DE102017122580B4

DE102017122580B4 - Verfahren zum Fügen zweier Fügepartner mittels strahlenhärtendem Material und Anordnung zur Durchführung eines Fügeverfahrens

Info

Publication number: DE102017122580B4
Application number: DE102017122580.3A
Authority: DE
Inventors: Michael Martin
Original assignee: Preh GmbH
Current assignee: Preh GmbH
Priority date: 2017-09-28
Filing date: 2017-09-28
Publication date: 2021-11-25
Anticipated expiration: 2037-09-29
Also published as: DE102017122580A1

Abstract

Verfahren zum Fügen zweier Fügeteile (1, 3):Bereitstellen eines ersten Fügeteils (1), welches eine Fügefläche (4) definiert, wobei die Fügefläche (4) einen dreidimensionalen Verlauf (4a, 4b, 4c, 4d) aufweist;Aufbringen einer Schicht (5) aus einem strahlungshärtbaren Material, dessen Aushärtung in-situ mittels einer zugeführten Energie wenigstens initiiert werden kann, auf die Fügefläche (4);,Bestrahlen der Schicht (5) mit Strahlung einer Strahlungsquelle (6), wobei die Strahlungsquelle eine Lichtquelle mit einem Emissionsspektrum im ultravioletten Bereich ist, um die Energie der Schicht (5) zuzuführen; wobei beim Bestrahlen zwischen der Schicht (5) und der Strahlungsquelle (6) ein Strahlungsverteiler (7) angeordnet ist, der eine Strahlungsaustrittsfläche (2) für in Richtung der Schicht (5) aus dem Strahlungsverteiler (7) austretende Strahlung definiert, wobei die Strahlungsaustrittsfläche (2) so ausgebildet ist, dass sie dem dreidimensionalen Verlauf (4a, 4b, 4c, 4d) der Fügefläche (4) folgt;Aufbringen eines zweiten Fügeteils (3) auf die Schicht (5)dadurch gekennzeichnet, dassdie Strahlung der Strahlungsquelle (6) über eine Strahlungseinkoppelfläche (9), die als Stirnfläche eines am Strahlungsverteiler (7) vorstehenden Fortsatzes (8) ausgebildet ist, in den Strahlungsverteiler (7) eingekoppelt wird, und dass der Strahlungsverteiler (7) ein stabförmiger Lichtleiter aus einem diffusen, transluzenten oder transparenten Material ist und dass die Schicht (5) als Strang ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen, inbesondere stoffschlüssigen Verbinden wie Kleben, zweier Fügeteile unter Verwendung eines strahlenhärtenden, insbesondere mittels Licht härtenden, Materials. Bei den bisher bekannten Verfahren wurden im Wesentlichen flache Fügeflächen miteinander verklebt oder bei nicht ebenen Fügeflächen wurde eine nicht gleichmäßige Aktivierung des aushärtbaren Materials in Kauf genommen, welches die Fügeverbindung zwischen den Fügepartnern herstellt. Es hat sich aber gezeigt, dass ein ungleichmäßiger Energieeintrag in dieses Material zu einer unzuverlässigen Verbindung führt. Dies liegt unter anderem daran, dass nach Aktiviierung der für das Aufbringen und Positionieren des zweiten Fügepartners auf die Schicht nur eine sehr begrenztes Zeitfenster zur Verfügung steht, in der die Möglichkeit besteht, den anderen Fügepartner aufzubringen und zu positionieren sowie gegebenenfalls auszurichten. Dies ist insbesondere kritisch, wenn dieses Zeitfenster kurz ist und die Aktivierung in der Schicht über die Schicht hinweg nicht gleichzeitig getriggert wird, sondern aufgrund eines ungleichmäßigen Energieeintrags über den Verlauf der Schicht zeitlich verzögert erfolgt.
Ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der DE 10 2007 024 251 A1 bekannt. Die DE 196 04 081 A1 , die DE 10 2015 212 961 A1 sowie die EP 3 009 256 A1 offenbaren jeweils Verbindungsverfahren, bei denen UV-Licht unter Verwendung eines Lichtleiters zur Aushärtung eines Klebstoffs in einer Klebefuge benutzt wird.
Vor diesem Hintergrund bestand Bedarf nach einer Lösung für ein gattungsgemäßes Verfahren zum Fügen zweier Fügepartner mit im Vergleich verbessertem Fügeresultat. Diese Aufgabe wird durch ein Fügeverfahren gemäß Anspruch 1 sowie die Anordnung des nebengeordneten Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren, charakterisiert und spezifiziert die Erfindung zusätzlich.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen zweier Fügeteile. In einem ersten Bereitstellungsschritt erfolgt ein Bereitstellen eines ersten Fügeteils, welches eine Fügefläche definiert. Erfindungsgemäß weist die Fügefläche einen dreidimensionalen Verlauf auf, d.h. ist nicht eben ausgebildet, beispielsweise ist gekrümmt oder weist eine Anordnung von mehreren zu einander gewinkelt angeordneten Flächen auf.
In einem nachfolgenden Aufbringungsschritt erfolgt ein Aufbringen einer Schicht aus einem strahlungshärtbaren Material auf die Fügefläche, so dass sich die Schicht der entlang der Fügefläche erstreckt. Die Aushärtung dieses Materials erfolgt in-situ, d.h. am Ort der Aufbringung durch zumindest eine Initiierung des Aushärtvorgangs mittels Energiezuführung.
Erfindungsgemäß ist zur Energiezuführung ein Bestrahlen der Schicht mit Strahlung einer Strahlungsquelle vorgesehen. Erfindungsgemäß ist während des Bestrahlens ein zwischen der Schicht und der Strahlungsquelle angeordneter Strahlungsverteiler vorgesehen, der eine Strahlungsaustrittsfläche für die aus dem Strahlungsverteiler in Richtung der Schicht austretende Strahlung definiert. Erfindungsgemäß folgt die Strahlungsaustrittfläche dem dreidimensionalen Verlauf der Schicht. Anders ausgedrückt ist die Strahlungsaustrittsfläche entsprechend dem Verlauf der Fügefläche gekrümmt, geneigt etc. Bevorzugt verlaufen beide, d.h. die Strahlungsaustrittsfläche und die Fügefläche parallel zueinander. Erfindungsgemäß wird die Strahlung der Strahlungsquelle über eine Strahlungseinkoppelfläche, die als Stirnfläche eines am Strahlungsverteiler vorstehenden Fortsatzes ausgebildet ist, in den Strahlungsverteiler eingekoppelt.
In einem nachfolgenden Schritt erfolgt ein Aufbringen des zweiten Fügeteils auf die Schicht, so dass die Schicht im gehärteten bis ausgehärteten Zustand die Fügeverbindung zwischen dem ersten und zweiten Fügepartner herstellt.
Durch den erfindungsgemäßen Strahlungsverteiler wird eine über den Verlauf der Schicht in Erstreckungsrichtung gleichmäßige Intensität des Einergieieintrags in die Schicht erreicht. Die Initiierung der Aushärtung kann ferner über den Verlauf der Schicht somit verbessert zeitlich übereinstimmender erfolgen.
Der Fügepartner ist in einer Ausgestaltung aus einem Kunststoff, insbesondere einem Thermoplast.
Erfindungsgemäß ist die Strahlungsquelle eine Lichtquelle und der Strahlungsverteiler ist ein Lichtleiter aus diffusem, transparentem oder transluzenten Material, wie Kunststoff. Ein diffuser Lichtdurchgang wird beispielsweise durch Einbettung von optischen Aufhellern oder Streupartikeln in das Material des Strahlungsverteilers erreicht.
Erfindungsgemäß handelt es sich um eine Lichtquelle mit einem Emissionsspektrum im ultravioeltten Bereich. Bevorzugt handelt es sich um eine Lichtquelle mit einem Wellenlängenbereich von 100 nm bis 700 nm, bevorzugt von 150 nm bis 500 nm, und besonders bevorzugt von 300 nm bis 450 nm im Emmisionsspektrum, bevorzugt liegt ein Maximum des Emmissionsspektrums im jeweils vorgenannten Bereich.
Erfindungsgemäß wird im Aufbringungsschritt die Schicht als Strang, auch Raupenauftrag genannt, aufgebracht, und der Strahlungsverteiler ist stabförmig ausgebildet.
Bevorzugt ist die Schicht aus einem UV-härtenden Material auf Basis von Epoxidharzen, Polyacrylsauren, Polyvinylacetaten, Polymethacrylsauren und/oder Polymethylacrylaten.
Bevorzugt ist der lichte Abstand zwischen der Strahlungsaustrittsfläche und der Fügefläche über den Verlauf der Fügefläche im Wesentlichen, d.h. von Fertigungs- und Messtoleranzen abgesehen, konstant.
Die Erfindung betrifft ferner eine Anordnung zur Durchführung eines Fügeverfahrens. Die Anordnung weist ein erstes Fügeteil, welches eine erste Fügefläche definiert, auf. Dabei weist die erste Fügefläche einen dreidimensionalen Verlauf auf, anders ausgedrückt: die erste Fügefläche ist nicht eben ausgebildet.
Erfindungsgemäß ist eine auf der ersten Fügefläche aufgebrachte Schicht aus einem strahlungshärtbaren Material, dessen Aushärtung in-situ mittels einer zugefuehrten Energie wenigstens initiiert werden kann, vorgesehen. Erfindungsgemäß ist ferner eine Strahlungsquelle zum Bestrahlen der Schicht mit Strahlung, um die für die Initiierung notwendige Energie der Schicht zuzuführen, vorgesehen.
Erfindungsgemäß ist ein zwischen der Schicht und der Strahlungsquelle angeordneter Strahlungsverteiler, der eine Strahlungsaustrittsfläche für in Richtung der Schicht austretende Strahlung definiert, vorgesehen. Erfindungsgemäß folgt die Strahlungsaustrittfläche dem dreidimensionalen Verlauf der Schicht. Anders ausgedrückt ist die Strahlungsaustrittsfläche entsprechend dem Verlauf der Fügefläche gekrümmt, geneigt etc. Bevorzugt verlaufen beide parallel zueinander. Erfindungsgemäß wird die Strahlung der Strahlungsquelle über eine Strahlungseinkoppelfläche, die als Stirnfläche eines am Strahlungsverteiler vorstehenden Fortsatzes ausgebildet ist, in den Strahlungsverteiler eingekoppelt.
Durch den erfindungsgemäßen Strahlungsverteiler wird ein über den Verlauf der Schicht in Erstreckungsrichtung gleichmäßige Intensität des Einergieieintrags in die Schicht erreicht. Die Initiierung der Aushärtung kann ferner über den Verlauf der Schicht somit verbessert zeitlich übereinstimmender erfolgen.
Der Fügepartner ist in einer Ausgestaltung aus einem Kunststoff, insbesondere einem Thermoplast.
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung ist die Strahlungsquelle eine Lichtquelle und der Strahlungsverteiler ist ein Lichtleiter aus diffusem, transparentem oder transluzenten Material, wie Kunststoff. Ein diffuser Lichtdurchgang wird beispielsweise durch Einbettung von optischen Aufhellern oder Streupartikeln in das Material des Strahlungsverteilers erreicht.
Erfindungsgemäß handelt es sich um eine Lichtquelle mit einem Emissionsspektrum im ultravioeltten Bereich. Bevorzugt handelt es sich um eine Lichtquelle mit einem Wellenlängenbereich von 100 nm bis 700 nm, bevorzugt von 150 nm bis 500 nm, und besonders bevorzugt von 250 nm bis 380 nm im Emmisionsspektrum, bevorzugt liegt ein Maximum des Emmissionsspektrums jeweils im vorgenannten Bereich.
Erfindungsgemäß sind die Schicht als Strang, beispielsweise auch Raupe genannt, und der Strahlungsverteiler stabförmig ausgebildet.
Bevorzugt ist der lichte Abstand zwischen der Strahlungsaustrittsfläche und der Fügefläche über den Verlauf der Fügefläche konstant.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Die Figuren sind dabei nur beispielhaft zu verstehen und stellen lediglich eine bevorzugte Ausführungsvariante dar. Es zeigen:

1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Durchführung eines Fügeverfahrens vor dem Aufbringen des zweiten Fügeteils;
2 eine Schnittdarstellung der Anordnung aus 1 mit aufgebrachtem zweitem Fügeteil.

1 zeigt eine Ausführungform einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Durchführung eines Fügeverfahrens. Diese weist ein erstes Fügeteil 1, welches eine Fügefläche 4 zur fügenden Verbindung mit einem zweiten, in 1 nicht dargestellten Fügeteil definiert. Wie in 1 gezeigt, weist die Fügefläche 4 des ersten Fügeteils 1 einen dreidimensionalen Verlauf 4a, 4b, 4c, 4d auf, der sich aus der Anordnung von mehreren gewinkelt zueinander stehenden, im einzelnen ebenen, aneinander angrenzenden Einzelflächen ergibt. Diese Form eines dreidimensionalen Verlaufs ist nur beispielhaft zu verstehen und die in 1 gezeigte ebene Form der Einzelflächen 4a bis 4d soll nicht eine zwingende Beschränkung der Erfindung auf ebene Einzelflächen implizieren, vielmehr soll die Ausgestaltung der Fügefläche als eine einzelne, einfach krümmte, als eine einzelne, aber mehrfach gekrümmte oder als eine Kombination unterschiedlicher Einzelflächen, d.h. eben oder gekrümmt, mit umfasst sein.
Wie 1 zeigt wurde auf die Fügefläche 4 eine Schicht 5, hier in Form eines Stranges, auch Raupe genannt, aus einem mittels UV-Licht, in-situ härtbaren Material, insbesondere aus einem zähflüssigen, UV-härtbaren Klebstoff aufgebracht. Zur Initiierung der Aushärtung der Schicht 5 bedarf es einer Bestrahlung mit Licht einer UV-Lichtquelle als Strahlungsquelle 6. Um eine bezüglich der Intensität des Energieeintrags gleichmäßige Initiierung zu erreichen, ist erfindungsgemäß ein als Lichtleiter, aus transparentem und damit durchleuchtbarem Material ausgebildeter Strahlungsverteiler 7 vorgesehen, der zwischen der Fügefläche 4, bzw. der Schicht 5 und der Strahlungsquelle 6 angeordnet ist. Der Strahlungsverteiler 7 weist eine Strahlungsaustrittsfläche 2 auf, die dem Verlauf der Fügefläche 4 folgt, d.h. es sind zu den Flächen 4a bis 4d der Fügefläche 4 entsprechend parallel beabstandete Flächen 2a bis 2d der Strahlungsaustrittsfläche 2 vorgesehen, wobei der lichte Abstand D zwischen Strahlungsaustrittsfläche 2 und Fügefläche 4 im Wesentlichen konstant und gleichmäßig ist. Die Strahlung der Strahlungsquelle 6, hier der UV-Lichtquelle, wird über eine Strahlungseinkoppelfläche 9, die als Stirnfläche eines am Strahlungsverteiler 7 vorstehenden Fortsatzes 8 ausgebildet ist, in den Strahlungsverteiler 7 eingekoppelt.
Nach der Initiierung des Aushärtvorgangs wird wie in 2 gezeigt der zweite Fügepartner 3 auf die Schicht 5 aufgebracht. Dazu weist der zweite Fügepartner 3 eine der Fügefläche 4 des ersten Fügepartners im Wesentlichen deckungsgleiche Fügefläche auf, so dass nach dem Aushärten der Schicht 5 eine mechanisch belastbare, stoffschlüssige Verbindung zwischen dem ersten Fügepartner 1 und dem zweiten Fügepartner 3 erreicht ist.

Claims

Verfahren zum Fügen zweier Fügeteile (1, 3): Bereitstellen eines ersten Fügeteils (1), welches eine Fügefläche (4) definiert, wobei die Fügefläche (4) einen dreidimensionalen Verlauf (4a, 4b, 4c, 4d) aufweist; Aufbringen einer Schicht (5) aus einem strahlungshärtbaren Material, dessen Aushärtung in-situ mittels einer zugeführten Energie wenigstens initiiert werden kann, auf die Fügefläche (4);, Bestrahlen der Schicht (5) mit Strahlung einer Strahlungsquelle (6), wobei die Strahlungsquelle eine Lichtquelle mit einem Emissionsspektrum im ultravioletten Bereich ist, um die Energie der Schicht (5) zuzuführen; wobei beim Bestrahlen zwischen der Schicht (5) und der Strahlungsquelle (6) ein Strahlungsverteiler (7) angeordnet ist, der eine Strahlungsaustrittsfläche (2) für in Richtung der Schicht (5) aus dem Strahlungsverteiler (7) austretende Strahlung definiert, wobei die Strahlungsaustrittsfläche (2) so ausgebildet ist, dass sie dem dreidimensionalen Verlauf (4a, 4b, 4c, 4d) der Fügefläche (4) folgt; Aufbringen eines zweiten Fügeteils (3) auf die Schicht (5) dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlung der Strahlungsquelle (6) über eine Strahlungseinkoppelfläche (9), die als Stirnfläche eines am Strahlungsverteiler (7) vorstehenden Fortsatzes (8) ausgebildet ist, in den Strahlungsverteiler (7) eingekoppelt wird, und dass der Strahlungsverteiler (7) ein stabförmiger Lichtleiter aus einem diffusen, transluzenten oder transparenten Material ist und dass die Schicht (5) als Strang ausgebildet ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Strahlungsquelle (6) eine Lichtquelle mit einem Wellenlängenbereich von 100 nm bis 700 nm, bevorzugt von 150 nm bis 500 nm, und besonders bevorzugt von 300 nm bis 450 nm ist.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schicht (5) aus einem UV-härtenden Material auf Basis von Epoxidharzen, Polyacrylsauren, Polyvinylacetaten, Polymethacrylsauren und/oder Polymethylacrylaten ist.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der lichte Abstand zwischen der Strahlungsaustrittsfläche (2) und der Fügefläche (4) über dessen dreidimensionalen Verlauf (4a, 4b, 4c, 4d) im Wesentlichen konstant ist.
Anordnung zur Durchführung eines Fügeverfahrens, aufweisend: ein erstes Fügeteil (1), welches eine Fügefläche (4) definiert, wobei die Fügefläche (4) einen dreidimensionalen Verlauf (4a, 4b, 4c, 4d) aufweist; eine auf der Fügefläche (4) aufgebrachte Schicht (5) aus einem strahlungshärtbaren Material, dessen Aushärtung in-situ mittels einer zugeführten Energie wenigstens initiiert werden kann; eine Strahlungsquelle (6) zum Bestrahlen der Schicht (5) mit Strahlung, wobei die Strahlungsquelle eine Lichtquelle mit einem Emissionsspektrum im ultravioletten Bereich ist, um die Energie der Schicht (5) zuzuführen; ein zwischen der Schicht (5) und der Strahlungsquelle (6) angeordneter Strahlungsverteiler (7), der eine Strahlungsaustrittsfläche in Richtung der Schicht definiert, wobei die Strahlungsaustrittsfläche so ausgebildet ist, dass sie dem dreidimensionalen Verlauf (4a, 4b, 4c, 4d) der Fügefläche (4) folgt dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlung der Strahlungsquelle (6) über eine Strahlungseinkoppelfläche (9), die als Stirnfläche eines am Strahlungsverteiler (7) vorstehenden Fortsatzes (8) ausgebildet ist, in den Strahlungsverteiler (7) eingekoppelt wird, und dass der Strahlungsverteiler (7) ein stabförmiger Lichtleiter aus einem diffusen, transluzenten oder transparenten Material ist und dass die Schicht (5) als Strang ausgebildet ist.
Anordnung gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Strahlungsquelle (6) eine Lichtquelle mit einem Wellenlängenbereich von 100 nm bis 700 nm, bevorzugt von 150 nm bis 500 nm, und besonders bevorzugt von 300 nm bis 450 nm ist.
Anordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 5 bis 6, wobei die Schicht (5) aus einem UV-härtenden Material auf Basis von Epoxidharzen, Polyacrylsauren, Polyvinylacetaten, Polymethacrylsauren und/oder Polymethylacrylaten ist.
Anordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 5 bis 7, wobei der lichte Abstand (D) zwischen der Strahlungsaustrittsfläche (2) und der Fügefläche (4) über dessen dreidimensionalen Verlauf (4a, 4b, 4c, 4d) im Wesentlichen konstant ist.