DE102017216201A1

DE102017216201A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Direktfügen

Info

Publication number: DE102017216201A1
Application number: DE102017216201.5A
Authority: DE
Inventors: Michael Roderus
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-09-13
Filing date: 2017-09-13
Publication date: 2019-03-14

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Direktfügen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass in einer Fügezone (124) ein faserverstärktes Kunststoffteil (102) mit einem Metallteil (104) lokal gefügt wird, wobei in einem Schritt des Plastifizierens ein in der Fügezone (124) angeordnetes Kunststoffmaterial (112) des Kunststoffteils (102) zumindest teilweise plastifiziert wird, und in einem Schritt des Anpressens das Kunststoffteil (102) und das Metallteil (104) in der Fügezone (124) zusammengepresst werden, wobei die Fügezone (124) in einer Fügerichtung (114) mit einer Fügegeschwindigkeit über einen Fügebereich (113) bewegt wird.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Direktfügen eines Kunststoffteils mit einem Metallteil.
Stand der Technik
Unterschiedliche Materialien können beispielsweise durch Nieten oder Schrauben miteinander punktuell verbunden werden. Für eine flächige Verbindung können die Materialien miteinander verklebt werden.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Verfahren zum Direktfügen und eine Vorrichtung zum Direktfügen gemäß den unabhängigen Ansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des hier vorgestellten Ansatzes sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Vorteile der Erfindung
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können in vorteilhafter Weise ermöglichen, unterschiedliche Materialien ohne Verwendung von Hilfsstoffen sicher miteinander zu verbinden. Insbesondere thermoplastisches Kunststoffmaterial kann mit Metall verbunden werden.
Es wird ein Verfahren zum Direktfügen vorgestellt, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass in einer Fügezone ein faserverstärktes Kunststoffteil mit einem Metallteil lokal gefügt wird, wobei in einem Schritt des Plastifizierens ein in der Fügezone angeordnetes Kunststoffmaterial des Kunststoffteils zumindest teilweise plastifiziert wird, und in einem Schritt des Anpressens das Kunststoffteil und das Metallteil in der Fügezone zusammengepresst werden, wobei die Fügezone in einer Fügerichtung mit einer Fügegeschwindigkeit über einen Fügebereich bewegt wird.
Weiterhin wird eine Vorrichtung zum Direktfügen vorgestellt, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Vorrichtung eine Plastifiziereinrichtung zum lokalen Plastifizieren eines Kunststoffmaterials eines Fügepartners, eine in einer Fügerichtung zu der Plastifiziereinrichtung versetzte Anpresseinrichtung zum lokalen Zusammenpressen des Fügepartners mit zumindest einem weiteren Fügepartner und eine Bewegungseinrichtung zum Relativbewegen der Fügepartner in der Fügerichtung mit einer Fügegeschwindigkeit aufweist.
Ideen zu Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können unter anderem als auf den nachfolgend beschriebenen Gedanken und Erkenntnissen beruhend angesehen werden.
Unter Direktfügen kann ein direktes Fügen ohne Hilfsstoffe, wie Klebstoff verstanden werden. Das Kunststoffteil und das Metallteil können als Fügepartner bezeichnet werden. Beim Direktfügen werden die Fügepartner durch Adhäsion und Verzahnung miteinander verbunden. Ein faserverstärktes Kunststoffteil kann ein Faser-Kunststoff-Verbund sein. Der Kunststoff beziehungsweise das Kunststoffmaterial kann ein Thermoplast sein. Als Verstärkungsfasern können verschiedene Fasermaterialien verwendet werden. Beispielsweise können Glasfasern, Kohlefasern, Aramidfasern, aber auch Naturfasern verwendet werden. Unter Plastifizieren kann ein Erweichen verstanden werden. Plastifiziertes Material ist plastisch verformbar. Das Kunststoffmaterial kann bis zu einer Schmelztemperatur oder auch darüber hinaus erwärmt werden. Das Kunststoffmaterial wird bereits vor Erreichen der Schmelztemperatur weich und kann durch das anschließende pressen mit dem Metall verbunden werden. Ein lokal begrenztes Plastifizieren und Anpressen ist auf einen kleinen Teilbereich der Fügepartner begrenzt. Insbesondere ist das Plastifizieren und Anpressen auf die Fügezone begrenzt. Die Fügezone kann als ein unmittelbarer Arbeitsbereich der Vorrichtung bezeichnet werden. Die Vorrichtung wird relativ zu den Fügepartnern bewegt.
Das Verfahren kann einen Schritt des Bördelns aufweisen, in dem ein über einen Flanschbereich des Kunststoffteils überstehender Randbereich des Metallteils auf eine Rückseite des Flanschbereichs gebördelt wird. Im Schritt des Plastifizierens kann in der Fügezone ferner Kunststoffmaterial der Rückseite plastifiziert werden. Im Schritt des Anpressens kann der Flanschbereich zwischen dem gebördelten Randbereich und dem Metallteil zusammengepresst werden. Durch das Bördeln wird das Kunststoffteil von dem Metallteil auf beiden Seiten umschlossen. Damit entsteht ein Formschluss, der die Fügeverbindung von Zugkräften entlastet. Durch das Bördeln kann eine Dichtigkeit der Fügeverbindung vergrößert werden.
Das Kunststoffmaterial kann auf der Rückseite unter Verwendung einer Lichtquelle erwärmt werden. Dann kann der Randbereich nach dem Plastifizieren gebördelt werden. Die Lichtquelle erzeugt Licht, das von dem Kunststoffmaterial absorbiert und in Wärme umgewandelt wird. Erwärmung über Induktion funktioniert bei Kunststoffmaterial nicht ohne Weiteres.
Das Metallteil kann in der Fügezone erwärmt werden. Das Kunststoffmaterial kann durch den Kontakt mit dem Metallteil plastifiziert werden. Das Metallteil kann einfach erwärmt werden. Das Metallteil kann die Wärme gut leiten und an das Kunststoffteil abgeben. Durch die Erwärmung über das Metallteil kann die zu verbindende Seite des Kunststoffteils erwärmt werden, während die Seite, auf die die Anpresseinrichtung wirkt, weniger erwärmt wird beziehungsweise nicht erwärmt wird.
In der Anpresszone können Schwingungen in das Kunststoffteil und/oder das Metallteil eingeleitet werden, um Einschlüsse zwischen dem Kunststoffteil und dem Metallteil auszutreiben. Die Schwingungen können das plastifizierte Kunststoffmaterial in eine Oberflächenstruktur des Metallteils einrütteln. Die Schwingungen werden nicht zum Erwärmen der Fügepartner über Reibung verwendet, da das Kunststoffmaterial bereits plastifiziert ist.
Das Verfahren kann einen vorausgehenden Schritt des Strukturierens aufweisen, in dem der Fügebereich des Metallteils mit einer Oberflächenstruktur strukturiert wird. Das plastifizierte Kunststoffmaterial kann in die Oberflächenstruktur gepresst werden. Das Strukturieren kann beispielsweise durch einen Laserprozess erfolgen. Das Strukturieren kann erfolgen, bevor die Fügepartner in Kontakt gebracht werden. Das Kunststoffteil kann nach dem Strukturieren auf dem Metallteil platziert werden.
Die Bewegungseinrichtung kann als beweglicher Arm zum Bewegen der Plastifiziereinrichtung und der Anpresseinrichtung ausgebildet sein. Der Arm kann beispielsweise ein Roboterarm mit multiplen Freiheitsgraden sein. Durch den Arm können komplizierte Bewegungen ausgeführt werden.
Die Bewegungseinrichtung kann zum Bewegen der Fügepartner ausgebildet sein. Die Bewegung der Plastifiziereinrichtung und der Anpresseinrichtung kann als Relativbewegung zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück erzeugt werden. Die Bewegung kann auch durch eine Kombination aus einer Werkzeugbewegung des Werkzeugs und einer Werkstückbewegung des Werkstücks erzeugt werden.
Die Anpresseinrichtung kann ein Rollenpaar aus einer losen Rolle und einer festen Rolle aufweisen. Zwischen der losen Rolle und der festen Rolle können die Fügepartner anordenbar sein. Die lose Rolle kann mit einer Anpresskraft gegen die feste Rolle pressbar sein. Rollen können gut an den Fügepartnern abrollen. Die Rollen können angetrieben sein. Die Rollen können auch nicht angetrieben sein. Die Rollen können ähnliche Durchmesser aufweisen. Die Anpresseinrichtung kann eine Öffnungsvorrichtung aufweisen, um die Rollen zum Ansetzen an den Fügepartnern auseinanderzubewegen.
Die Plastifiziereinrichtung kann zumindest eine Lichtquelle aufweisen. Alternativ oder ergänzend kann die Plastifiziereinrichtung zumindest eine Induktionsspule aufweisen. Durch Licht kann Wärme in dem Metallteil und alternativ oder ergänzend im Kunststoffteil erzeugt werden. Durch Induktion kann Wärme im Metallteil erzeugt werden.
Es wird darauf hingewiesen, dass einige der möglichen Merkmale und Vorteile der Erfindung hierin mit Bezug auf unterschiedliche Ausführungsformen als Verfahren und Vorrichtung beschrieben sind. Ein Fachmann erkennt, dass die Merkmale in geeigneter Weise kombiniert, angepasst oder ausgetauscht werden können, um zu weiteren Ausführungsformen der Erfindung zu gelangen.
Figurenliste
Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei weder die Zeichnungen noch die Beschreibung als die Erfindung einschränkend auszulegen sind.

1 zeigt eine räumliche Darstellung einer Fügeeinheit zum Direktfügen eines faserverstärkten Kunststoffteils mit einem Metallteil gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2 zeigt eine Prinzipdarstellung eines Verfahrens zum Direktfügen gemäß einem Ausführungsbeispiel;
3 zeigt eine Schnittdarstellung durch eine Anpresseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
Die 4 bis 6 Prinzipdarstellungen eines Verfahrens zum Direktfügen mit Bördeln gemäß einem Ausführungsbeispiel.

Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in den Figuren gleiche oder gleichwirkende Merkmale.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt eine räumliche Darstellung einer Fügeeinheit 100 zum Direktfügen eines faserverstärkten Kunststoffteils 102 mit einem Metallteil 104 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Wenn das Kunststoffteil 102 und das Metallteil 104 miteinander verbunden sind, bilden sie ein Multimaterial-Bauteil 106. Die Fügeeinheit 100 ist Bestandteil einer Vorrichtung zum Direktfügen gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Fügeeinheit 100 weist eine Plastifiziereinrichtung 108 und eine Anpresseinrichtung 110 auf. Die Plastifiziereinrichtung 108 ist dazu ausgebildet, ein Kunststoffmaterial 112 des Kunststoffteils 102 zumindest teilweise lokal zu plastifizieren. Die Anpresseinrichtung 110 ist dazu ausgebildet, das Kunststoffteil 102 und das Metallteil 104 lokal zusammenzupressen, damit sich das plastifizierte Kunststoffmaterial 112 mit einer Oberfläche des Metallteils 104 verbindet. Das Kunststoffteil 102 ist hier beispielsweise zwei Millimeter dick. Das Metallteil ist beispielsweise einen Millimeter dick.
Die Fügeeinheit 100 ist relativ zu einem Fügebereich 113 beweglich. Im Betrieb werden die Fügeeinheit 100 und das Multimaterial-Bauteil 106 in einer Fügerichtung 114 relativ zueinander bewegt. Dazu kann der Fügebereich 113 des Multimaterial-Bauteils 106 an in der Fügerichtung 114 an der Fügeeinheit 100 vorbei bewegt werden. Alternativ oder ergänzend kann die Fügeeinheit 100 in der Fügerichtung 114 an dem Fügebereich 113 und damit dem Multimaterial-Bauteil 106 entlang bewegt werden. Der Fügebereich 113 ist hier ein Flanschbereich 115 des Multimaterial-Bauteils 106. Der Fügebereich 113 kann auch im Inneren des Multimaterial-Bauteils liegen.
Die Vorrichtung umfasst zum Ausführen dieser Bewegung eine hier nicht dargestellte Bewegungseinrichtung. Die Bewegungseinrichtung kann beispielsweise ein um mehrere Achsen beweglicher Arm, wie ein Roboterarm sein, an dem die Fügeeinheit 100 befestigt ist. Ebenso kann die Bewegungseinrichtung eine Werkzeugmaschine sein. Die Fügeeinheit 100 kann beispielsweise über eine Werkzeugaufnahme durch die Fräsmaschine bewegt werden. Die Bewegungseinrichtung kann auch eine in mehreren Achsen bewegliche Aufnahme für das Multimaterial-Bauteil 106 umfassen.
Die Plastifiziereinrichtung 108 ist hier eine Lichtquelle 116. Die Lichtquelle 116 ist auf das Metallteil 104 gerichtet. Die Lichtquelle 116 ist auf eine von dem Kunststoffteil 102 abgewandte Seite des Metallteils 104 gerichtet. Die Lichtquelle 116 ist insbesondere eine Laserlichtquelle. Das von der Lichtquelle emittierte Laserlicht kann in einem Muster auf das Metallteil projiziert werden. Das Laserlicht kann ebenso zeilenweise gescannt werden. Die Anpresseinrichtung 110 weist hier ein Rollenpaar aus einer losen Rolle 118 und einer festen Rolle 120 auf. Die Rollen 118, 120 sind auf gegenüberliegenden Seiten des Fügebereichs 113 angeordnet. Die lose Rolle 118 wird hier durch eine Feder mit einer Anpresskraft in Richtung der festen Rolle 120 gedrückt. Da der Fügebereich 113 hier mit dem Flanschbereich 115 übereinstimmt, ist die Fügeeinheit 100 einteilig ausgeführt. Zum Fügen von Fügebereichen 113 im Bauteil kann die Fügeeinheit 100 zweiteilig ausgeführt sein. Die Plastifiziereinrichtung 108 und die Anpresseinrichtung 110 sind durch ein Gestell 122 der Fügeeinheit starr zueinander ausgerichtet.
Das Licht ist in den Bereich einer Plastifizierungszone gerichtet. Die Plastifizierungszone liegt in der Fügerichtung 114 vor einer Presszone. Die Rollen 118, 120 der Anpresseinrichtung 110 sind in der Presszone angeordnet. Die Presszone ist in der Fügerichtung 114 nach der Plastifizierungszone angeordnet. Die Plastifizierungszone und die Presszone zusammen ergeben eine Fügezone 124. Die Fügezone 124 wird beim Bewegen der Fügeeinheit 100 mit der Fügeeinheit 100 entlang des Fügebereichs 113 bewegt. In der Fügezone 124 werden das Kunststoffteil 102 und das Metallteil 104 miteinander gefügt. Mit anderen Worten eilt die Plastifizierungszone der Presszone in der Fügerichtung 114 voraus. Das Kunststoffmaterial 112 wird also zuerst plastifiziert und dann auf die Oberfläche des Metallteils 104 gepresst.
Dabei erwärmt das Licht der Lichtquelle 116 eine rückwärtige Oberfläche des Metallteils 104 in der Plastifizierungszone. Durch Wärmeleitung im Metallteil 104 wird auch eine an dem Metallteil 104 anliegende Oberfläche des Kunststoffteils 102 in der Plastifizierungszone erwärmt. Das Kunststoffmaterial 112 ist ein Thermoplast, der bei Erreichen einer Plastifizierungstemperatur plastifiziert beziehungsweise weich wird. Wenn eine Schmelztemperatur des Kunststoffmaterials 112 erreicht wird, verflüssigt sich der Thermoplast. Die Plastifizierungstemperatur ist niedriger als die Schmelztemperatur. Im plastifizierten Zustand ist das Kunststoffmaterial 112 pastös und kann unter Druckeinwirkung fließen. Ohne Druckeinwirkung fließt das plastifizierte Kunststoffmaterial nicht.
In der Presszone werden das Kunststoffteil 102 und das Metallteil 104 zwischen den Rollen 118, 120 zusammengepresst. Dabei dringt das plastifizierte oder aufgeschmolzene Kunststoffmaterial 112 in eine Oberflächenstruktur des Metallteils 104 ein und verzahnt sich mit der Oberflächenstruktur. Durch die Bewegung der Fügeeinheit 100 in der Fügerichtung 114 wandert die Fügezone 124 entlang des Fügebereichs 113. Auf der Seite des Plastifizierungszone treten kaltes Kunststoffmaterial 112 und kaltes Metall in den Fügebereich 124 ein. Das Metall wird erwärmt und das Kunststoffmaterial 112 wird zumindest teilweise plastifiziert und mit dem Metallteil 104 verpresst. Auf der Seite der Presszone treten das Kunststoffmaterial 112 und das Metall als verbundenes Multimaterial-Bauteil 106 aus der Fügezone 124 aus.
In einem Ausführungsbeispiel werden Schwingungen 126 in die lose Rolle 118 eingekoppelt, die über die lose Rolle 118 in die Presszone übertragen werden. Die Schwingungen 126 sind beispielsweise hochfrequente Schwingungen 126, wie eine Ultraschallschwingung. Dazu ist die lose Rolle 118 mit einem nicht dargestellten Schwingungserzeuger gekoppelt. Durch die Schwingungen 126 wird das plastifizierte Kunststoffmaterial 112 in die Oberflächenstruktur des Metallteils 104 eingerüttelt. Durch das Rütteln kann eine Zeit zum Herstellen der Verbindung des Kunststoffmaterials 112 mit dem Metallteil 104 verkürzt werden. Beim Rütteln werden beispielsweise Lufteinschlüsse zwischen dem Metallteil 102 und dem Kunststoffteil 102 in der Presszone verdrängt. So kann das plastifizierte Kunststoffmaterial 112 bis zum Grund der Oberflächenstruktur eindringen und in der Oberflächenstruktur beim Erkalten einen guten und sicheren Formschluss zum festen Verbinden des Kunststoffteils 102 mit dem Metallteil 104 erzeugen.
Mit anderen Worten wird in 1 ein Werkzeugkonzept und ein Verfahren zum kontinuierlichen thermischen Direktfügen von faserverstärkten Thermoplasten mit Metallen für Multi-Material-Bauweisen vorgestellt.
Für Multimaterial-Bauweisen unter Verwendung von faserverstärkten Kunststoffen und Metallen spielen angepasste Fügeverbindungen eine zentrale Rolle. Für diese Materialkombination können beispielsweise punktförmige Fügeverfahren, wie beispielsweise Schrauben, Nieten oder Durchsetzfügen, eingesetzt werden. Diese Fügeverbindungen sind aufgrund der lokalen Krafteinleitung nur begrenzt für Faserverbundstrukturen geeignet. Ist eine dichte Verbindung der Fügepartner erforderlich, sind diese Fügeverbindungen ungeeignet. Beiden Anforderungen, der flächigen Krafteinleitung in die Faserverbundstrukturen und der Dichtheit der Verbindung werden angepasste Klebungen gerecht. Klebstoffe und deren Verarbeitung weisen jedoch hinsichtlich Verarbeitungsdauer bei einer erforderlichen Endfestigkeit und Alterungsbeständigkeit entscheidende Nachteile auf. Darüber hinaus widerspricht das Einbringen eines Zusatzwerkstoffes dem Leichtbaugedanken.
Mittels dem hier verwendeten thermischem Direktfügen können thermoplastische Faser-Kunststoff-Verbunde (FKV) direkt mit Metallkomponenten verbunden werden. Zur Verbesserung der Verbindungseigenschaften wird der metallische Fügepartner oberflächenstrukturiert. Der Kunststoff 112 wird in der Fügezone 124 aufgeschmolzen und die beiden Fügepartner anschließend gegeneinander gepresst. Der Kunststoff 112 kühlt ab und erstarrt in der Oberflächenstruktur des Metalls. Für den Aufschmelzprozess des Kunststoffs 112 werden Kontaktheizen, IR-Strahler, Laser oder induktive Systeme eingesetzt.
Der hier vorgestellte Ansatz bezieht sich auf ein Werkzeugkonzept und ein Fügeverfahren für einen kontinuierlichen Fügeprozess zum Verbinden von thermoplastischen Faser-Kunststoff-Verbunde FKV mit Metallen. Sämtliche für den Fügeprozess notwendigen Werkzeuge und Einrichtungen sind als eine kompakte Einheit aufgebaut. Diese Bauform erlaubt eine Montage an einem Roboter, der das Werkzeug führt. Dadurch kann flexibel auf Bauteiländerungen reagiert werden und die Investitionskosten gering gehalten werden. Alternativ ist die Führung des Werkstücks denkbar, in diesem Fall ist die Fügevorrichtung stationär angebunden. Der Vorteil der Flexibilität bleibt bestehen, da mit dem Ersetzen der Andruckrollen oder einer alternativen Optik auf Bauteiländerungen reagiert werden kann. Die Geometrieänderungen werden steuerungstechnisch abgedeckt.
In 1 ist eine Prinzipdarstellung einer kompakten Fügeeinheit 100 zum kontinuierlichen thermischen Direktfügen von thermoplastischen FKV mit Metallen dargestellt. An die Vorrichtung sind sämtliche Komponenten, wie Andruckrollen mit zugehöriger Aufhängung und Laseroptik angebunden. Nicht dargestellt sind die Komponenten zur Einbringung der Ultraschall- Schwingung 126 in die Andruckrolle.
2 zeigt eine Prinzipdarstellung eines Verfahrens zum Direktfügen gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Prinzipdarstellung entspricht im Wesentlichen einer Schnittdarstellung durch eine Fügeeinheit 100, wie sie in 1 dargestellt ist. Die Fügeeinheit 100 wird in der Fügerichtung 114 entlang des Fügebereichs 113, in dem das Metallteil 104 auf dem Kunststoffteil 102 aufliegt, mit einer Fügegeschwindigkeit bewegt. Damit wird jeder Punkt des Fügebereichs 113 zuerst von der Plastifiziereinrichtung 108 in der Plastifizierungszone 200 erwärmt und das Kunststoffmaterial 112 zumindest teilweise plastifiziert und anschließend durch die Anpresseinrichtung 110 in der Presszone 202 zusammengepresst. Die Plastifiziereinrichtung 108 weist also einen Vorlauf gegenüber der Anpresseinrichtung 110 auf. Hier ist die Presszone 202 vergrößert dargestellt. Die Plastifizierungszone 200 beginnt an dem Punkt, an dem die Energie der Plastifiziereinrichtung 108 auf das Metallteil 104 und/oder das Kunststoffteil 102 wirkt. Hier beginnt die Plastifizierungszone dort, wo das Licht 204 der Lichtquelle 116 auf das Metallteil 104 trifft. Die Energie wirkt dabei weit genug vor der Anpresseinrichtung 110 ein, dass bei der Fügegeschwindigkeit genug Zeit zum Plastifizieren des Kunststoffmaterials 112 bleibt. Hier wirkt das Licht 204 soweit vor der Anpresseinrichtung 110, dass zusätzlich genug Zeit für die Wärmeleitung mit der Wärmeleitgeschwindigkeit im Metallteil 104 bleibt. Kurz vor der Anpresseinrichtung 110 ist das Kunststoffmaterial 112 durch eingebrachte Energie plastifiziert. Die Presszone 204 liegt unmittelbar zwischen den Rollen 118, 120 der Anpresseinrichtung 110. Durch die Anpresskraft 206 der Rollen 118, 120 wird das zuvor in der Plastifizierungszone 200 plastifizierte Kunststoffmaterial 112 in die Oberflächenstruktur 208 des Metallteils 104 gepresst.
In 2 sind ein Prozessschema als seitliche Draufsicht und eine Detailabbildung der Fügezone dargestellt. Die Grundlage für den Fügeprozess bildet das thermische Direktfügen. Der metallische Fügepartner weist in der Fügezone 124 eine strukturierte Oberfläche auf. Die Detaildarstellung zeigt beispielhaft die Oberflächenstruktur 208 des Metalls und den eingedrungenen Kunststoff 112 in der Fügezone 124. Die Herstellung der Oberflächenstruktur 208 erfolgt in einem vorgelagerten Schritt mittels Lasermaterialbearbeitung. Die Struktur wird dabei an die benötigten Eigenschaften der Verbindung angepasst.
Für den Fügeprozess werden die Fügepartner positioniert und bilden einen Überlappflansch. Das Metallteil 104 repräsentiert den metallischen Fügepartner, das Kunststoffteil 102 stellt die FKV-Komponente dar. Die Detaildarstellung in 2 zeigt beispielhaft eine mögliche Oberflächenstruktur 208 des Metallteils 104. Um den Kunststoff 112 in der Fügezone 124 aufzuschmelzen, wird metallseitig ein Laser einer Laserquelle eingekoppelt. Durch die Wärmeleitung im Bauteil wird auf der gegenüberliegenden Seite die Kunststoffmatrix des anliegenden, thermoplastischen FKV erwärmt und in der Folge aufgeschmolzen. Durch die Fahrbewegung des Fügekopfs entlang der Fügezone 124 findet ein kontinuierlicher Aufschmelzprozess statt. Direkt im Anschluss an den Aufschmelzvorgang werden die Fügepartner von beiden Seiten mittels Andruckrollen miteinander verpresst. Dabei dringt der schmelzflüssige Kunststoff 112 in die Oberflächenstruktur 208 des Metalls ein und erstarrt. Die gefüllten Hinterschnitte der Struktur bilden eine formschlüssige Verbindung.
3 zeigt eine Schnittdarstellung durch eine Anpresseinrichtung 110 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Anpresseinrichtung 110 und der Flanschbereich 115 sind dabei quer zu der Fügerichtung geschnitten. Die Anpresseinrichtung 110 entspricht im Wesentlichen der Anpresseinrichtung in den 1 und 2. Der Fügebereich 113 ist hier von einer Kante des Flanschbereichs 115 zurückversetzt. Die lose Rolle 118 ist hier profiliert. Die lose Rolle 118 weist ein umlaufendes Keilrippenprofil 300 auf. Durch das Keilrippenprofil 300 verzahnt sich die lose Rolle 118 mit dem Metallteil 104 und koppelt die Schwingungen 126 direkt in das Metallteil 104 ein. Die Schwingungen 126 sind hier quer zu der Anpresskraft 206 und quer zu der Fügerichtung ausgerichtet. Die Schwingungen 126 können auch in der Fügerichtung ausgerichtet sein. Die feste Rolle 120 ist hier unprofiliert, um das Kunststoffteil 102 nicht zu verletzen.
In 3 ist ein Schnitt durch die Andruckrollen mit den Fügekräften und der metallseitig eingekoppelten Ultraschallschwingung dargestellt. Weiterhin ist eine mögliche Struktur der Andruckrolle zur Einkopplung der Schwingung 126 dargestellt. Um eine vollständige Füllung der Struktur des metallischen Fügepartners zu unterstützen wird über die metallseitige Andruckrolle während des Anpressvorgangs eine Ultraschall-Schwingung 126 in das Werkstück eingekoppelt. Die Kavitäten der Oberflächenstruktur werden mit dieser Ultraschall Unterstützung besser gefüllt und eine höhere Dichtheit der Verbindung wird erreicht, da Poren und Lufteinschlüsse verringert werden. Gleichzeitig können eventuell Pressdrücke reduziert und/oder die Fahrgeschwindigkeit der Fügevorrichtung erhöht werden. Für die Einkopplung der Ultraschall-Schwingung 126 in die Struktur besitzt die metallseitige Andruckrolle eine entsprechende Struktur. Die FKV-seitige Andruckrolle besitzt eine flexible Oberfläche, beispielsweise aus Elastomer, um die Faserverbundstruktur nicht zu schädigen.
Durch die nur lokal in die Struktur eingebrachte Wärme behält das FKV-Bauteil seine strukturelle Integrität. Auf diese Weise wird auch der Wärmeeintrag in den metallischen Fügepartner begrenzt. Mit der vollständigen Erstarrung des Kunststoffs wird die Endfestigkeit der Fügeverbindung erreicht.
Die 4 bis 6 Prinzipdarstellungen eines Verfahrens zum Direktfügen mit Bördeln gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Direktfügen läuft dabei im Wesentlichen so ab, wie es in den 1 bis 3 beschrieben ist. Zusätzlich wird hier ein Randbereich 400 des Metallteils 104 um näherungsweise 180° auf eine Rückseite 402 des Kunststoffteils 102 gebördelt und mit dem Kunststoffteil 102 gefügt.
In 4 ist eine Ausgangssituation dargestellt. Das Kunststoffteil 102 ist auf das Metallteil 104 aufgelegt. Der Randbereich 400 ist bereits quer zu einer Auflagefläche für das Kunststoffteil 102 gebogen. Der Randbereich 400 kann beispielsweise als Anschlagfläche zum Ausrichten des Kunststoffteils 102 am Metallteil 104 dienen.
In 5 wird der Randbereich 400 durch eine Bördeleinrichtung 500 auf die Rückseite 402 gebördelt beziehungsweise gefaltet. Dazu kann die Bördeleinrichtung 500 mehrere in unterschiedlichen Winkeln zu der Auflagefläche ausgerichtete Bördelrollen 502 aufweisen. Die Bördeleinrichtung 500 kann mit der Fügeeinheit 100 gekoppelt sein.
In 6 ist die Anpresseinrichtung 110 der Fügeeinheit 100 dargestellt. Die lose Rolle 118 und die feste Rolle 120 rollen hier beide auf Metall ab, während das Kunststoffteil 102 zwischen dem Randbereich 400 und dem der Auflagefläche des Metallteils 104 gepresst wird.
Bevor die Anpresseinrichtung 110 über Flanschbereich 115 und damit den Fügebereich 113 rollt, wird das Kunststoffmaterial 112 auf beiden Seiten des Kunststoffteils 102 durch die Plastifiziereinrichtung 108 plastifiziert. Die Anpresseinrichtung 110 presst dann gleichzeitig die Oberflächenstruktur 208 der Auflagefläche und die Oberflächenstruktur 208 des Randbereichs 400 in das plastifizierte Kunststoffmaterial 112. Beispielsweise können die Auflagefläche und der Randbereich 400 durch Induktion erwärmt werden. Dabei können mehrere Induktionsspulen oder auch nur eine Induktionsspule verwendet werden.
In einem Ausführungsbeispiel wird das Kunststoffmaterial 112 bereits vor dem Bördeln plastifiziert. Dabei wird die Rückseite 402 wie in 4 durch eine zweite Lichtquelle 404 direkt erwärmt. Die zweite Lichtquelle 404 ist hier gegenüber der Lichtquelle 116 angeordnet. Damit das Kunststoffmaterial 112 nach dem Bördeln noch plastifiziert ist, kann das Kunststoffmaterial 112 beim Erwärmen wärmer als die Plastifizierungstemperatur erwärmt werden, da es während des Bördelns bereits wieder etwas abkühlt.
In den 4 bis 6 sind schematische Darstellungen des Prozessablaufs der Verfahrensvariante mit Umformung des metallischen Fügepartners um das aufgeschmolzene thermoplastische Kunststoffteil 102 dargestellt. In Anlehnung an den Bördelprozess ragt der metallische Fügepartner über den FKV hinaus und wird während des Fügeschrittes umgeformt und beidseitig an den aufgeschmolzenen FKV gepresst. Um eine beidseitige Verbindung des FKV mit dem metallischen Fügepartner zu ermöglichen, wird der Kunststoff auf beiden Seiten der Komponente aufgeschmolzen. Zu diesem Zweck werden auf beiden Seiten Laser eingesetzt. Metallseitig wird die Fügezone über die Wärmeleitung aufgeschmolzen. FKV-seitig ist dem Umform- und Pressprozess ebenfalls ein Laser vorgeschaltet. Dieser schmilzt den Kunststoff direkt auf. Durch Einkoppeln des Lasers in die Thermoplastmatrix wird diese über ihren Schmelzpunkt hinaus erwärmt. Im Anschluss wird der metallische Fügepartner mit einem Rollenwerkzeug umgeformt und beidseitig gegen die aufgeschmolzene FKV-Komponente angepresst. Je nach Öffnungswinkel der Metallkomponente ist ein mehrstufiger Umformprozess notwendig. Um die vollständige Füllung der Oberflächenstruktur 208 des Metalls zu unterstützen werden über die Andruckrollen Ultraschall-Schwingungen eingekoppelt. Die vollständige Füllung der Kavitäten durch schmelzflüssigen Kunststoff 112 wird dadurch unterstützt und die Dichtheit der Verbindung erhöht.
Die vollständige Umschließung der FKV-Komponente durch das umgeformte Blech erhöht die Leckagewege. Durch diese Art der Verbindung wird eine Erhöhung der Dichtheit erwartet.
Als Alternative zum Wärmeeintrag mittels Laser ist die Verwendung von Induktion denkbar. Der Induktor wird dabei am Werkzeugträger montiert und erwärmt den metallischen Fügepartner, ebenso wie der Laser, direkt vor dem Umform-/Pressprozess. Durch die Erwärmung des Metalls schmilzt die angrenzende Kunststoffmatrix und der Fügevorgang läuft ab. Die direkte Erwärmung des FKV kann aufgrund der elektrisch isolierenden Eigenschaften des Kunststoffmaterials 112 nur durch direkten Wärmeeintrag über Strahlung erfolgen, da ein vollständiges Aufschmelzen der Kunststoffmatrix in hoher Geschwindigkeit erforderlich ist.
In einem Ausführungsbeispiel ist das Kunststoffbauteil 102 mit leitfähigen Additiven versetzt, um eine Erwärmung mittels Induktion zu ermöglichen. Beispielsweise sind dem Kunststoffmaterial 112 als Additive leitfähige Fasern oder Partikel zugefügt.
Faserverstärkte Kunststoffe besitzen großes Leichtbaupotential. In Multimaterial-Bauweisen können diese Werkstoffe entsprechend ihrer Stärken eingesetzt werden und in Kombination mit metallischen Werksoffen ressourceneffizienter Leichtbau betrieben werden. Diese Bauweisen sind beispielsweise für neuartige Gehäusekonzepte interessant. Es lassen sich in einem Bauteil gezielt die Eigenschaften der verschiedenen Werkstoffe ausnutzen, z.B. können Gehäuseteile mit elektrischer Isolation (FKV) dicht und fest mit Gehäuseteilen mit hoher thermischer Leitfähigkeit (z.B. Aluminium, Kupfer, Stahl) verbunden werden.
Mit dem hier vorgestellten Ansatz können dichte und feste Verbindungen von thermoplastischen FKV mit Metallen hergestellt werden. Das kompakte Werkzeugkonzept bietet zudem die Möglichkeit, verschiedene Fügegeometrien zu realisieren und auf Bauteiländerungen ohne großen Investitionsaufwand zu reagieren. Durch die Kontinuierlichkeit des Prozesses ist zudem eine hochproduktive Fertigung möglich. Die Verfahrensvariante mit kombiniertem Direktfüge- und Umformprozess bietet zudem eine weitere Möglichkeit die Verbindungseigenschaften, insbesondere die Dichtheit, an die Anforderungen anzupassen. Ein weiterer Aspekt des Fügeverfahrens ist die Nutzung des Ultraschalls, mit dessen Unterstützung die vollständige Füllung der Oberflächenstruktur 208 mit Thermoplast verbessert wird.
Abschließend ist darauf hinzuweisen, dass Begriffe wie „aufweisend“, „umfassend“, etc. keine anderen Elemente oder Schritte ausschließen und Begriffe wie „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließen. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.

Claims

Verfahren zum Direktfügen, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Fügezone (124) ein faserverstärktes Kunststoffteil (102) mit einem Metallteil (104) lokal gefügt wird, wobei in einem Schritt des Plastifizierens ein in der Fügezone (124) angeordnetes Kunststoffmaterial (112) des Kunststoffteils (102) zumindest teilweise plastifiziert wird, und in einem Schritt des Anpressens das Kunststoffteil (102) und das Metallteil (104) in der Fügezone (124) zusammengepresst werden, wobei die Fügezone (124) in einer Fügerichtung (114) mit einer Fügegeschwindigkeit über einen Fügebereich (113) bewegt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, mit einem Schritt des Bördelns, in dem ein über einen Flanschbereich (115) des Kunststoffteils (102) überstehender Randbereich (400) des Metallteils (104) auf eine Rückseite (402) des Flanschbereichs (115) gebördelt wird, wobei im Schritt des Plastifizierens in der Fügezone (124) ferner Kunststoffmaterial (112) der Rückseite (402) plastifiziert wird und im Schritt des Anpressens der Flanschbereich (115) zwischen dem gebördelten Randbereich (400) und dem Metallteil (104) zusammengepresst wird.
Verfahren gemäß Anspruch 2, bei dem im Schritt des Plastifizierens das Kunststoffmaterial (112) auf der Rückseite (402) unter Verwendung einer Lichtquelle (404) erwärmt wird, wobei der Randbereich (400) nach dem Plastifizieren gebördelt wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem im Schritt des Plastifizierens das Metallteil (104) in der Fügezone (124) erwärmt wird, und das Kunststoffmaterial (112) durch den Kontakt mit dem Metallteil (104) plastifiziert wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem im Schritt des Anpressens in der Fügezone (124) Schwingungen (126) in das Kunststoffteil (102) und/oder das Metallteil (104) eingeleitet werden, um Einschlüsse zwischen dem Kunststoffteil (102) und dem Metallteil (104) auszutreiben.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem vorausgehenden Schritt des Strukturierens, in dem der Fügebereich (113) des Metallteils (104) mit einer Oberflächenstruktur (208) strukturiert wird, wobei im Schritt des Anpressens das plastifizierte Kunststoffmaterial (112) in die Oberflächenstruktur (208) gepresst wird.
Vorrichtung zum Direktfügen, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Plastifiziereinrichtung (108) zum lokalen Plastifizieren eines Kunststoffmaterials (112) eines Fügepartners, eine in einer Fügerichtung (114) zu der Plastifiziereinrichtung (108) versetzte Anpresseinrichtung (110) zum lokalen Zusammenpressen des Fügepartners mit zumindest einem weiteren Fügepartner und eine Bewegungseinrichtung zum Relativbewegen der Fügepartner in der Fügerichtung (114) mit einer Fügegeschwindigkeit aufweist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 7, bei der die Bewegungseinrichtung als beweglicher Arm zum Bewegen der Plastifiziereinrichtung (108) und der Anpresseinrichtung (110) ausgebildet ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 7, bei der die Bewegungseinrichtung zum Bewegen der Fügepartner ausgebildet ist.
Vorrichtung einem der Ansprüche 7 bis 9, bei der die Anpresseinrichtung (110) ein Rollenpaar aus einer losen Rolle (118) und einer festen Rolle (120) aufweist, wobei zwischen der losen Rolle (118) und der festen Rolle (120) die Fügepartner anordenbar sind, wobei die lose Rolle (118) mit einer Anpresskraft (206) gegen die feste Rolle (120) pressbar ist.
Vorrichtung einem der Ansprüche 7 bis 10, bei der die Plastifiziereinrichtung (108) zumindest eine Lichtquelle (116) aufweist.
Vorrichtung einem der Ansprüche 7 bis 10, bei der die Plastifiziereinrichtung (108) zumindest eine Induktionsspule aufweist.