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EINLEITUNG
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein System und Verfahren für Verbindungsstrukturen.
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Fahrzeug-Karosserieteile sind typischerweise aus Metallen geformt und miteinander durch Schweißen verbunden. Die Schweißung ist ein Herstellungs- oder Fertigungsverfahren, das Materialien, wie Metalle oder Thermoplaste, durch Veranlassen einer Vereinigung miteinander verbindet, ein Verfahren, bei welchem zwei getrennte Einheiten zu einem einheitlichen Teil zusammenwachsen, fusionieren oder verschmelzen. Die Materialien werden durch Verflüssigen oder Plastifizierung der zu verbindenden Bereiche miteinander verbunden, im Allgemeinen durch die zeitliche Anwendung von Wärme und/oder Druck, welche die Vereinigung des verflüssigten oder erweichten Materials fördert und dem verschmolzenen Material ein Abkühlen ermöglicht, wodurch die Bindung erstarrt.
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Verbundmaterialien, wie Glasfasern, werden in bestimmten Herstellungseinrichtungen wegen ihrer hohen Festigkeit und leichtgewichtigen Eigenschaften favorisiert. Verbund-Bauteile werden typischerweise mit Klebstoff an zusammenpassenden Flanschen miteinander verbunden. Alternativ können Verbundmaterialien durch mechanische Befestigungselemente, wie Bolzen und Nieten, verbunden werden.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Ein System und Verfahren für Verbindungsstrukturen enthält ein Verfahren zum Verbinden einer ersten Platte mit einer zweiten Platte. Das Verfahren enthält das Aufbringen eines Klebstoffmaterials auf mindestens die erste Platte und die zweite Platte und das Positionieren der ersten Platte auf der zweiten Platte derart, dass sich das Klebstoffmaterial zwischen der ersten und zweiten Platte befindet.
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Die Schweißvorrichtung erzeugt einen elektrischen Strom mit der ersten und zweiten Elektrode, um ihn auf die erste und zweite Platte anzuwenden. Der elektrische Strom erzeugt thermische Energie mit einer ersten Temperatur, welche das Klebstoffmaterial zwischen der ersten und zweiten Elektrode zum Verbinden der ersten Platte mit der zweiten Platte härtet.
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Das Verfahren enthält zusätzlich die Kontaktierung der ersten Platte mit der ersten Elektrode und der zweiten Platte mit der zweiten Elektrode sowie das Anlegen einer Kraft an mindestens einer der ersten und zweiten Elektrode, welche die erste Platte und die zweite Platte zwischen der ersten und zweiten Elektrode einspannt. Die erste Platte kann aus einem ersten Material und die zweite Platte aus einem zweiten Material geformt sein. Die erste Material kann ein Metall und das zweite Material ein Nichtmetall sein oder das erste und zweite Material können beides Metalle oder Polymere sein.
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Die thermische Energie wird zwischen der ersten und zweiten Elektrode der Schweißvorrichtung bei einer ersten Temperatur erzeugt. Die erste Temperatur der zwischen der ersten und zweiten Elektrode der Schweißvorrichtung erzeugten thermischen Energie wird basierend auf einem oder mehreren der verwendeten Materialien der ersten Platte, der zweiten Platte und des Klebstoffmaterials bestimmt. Die Schweißvorrichtung kann eine Widerstands-Punktschweißvorrichtung sein.
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In einer anderen Ausführungsform enthält ein System zur Montage einer verbundenen Struktur eine erste Platte aus einem ersten Material und eine zweite Platte aus einem zweiten Material. Ein Klebstoffmaterial wird mindestens an einer der ersten Platte und der zweiten Platte aufgebracht. Eine Schweißvorrichtung hat mit mindestens eine erste und eine zweite Elektrode und ist dafür konfiguriert, um das Klebstoffmaterial zwischen der ersten und zweiten Elektrode zum Verbinden der ersten Platte mit der zweiten Platte auszuhärten.
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Die Schweißvorrichtung positioniert die erste Platte und die zweite Platte zwischen der ersten und zweiten Elektrode, sodass die erste Elektrode nahe der ersten Platte und die zweite Elektrode nahe der zweiten Platte ist und berührt die erste Platte mit der ersten Elektrode und die zweite Platte mit der zweiten Elektrode. Durch die erste und zweite Elektrode wird ein elektrischer Strom generiert, um thermische Energie mit einer ersten Temperatur zu erzeugen, welche das Klebstoffmaterial zwischen der ersten und zweiten Elektrode zum Verbinden der ersten Platte mit der zweiten Platte härtet.
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Die erste und zweite Elektrode sind operativ verbunden, um eine Kraft auf die erste Platte und die zweite Platte auszuüben, wenn diese zwischen der ersten und zweiten Elektrode positioniert sind. Die thermische Energie wird zwischen der ersten und zweiten Elektrode der Schweißvorrichtung bei einer ersten Temperatur erzeugt. Die erste Temperatur der zwischen der ersten und zweiten Elektrode der Schweißvorrichtung erzeugten thermischen Energie wird basierend auf einem oder mehreren der verwendeten Materialien der ersten Platte, der zweiten Platte und des Klebstoffmaterials bestimmt. Die Schweißvorrichtung kann eine Widerstands-Punktschweißvorrichtung sein.
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Die vorstehend genannten Funktionen und Vorteile sowie andere Funktionen und Vorteile der vorliegenden Offenbarung gehen aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der bestmöglichen praktischen Umsetzung der dargestellten Offenbarung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen hervor.
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Figurenliste
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- 1 ist eine vergrößerte Querschnitts-Darstellung von Komponenten einer vorverbundenen Struktur gemäß der vorliegenden Offenbarung;
- 2 ist eine seitliche erhöhte Ansicht der Struktur, angeordnet relativ zu einer Schweißvorrichtung zur Verwendung in der vorliegenden Offenbarung; und
- 3 ist ein Ablaufdiagramm, welches das Verfahren der Verbindung von Strukturen gemäß der vorliegenden Offenbarung detailliert.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Nachfolgend werden mehrere Ausführungsformen der Offenbarung ausführlich beschrieben, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind. Wenn möglich, werden die gleichen oder ähnliche Bezugszeichen in den Zeichnungen und der Beschreibung für gleiche oder ähnliche Teile oder Schritte verwendet. Die Zeichnungen sind vereinfacht und nicht im exakten Maßstab dargestellt. Zur Vereinfachung und Klarheit können richtungsweisende Begriffe, wie oben, unten, links, rechts, nach oben, über, oben, unter, unterhalb, hinten und vorn mit Bezug auf die Zeichnungen angewendet werden. Diese und ähnliche richtungsweisende Begriffe sind nicht so auszulegen, um den Umfang der Offenbarung zu beschränken.
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Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, worin gleiche Bezugszeichen gleichen oder ähnlichen Komponenten in den verschiedenen Figuren entsprechen, ist bei 10 allgemein eine Struktur gezeigt. Unter Bezugnahme auf 1 ist die Struktur 10 in einem vorgebundenen Zustand gezeigt und enthält ein erstes Blech oder eine Platte 12 bestehend aus einem ersten Material und eine zweite Platte 14 bestehend aus einem zweiten Material, die operativ mit der ersten Platte 12 verbunden ist. Es versteht sich, dass die ersten und zweiten Materialien der ersten Platte 12 und zweiten Platte 14 ähnliche Materialien sein können, etwa beide aus Metallen oder aus Polymeren geformt sein können, oder aus verschiedenen Materialien einschließlich unter anderem, dass die erste Platte aus Metall geformt ist, während die zweite Platte aus einem Nichtmetall, wie Thermoplaste oder dergleichen, oder aus einem unterschiedlichen Metall gegenüber dem gewählten Metall für die erste Platte geformt ist.
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Wie in den Figuren gezeigt, können die erste und zweite Platte 12, 14 Fahrzeug-Karosseriebleche, wie die inneren und äußeren Teile einer Fahrzeugtür, eines Kotflügels, einer Motorhaube und dergleichen, sein. In einem nicht beschränkenden Beispiel können die Platten 12, 14 aus einem faserverstärkten Verbundmaterial geformt sein, das eine Vielzahl von uni- oder mehrdirektionalen Fasern in einem Epoxidharz oder einer harzartigen Matrix oder einem Substrat enthält. Die Fasern können gesponnene Glasfasern, Kohlenstofffasern, Graphit-Fasern oder andere geeignete hochspannungsfeste Fasermaterialien enthalten.
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Es sollte erwähnt werden, dass die erste und zweite Platte 12, 14 jedes Material umfassen und für jeden Zweck im Umfang der Offenbarung verwendet werden können. So kann beispielsweise die erste Platte aus Stahl, wie einem verzinkten kohlenstoffarmen Stahl oder einem verzinkten hochfesten Stahl gefertigt sein, während die zweite Platte aus einer Aluminiumlegierung oder dergleichen gebildet ist. Es ist auch vorgesehen, dass eines oder mehrere der Materialien mit einer Umwandlungsschicht überzogen sein können, um die Festigkeit der Klebeverbindung zu verbessern. Es ist auch bekannt, dass das hierin beschriebene System und Verfahren in mehr als einer Ebene zur Verbindung von Strukturen verwendet werden kann. Anders gesagt, das System und Verfahren kann in mehreren Ebenen und Stellen für Teile oder Strukturen verwendet werden.
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Die erste Platte 12 enthält eine Außenfläche 16 und eine gegenüberliegenden Innenfläche 18. Die zweite Platte 14 enthält auch eine Außenfläche 20 und eine gegenüberliegenden Innenfläche 22. Wie unten detaillierter beschrieben wird, ist vorgesehen, dass die Außenflächen 16, 20 der ersten und zweiten Platte 12, 14 durch eine oder mehrere Elektroden der Schweißvorrichtung berührt werden, während die Innenflächen 18, 22 der ersten und zweiten Platte 12, 14 dafür konfiguriert werden können, mit den Klebstoffmaterialien 24 zu kooperieren und von ihnen gesichert zu werden.
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Unter zusätzlicher Bezugnahme auf 3 zeigt ein Ablaufdiagramm detailliert das Verfahren 100 zur Verbindung der ersten und zweiten Platte der Struktur und ist ausführlicher beschrieben. Das Verfahren 100 muss nicht in der hier genannten bestimmten Reihenfolge angewendet werden, und es ist weiterhin leicht nachvollziehbar, dass einer oder mehrere Schritte ausgelassen werden können. Das Verfahren beginnt am Kasten oder Schritt 102, worin ein ungehärteter Klebstoff 24 auf eine oder mehrere der Innenflächen 18, 22 der ersten und zweiten Platte 12, 14 aufgebracht wird. Die erste und zweite Platte 12, 14 und das Klebstoffmaterial 24 können in jeder Größe, Form oder Dicke geformt sein.
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Ein Klebstoffmaterial 24 wird mindestens auf eine den Innenflächen 18 der ersten Platte 12 und der Innenfläche 22 der zweiten Platte 14 aufgebracht, um die erste und zweite Platte 12, 14 miteinander zu verbinden. Das Klebstoffmaterial 24 kann in einem ungehärteten oder teilweise gehärteten Zustand auf die erste und zweite Platte 12, 14 aufgebracht werden. Das Klebstoffmaterial 24 kann ein Epoxidharz, einen Cyanacrylat-Klebstoff, einen Silikonkleber oder einen anderen bekannten Klebstoff enthalten. Das Klebstoffmaterial 24 kann eine hinreichend niedrige Viskosität haben, um sich selbst gleichmäßig zwischen der oberen und unteren Platte 16, 14 zu verteilen, wenn die Platten miteinander in engen Kontakt gebracht werden. So kann beispielsweise das Klebstoffmaterial 24 auf eine der Innenflächen 18 der ersten Platte 12 oder der Innenfläche 22 der zweiten Platte 14 aufgebracht und dann die zweite Platte 14 im Allgemeinen parallel zur ersten Platte 12 positioniert werden, damit die Platten 12, 14 mit dem Kleber 24 miteinander verbunden werden können.
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Bei Schritt oder Kasten 104 ist die Innenfläche 18 der ersten Platte 12 nahe und gegen die Innenfläche 22 der zweiten Platte 14 positioniert. In dieser Position ist das Klebstoffmaterial 24 zwischen der ersten Platte 12 und zweiten Platte 14 verteilt und sorgt für eine anfängliche Bindung zwischen der Innenfläche 18 der ersten Platte 12 und der Innenfläche 22 der zweiten Platte 14. Bei Schritt oder Kasten 106 ist eine Schweißvorrichtung 26 vorgesehen und wirkt mit der ersten und zweiten Platte 14 zur Unterstützung beim Härten des Klebstoffmaterials 24 dazwischen.
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Unter Bezugnahme auf 2 ist eine beispielhafte Schweißvorrichtung 26 dargestellt und näher beschrieben. In einer nicht begrenzenden Ausführungsform kann die Schweißvorrichtung 26 ein Widerstands-Punktschweißgerät (RSW) oder eine RSW-Pistole als Teil eines automatisierten Schweißvorgangs sein. Die Schweißvorrichtung 26 kann einen ersten Arm 28 und eine zweiten Arm 30 enthalten, die mechanisch und elektrisch dafür konfiguriert sind, wiederholte Punktschweißverbindungen gemäß einem definierten Schweißplan zu bilden. Der erste Arm 28 der Schweißvorrichtung 26 kann einen ersten Elektrodenhalter 32 enthalten, der eine erste Punktschweiß-Elektrode 34 hält, und der zweite Arm 30 hat einen zweiten Elektrodenhalter 36, der eine zweite Punktschweiß-Elektrode 38 hält. Es ist vorgesehen, dass die ersten und zweiten Elektroden 34, 38 aus einer Vielzahl von Materialien einschließlich unter anderem Stahl, Aluminium und dergleichen gebildet sein können.
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Bei Schritt oder Kasten 108 sind die erste und zweite Platte 12, 14 der Struktur 10 relativ zur Schweißvorrichtung 26 positioniert. In einer Ausführungsform ist der erste und zweite Arm 28, 30 der Schweißvorrichtung 26 betreibbar, um die jeweiligen ersten und zweiten Elektroden 36, 38 nahe der entgegengesetzten Außenseite und elektrodenberührenden Flächen 16, 20 der ersten und zweiten Platte 12, 14 zu positionieren.
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Die Schweißvorrichtung 26 ist angrenzend zur ersten und zweiten Platte 12, 14 positioniert, um das Klebstoffmaterial 24 zwischen den Platte 12, 14 zu härten und die erste und zweite Platte 12, 14 miteinander zu verbinden. Es ist vorgesehen, dass die Schweißvorrichtung 26 in anderen Anwendungen zum Verbinden oder Fusionieren ähnlicher Metallteile miteinander durch elektrischen Widerstand verwendet werden kann. Wie hierin beschrieben, wird die Schweißvorrichtung 26 verwendet, um die erste und zweite Platte 12, 14 an einer oder mehreren Positionen zu kleben, um den Klebevorgang abzuschließen.
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Bei Block oder Schritt 110 kann die erste und zweite Schweißelektrode 34, 38 eingepresst oder gegen ihre jeweilige elektrodenberührende Fläche 16, 20 in diametraler Ausrichtung zueinander eingespannt werden. Der Abstand oder die Entfernung zwischen den Elektroden 34, 38 kann eingestellt werden. Alternativ kann die Spannlast oder von den Elektroden 34, 38 angewendete Kraft an die Art der verwendeten Materialien für mindestens eine der ersten Platte 12, der zweiten Platte 14 und/oder des Klebstoffmaterials 24 angepasst werden. So ist beispielsweise vorgesehen, dass ein bestimmter Abstand oder eine Klemmkraft oder Steuerung erwünscht sein kann neben der Steuerung der Temperatur, Zeitdauer oder dem Strompegel, um ein richtiges Aushärten des Klebstoffmaterials 24 zwischen der ersten und zweiten Platte 12, 14 zu gewährleisten.
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Bei Block oder Schritt 112 erzeugt die Schweißvorrichtung 26 einen elektrischen Strom mit und wird durch die erste und zweite Elektrode 34 geleitet und auf die erste und zweite Platte 12, 14 angewendet. In einem nicht beschränkenden Beispiel steht eine einstellbare Energiequelle in elektrischer Verbindung mit der Schweißvorrichtung 26, um den Strom für die Leitung zwischen den ersten und zweiten Elektroden 34, 38 zu erzeugen. Die Schweißvorrichtung 26 kann weiterhin eine Steuerung 42 in elektrischer Verbindung mit der verstellbaren Stromquelle 40 und der ersten und zweiten Elektrode 34, 38 enthalten und dafür konfiguriert sein, den Strom durch die Elektroden 34, 38 zur ersten und zweiten Platte 12, 14 anzupassen.
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Die erste und zweite Elektrode 34, 38 können den Strom in einem Punkt 44 an der Struktur 10 konzentrieren. Der Strom durch die erste und zweite Elektrode 34, 38 erzeugt thermische Energie oder Wärme von mindestens einer ersten Temperatur, die mit dem ungehärteten oder teilweise gehärteten Klebstoffmaterial 24 zwischen der ersten und zweiten Platte 12, 14 zur Härtung des Klebstoffmaterials 24 interagiert, um die erste und zweite Platte 12, 14 an der Stelle 44 auf der Struktur 10 zu verbinden oder zu fusionieren.
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Der mit der ersten und zweiten Elektrode 34, 38 erzeugte Strom kann für einen ausgewählten Zeitraum und eine Temperatur angewendet werden, damit die Verbindung ohne übermäßige Erwärmung der ersten und zweiten Platte 12, 14 der Struktur 10 erfolgt. Die zum Punkt 44 gelieferte Wärmemenge oder thermische Energie wird durch den Widerstand zwischen der ersten und zweite Elektrode 34, 38 und der Stromstärke und Dauer des Schweißstroms bestimmt. Die Menge der thermischen Energie und/oder Dauer des Stroms wird entsprechend den Materialeigenschaften und den Dicken des Klebstoffmaterials 24, der ersten Platte 12 und der zweiten Platte sowie der Arten der verwendeten Elektroden gewählt. Die Steuerung 42 kann verwendet werden, um eines oder mehreres von Zeit, Stromstärke und Temperatur der verwendeten thermischen Energie des Klebevorgangs anzupassen.
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Bei Schritt oder Kasten 114 kühlt das Verfahren den geklebten Abschnitt der Struktur 10, wobei das Klebestoffmaterial 24 die erste Platte 12 mit der zweiten Platte 14 am Punkt 44 an der Struktur 10 verklebt, um die erste und zweite Platte 12, 14 miteinander zu fusionieren und den Klebevorgang abzuschließen.
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In einer anderen Ausführungsform der Offenbarung kann ein Befestigungselement (nicht dargestellt) verwendet werden, um die erste Platte 12 an der zweiten Platte 14 zu sichern. Das Befestigungselement kann im Allgemeinen einen Kopfabschnitt angrenzend an mindestens eine Außenfläche der ersten Platte 12 oder der zweiten Platte 14 enthalten sowie einen Körperbereich, der sich mindestens teilweise zwischen der ersten und zweiten Platte 12, 14 erstreckt. Bei vollständiger Montage kann der Kopfabschnitt des Befestigungselements eines oder mehrere der ersten und zweiten Platten 12, 14 berühren und eine Drucklast darauf ausüben und so die Sicherung der ersten Platte 12 an der zweiten Platte 14 unterstützen. Es ist vorgesehen, dass die Befestigungselemente in Kombination mit dem Klebevorgang verwendet und auf die erste und zweite Platte 12, 14 entweder vor oder nach Beendigung des Klebevorgangs angewendet werden.
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Die ausführliche Beschreibung und die Zeichnungen oder Figuren unterstützen und beschreiben die Offenbarung, während der Umfang der Offenbarung jedoch einzig und allein durch die Patentansprüche definiert wird. Während einige der besten Modi und weitere Ausführungsformen der beanspruchten Offenbarung ausführlich beschrieben wurden, gibt es verschiedene alternative Konzepte und Ausführungsformen zur Umsetzung der in den hinzugefügten Ansprüchen definierten Offenbarung. Darüber hinaus sollen die in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen oder die Merkmale von verschiedenen Ausführungsformen, die in der vorliegenden Beschreibung erwähnt sind, nicht unbedingt als voneinander unabhängige Ausführungsformen aufgefasst werden. Vielmehr ist es möglich, dass jedes der in einem der Beispiele einer Ausführungsform beschriebenen Merkmale mit einem oder einer Vielzahl von anderen gewünschten Merkmalen aus anderen Ausführungsformen kombiniert werden kann, was andere Ausführungsformen zur Folge hat, die nicht in Worten oder durch Bezugnahme auf Zeichnungen beschrieben sind. Dementsprechend fallen derartige andere Ausführungsformen in den Rahmen des Schutzumfangs der angehängten Ansprüche.
