zwischen an sich verbindungsinkompatiblen und selbst an sich beliebig glatten thermoplastischen Kunststoff-Oberflächen zu schaffen.
  • Diese Aufgabe ist durch das Zusammenwirken der in den selbständigen Patentansprüchen angegebenen wesentlichen Merkmale gelöst. Danach wird die Verbindungsfläche wenigstens eines der zu fügenden Verbindungspartner zu lokalen mikroskopischen Erhebungen aufgeraut. Sodann wird die Verbindungsfläche des anderen, zweiten Verbindungspartners unter Wärmeentwicklung und erforderlichenfalls Wärmezufuhr darauf gepresst, bis sich die mikroskopischen Erhebungen in der ersten Verbindungsfläche zu Hinterschnittstrukturen plastisch verformen; woraufhin schließlich aufschmelzend verflüssigtes, jedenfalls plastifiziertes Material längs der aufgepressten zweiten Verbindungsfläche unter diese mikroskopischen Hinterschnittstrukturen in der ersten Verbindungsfläche eintritt.
  • Mit erkaltungsbedingtem Erstarren dieses Materials aus der zweiten Verbindungsfläche sind in der makroskopischen Verbindungsebene zwischen den beiden Verbindungsflächen die zahlreichen, mikroskopisch kleinen Hinterschnittstrukturen am ersten Verbindungspartner hintergriffen. Diese mikroformschlüssige Fügung erbringt ein thermoplastisches, langzeitzuverlässig zug-, biege-, torsions- und schälfestes Verbundbauteil.
  • Die aufeinander zu drückenden Verbindungsflächen müssen nicht eben sein, sie können grundsätzlich, paarweise komplementär, beliebig geformt sein.
  • Die in der ersten Verbindungsfläche später zu Hinterschnittstrukturen zu verformenden, dann insbesondere zu stauchenden, zu verbiegenden und zu knickenden, mikroskopischen Erhebungen können beliebig, etwa mechanisch oder thermomechanisch als Rauigkeit in diese Verbindungsfläche eingebracht werden. Dazu kann ein aufgerauter, zusätzlich auch aufgeheizter, Stempel in diese Verbindungsfläche eingepresst werden; oder sie wird mit Metall-, Sand- oder dergleichen Partikelstrahlen beaufschlagt. Die spätere Verbindungsfläche kann auch bereits beim Spritzguss des ersten Verbindungspartners infolge lokal aufgerauter Spritzgussform entsprechend mikro-profiliert werden.
  • Die zweite Verbindungsfläche kann grundsätzlich ebenfalls mikrostrukturiert sein, eine glatte Verbindungsfläche ist hier aber zu bevorzugen. Sie wird unter Wärmeübertragung gegen die mikroprofilierte erste Verbindungsfläche angepresst. Der durch den Pressdruck entstehende Wärmefluss kann durch Reib- oder Vibrationserhitzung signifikant gesteigert werden. Grundsätzlich ist stattdessen oder zusätzlich ein Einkoppeln von Wärme möglich, die aus anderen, externen Wärmequellen zugeführt wird, etwa von (Infrarot-)Wärmestrahlung. Dabei sollte auf eine möglichst gleichmäßige Erwärmung über die beiden gegeneinanderliegenden Verbindungsflächen geachtet werden.
  • Die Materialien der Verbindungsflächen der Verbindungspartner und somit auch, jedenfalls in diesem Bereich, des Verbundbauteiles sind zweckmäßigerweise derart gewählt, dass bei ansteigender Temperatur in der Verbindungsebene die Mikrostrukturen in der ersten Verbindungsfläche erweichen und deshalb vom Andruck der anliegenden zweiten Verbindungsfläche plastisch verformt, insbesondere gestaucht, gekippt und möglichst sogar pilzähnlich umgeformt werden.
  • Als Material für die erste, aufzurauende und dadurch mikrozuverformende Verbindungsfläche wird vorzugsweise Polyamid mit seiner Schmelztemperatur bei erst ca 240°C gewählt, für die zweite Verbindungsfläche das dagegen schon bei ca. 135°C schmelzende Polyethylen. Diese thermoplastischen Materialien sind an sich besonders haftinkompatibel, weil deren Moleküle sich nicht verschlaufen. Durch gezielte Prozessführung mit lokaler Temperierung ist auch die Kombination von Kunststoffen mit nahe beieinander liegenden Schmelzpunkten möglich. Durch die erfindungsgemäße Mikrostrukturierung für einen darüber großflächig ausgebreiteten Mikroformschluss gehen die Materialien der beiden Verbindungspartner eine Verbindung ein, die mechanisch stabiler ist als der jeweils benachbarte Bereich der beiden Verbindungspartner selbst.
  • Andererseits ist die Konstruktion insbesondere eines Verbundbauteiles aus Polyamid und Polyethylen besonders recykelfreudig. Denn nach dem Schreddern brauchen die noch vermischten Teile lediglich in Wasser oder ein anderes Trenn-Fluid gegeben zu werden. Im Wasser-Tank sinken die mit einer Dichte bei 1,1 bezüglich des Trenn-Fluid Wasser spezifisch schwereren Partikel aus Polyamid nach unten. Daraufhin kann das aufschwimmende, mit einer Dichte bei 0,9 spezifisch leichtere Polyethylen an der Oberfläche dieses Trenn-Fluid abgeschöpft werden, und zurück bleibt im Tank das sauber davon geschiedene Polyamid.
  • Zusätzliche Weiterbildungen und Abwandlungen zur erfindungsgemäßen Lösung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen und, auch unter Berücksichtigung von deren Vorteilen, aus nachstehender Beschreibung einer stark vereinfacht und im Verbindungsbereich extrem vergrößert auf das Funktionswesentliche abstrahierten Skizze einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
  • Die einzige Figur der Zeichnung zeigt in abgebrochenem Längsschnitt ein Verbundbauteil, bei abgehobenem Fügebereich für eine symbolische Darstellung einer zu Hinterschnitten verformten Mikrostrukturierung.
  • Das skizzierte Verbundbauteil 11 weist zwei Verbindungspartner 12.1 und 12.2, etwa aus Polyamid und Polyethylen, auf, die sich im Fügebereich 13 mit ihren Verbindungsflächen 14.1, 14.2 abgeplattet überlappen. Jedenfalls die erste Verbindungsfläche 14.1 ist zu Mikrostrukturen 15 aufgeraut, die beispielshalber, zur Veranschaulichung geradezu unendlich übertrieben groß, skizziert sind. Dabei ist berücksichtigt, dass solche Mikrostrukturen 15 durch die symbolisch angedeutete Wärme- und Druckeinwirkung von der zweiten Verbindungsfläche 14.2 her zu Hinterschnitten verschiedenster Gestaltung plastisch verformt wurden. In diese Mikrostrukturen 15 eintauchend umgibt das, später aushärtende, verflüssigte oder wenigstens plastifizierte Material 16 in der zweiten Verbindungsfläche 14.2 die Hinterschnitte der gestauchten Mikrostrukturen 15 in der ersten Verbindungsfläche 14.1.
  • Das stellt eine Vielzahl von mikroformschlüssigen Verbindungen über die gesamte Ausdehnung der Verbindungsflächen 14.1 = 14.2 im wesentlichen gleicher Geometrie dar und ergibt deshalb eine mechanisch außerordentlich zuverlässige Fügung auch zwischen an sich verbindungs-inkompatiblen thermoplastischen Kunststoffteilen als den Verbindungspartnern 12 (12.1 + 12.2) eines Verbundbauteiles 11.
  • Ein solches Verbundbauteil 11 aus auch verbindungs-inkompatiblen thermoplastischen Kunststoffteilen wurde somit erfindungsgemäß dadurch gefügt, dass jedenfalls eine Verbindungsfläche 14.1 an einem der Verbindungspartner 12.1 zu Mikrostrukturen 15 aufgeraut wurde; und dass die Verbindungsfläche 14.2 am anderen, dem zweiten, Verbindungspartner 12.2 gegen die Mikrostrukturen 15 in der ersten Verbindungsfläche 14.1 unter Erwärmen angedrückt wurde, bis wenigstens etliche der Mikrostrukturen 15 sich, zu Hinterschnitten gestaucht, plastisch verformten. Der Andruck der Verbindungsflächen 14.1-14.2 gegeneinander wurde beibehalten, bis infolge Temperaturanstieges aufschmelzendes Material 16 aus der zweiten Verbindungsfläche 14.2 zwischen die verformten Mikrostrukturen 15 in der ersten Verbindungsfläche 14.1 floss, um dann dort infolge Abkühlens zu der mechanisch überaus stabilen mikroformschlüssigen Fügung des Verbundbauteiles 11 zu erstarren.
  • Bezugszeichenliste
    • 11
    Verbundbauteil (aus 12.1 + 12.2)
    12
    (Zwei) Verbindungspartner (von 11)
    13
    Fügebereich (zwischen 14.1 und 14.2)
    14
    Verbindungsflächen (zwischen 12.1 und 12.2)
    15
    Mikrostrukturen (auf 14.1)
    16
    Material (von 12.2 in 14.2)

Claims (9)

  1. Verfahren zum Fügen von auch verbindungs-inkompatiblen Kunststoffteilen als Verbindungspartnern (12) miteinander, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verbindungsfläche (14.1) an einem der Verbindungspartner (12.1) zu Mikrostrukturen (15) aufgeraut wird, und dass die Verbindungsfläche (14.2) am anderen, dem zweiten, Verbindungspartner (12.2) gegen die erste Verbindungsfläche (14.1) unter Erwärmen angedrückt wird, bis die Mikrostrukturen (15) sich zu Hinterschnitten verformen, und weiter bis aufschmelzendes Material (16) aus der zweiten Verbindungsfläche (14.2) zwischen die verformten Mikrostrukturen (15) fließt und dann dort infolge Abkühlens erstarrt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Verbindungsfläche (14.1) das Material eine höhere Schmelztemperatur aufweist, als das Material (16) in der zweiten Verbindungsfläche (14.2).
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Verbindungsfläche (14.1) mechanisch oder thermomechanisch aufgeraut wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Verbindungsfläche (14.1) beim Spritzguss dieses Verbindungspartners (12.1) durch lokales Gestalten der Form aufgeraut wird.
  5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Verbindungsfläche (14.2) und die erste Verbindungsfläche (14.1) unter Reib- oder Vibrationserwärmung gegeneinander angepresst werden.
  6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Verbindungsfläche (14.2) und die erste Verbindungsfläche (14.1) unter externer Wärmezufuhr gegeneinander angepresst werden.
  7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Pressen der Verbindungsflächen (14) gegeneinander aufrechterhalten wird, bis aufschmelzendes Material (16) aus der zweiten Verbindungsfläche (14.2) zwischen die verformten Mikrostrukturen (15) in der ersten Verbindungsfläche (14.1) geflossen ist, woraufhin die Verbindungsflächen (14) abgekühlt werden.
  8. Aus auch zwei verbindungs-inkompatiblen thermoplastischen Kunststoffteilen als Verbindungspartnern (12), insbesondere nach einem der Verfahren gemäß den vorangehenden Patentansprüchen, gefügtes Verbundbauteil (11), dadurch gekennzeichnet, dass an einem der Verbindungspartner (12) eine aufgeraute Verbindungsfläche (14.1) mit zu Hinterschnitten gestauchter Mikrostrukturierung (15) vorgesehen ist, zwischen der Material (16) aus der dagegen anliegenden zweiten Verbindungsfläche (14.2) mikroformschlüssig erstarrt ist.
  9. Verbundbauteil nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichten der Materialien der beiden Verbindungspartner (12) beiderseits der Dichte eines Trenn-Fluid, insbesondere der Dichte von Wasser, liegen.
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