DE102018119348B4

DE102018119348B4 - Vorrichtung zum Plastifizieren von Kunststoffbauteilen, Effektor für einen Industrieroboter und Verfahren zum Kontrollieren einer Vorrichtung zum Plastifizieren von Kunststoffbauteilen

Info

Publication number: DE102018119348B4
Application number: DE102018119348.3A
Authority: DE
Inventors: Manuel Endraß; Markus Hohenreiter; Stefan Jarka
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2018-08-08
Filing date: 2018-08-08
Publication date: 2022-05-25
Anticipated expiration: 2038-08-09
Also published as: DE102018119348A1

Abstract

Vorrichtung zum Plastifizieren von Kunststoffbauteilen an gemeinsamen Fügekontaktflächen mithilfe einer elektrisch kontaktierbaren Widerstandsheizschicht (100, 216, 326, 420, 512), um die Kunststoffbauteile miteinander stoffschlüssig zu verbinden, wobei die Vorrichtung wenigstens ein Elektrodenmodul mit einer ersten Elektrode (102, 212, 320, 406, 504) und einer zweiten Elektrode (104, 214, 324, 418, 506) aufweist, wobei die erste Elektrode (102, 212, 320, 406, 504) mehrere erste Elektrodenabschnitte (110, 112, 200, 202, 204, 300, 302, 304, 306, 308, 310, 312, 314, 316, 318, 400, 402, 404, 500, 508) und/oder die zweite Elektrode (104, 214, 324, 418, 506) mehrere zweite Elektrodenabschnitte (116, 118, 206, 208, 210, 322, 408, 410, 412, 414, 416, 502, 510) aufweisen/aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Elektrodenabschnitte (110, 112, 200, 202, 204, 300, 302, 304, 306, 308, 310, 312, 314, 316, 318, 400, 402, 404, 500, 508) voneinander gesondert elektrisch beaufschlagbar sind und/oder die zweiten Elektrodenabschnitte (116, 118, 206, 208, 210, 322, 408, 410, 412, 414, 416, 502, 510) voneinander gesondert elektrisch beaufschlagbar sind, um Widerstandswerte zwischen den Elektrodenabschnitten (110, 112, 116, 118, 200, 202, 204, 206, 208, 210, 300, 302, 304, 306, 308, 310, 312, 314, 316, 318, 322, 400, 402, 404, 408, 410, 412, 414, 416, 500, 502, 508, 510) zu ermitteln und eine Heizleistung, eine Heizleistungsverteilung und/oder eine Heizleistungsverlagerung unter Berücksichtigung der ermittelten Widerstandswerte derart individuell anzupassen, dass die Kunststoffbauteile über ihre Fügekontaktflächen zumindest annähernd gleichmäßig plastifizierbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Plastifizieren von Kunststoffbauteilen an gemeinsamen Fügekontaktflächen mithilfe einer elektrisch kontaktierbaren Widerstandsheizschicht, um die Kunststoffbauteile miteinander stoffschlüssig zu verbinden. Außerdem betrifft die Erfindung einen Effektor für einen Industrieroboter. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Kontrollieren einer Vorrichtung zum Plastifizieren von Kunststoffbauteilen.
Aus der am 10.03.2017 angemeldeten deutschen Patentanmeldung DE 10 2017 105 185 A1 ist ein Effektor bekannt für einen Industrieroboter zum stoffschlüssigen Verbinden von Faserverbundwerkstoffteilen mit thermoplastischer Matrix mithilfe eines Verbindungselements. Das Verbindungselement weist eine Metallleiterschicht mit einer Kontaktseite und einer Rückseite, eine an der Kontaktseite angeordnete erste Faserverbundwerkstoffschicht, eine an der Rückseite angeordnete zweite Faserverbundwerkstoffschicht, eine an der ersten Faserverbundwerkstoffschicht angeordnete erste Thermoplastschicht und eine an der zweiten Faserverbundwerkstoffschicht angeordnete zweite Thermoplastschicht auf. Die Metallleiterschicht weist an der Kontaktseite wenigstens zwei Kontaktabschnitte zur elektrischen Beaufschlagung in einem Widerstandsschweißverfahren auf. Der Effektor kann wenigstens ein Greifmodul zum Greifen eines Faserverbundwerkstoffteils und/oder des Verbindungselements und/oder wenigstens ein Pressmodul zum Zusammenpressen von Faserverbundwerkstoffteilen aufweisen.
Aus dem Dokument DE 10 2019 106 212 A1 ist ein Verfahren bekannt zum Fügen thermoplastischer Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile, wobei die Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile mithilfe einer elektrischen Widerstandsheizschicht zur gegenseitigen stoffschlüssigen Verbindung an Fügekontaktflächen plastifiziert werden. Zum Plastifizieren der Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile an den Fügekontaktflächen wird eine elektrische Widerstandsheizschicht verwendet, die eine an die Fügekontaktflächen individuell angepasste Heizleistungsverteilung aufweist. Die Widerstandsheizschicht kann wenigstens ein elektrisches Widerstandselement aufweisen, das individuell angepasst angeordnet sein kann und/oder das einen individuell angepassten Widerstand und/oder ein individuell angepasstes Widerstandsprofil aufweisen kann. Die Widerstandsheizschicht kann an einem Randabschnitt eine höhere Heizleistung und an einem Zentralabschnitt eine geringere Heizleistung aufweisen. Zum Herstellen der elektrischen Widerstandsheizschicht wird zunächst unter Berücksichtigung von Geometriedaten der Fügekontaktflächen und/oder Werkstoffdaten der Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile eine individuell erforderliche Heizleistungsverteilung ermittelt. Die erforderliche Heizleistungsverteilung kann mithilfe der Finite-Elemente-Methode ermittelt werden. Nachfolgend können unter Berücksichtigung der ermittelten erforderlichen Heizleistungsverteilung Anweisungen zum Kontrollieren einer Fertigungseinrichtung generiert werden, um mithilfe der Fertigungseinrichtung die Widerstandsheizschicht herzustellen.
Das Dokument DE 10 2010 007 824 A1 betrifft ein Verfahren zum Fügen von duroplastischen Kohlenstofffaserverbundbauteilen oder -rohlingen untereinander oder von duroplastischen mit thermoplastischen Bauteilen oder Rohlingen durch Widerstandsschweißen. Dem Dokument DE 10 2010 007 824 A1 zufolge werden für das Widerstandsschweißen Kohlenstofffasertextilien mit Gewebestruktur oder Vliesstruktur als Heizelemente verwendet, wobei diese mit Wechselstrom beaufschlagt werden. Die Kohlenstofffasertextilien sind auf ihren Oberflächen mit einem Thermoplast imprägniert oder mit diesem durchgehend getränkt. Zum Verschweißen der genannten Strukturen wird die leitenden Kohlenstofffasertextilie beispielsweise zwischen zwei thermoplastbeschichteten Duromerplatten eingelegt. Über ein Presswerkzeug wird der Aufbau mit einem Anpressdruck versehen. Kontakte zum Einleiten des Stroms werden an seitlich herausragenden, vom Thermoplast befreiten Kohlenstoff-Elektrode befestigt.
Das Dokument WO 93/24302 A1 betrifft eine Vorrichtung zum Steuern der Erwärmung von Heißsiegelwerkzeugen relativ zu einer Zieltemperatur. Die Vorrichtung weist ein oder mehrere elektrische Widerstandsheizelemente auf, die zwischen „Ein-“ und „Aus-“ Zuständen geschaltet sind, um entsprechend einer Frequenz und Dauer von Steuersignalen eine elektrische Leistung zu erhalten. Die Widerstandsheizelemente können in gewünschter Sequenz jeweils innerhalb einer Periode dieser Frequenz mit Strom beaufschlagt werden.
Das Dokument DE 10 2018 002 011 A1 betrifft ein Verfahren zum thermischen Fügen thermoplastischer Faserverbundbauteile und schlägt folgende Verfahrensschritte vor: Gemeinsames Abdecken zu fügender thermoplastischer Faserverbundbauteile zumindest im Bereich einer Fügezone mit einer zumindest abschnittsweise flexiblen Druckbeaufschlagungsanordnung; flächiges Druckbeaufschlagen der zu fügenden thermoplastischen Faserverbundbauteile mit der Druckbeaufschlagungsanordnung, sodass die Faserverbundbauteile zumindest in der Fügezone aneinander gedrückt werden; Verschweißen der Faserverbundbauteile in der Fügezone während der Druckbeaufschlagung; und Aufrechterhalten der Druckbeaufschlagung mit der Druckbeaufschlagungsanordnung bis zum Erstarren der Fügezone. Dem Dokument DE 10 2018 002 011 A1 zufolge kann die Druckbeaufschlagungsanordnung elektrische Kontakte, die eine elektrische Verbindung zwischen einer Innenseite und einer Außenseite der Druckbeaufschlagungsanordnung herstellen, enthalten und die Faserverbundbauteile können mittels Widerstandsschweißen über die elektrischen Kontakte verschweißt werden.
Das Dokument JP H04173232 A betrifft ein Verfahren, bei dem eine Heizelementschicht zwischen eine Vielzahl von miteinander zu verbindenden Harzschichten eingefügt wird und durch Anlegen eines Stroms Wärme erzeugt wird. Dazu wird dem Dokument JP H04173232 A zufolge ein Elektrodenpaar in Kontakt mit der Oberfläche einer Harzschicht gebracht, das mit der dazwischen eingefügten Heizelementschicht laminiert ist, und eine Hochfrequenzspannung von 105-108 Hz wird an das Elektrodenpaar angelegt, um die Heizelementschicht indirekt über die Harzschicht zu erregen. Eine Elektrode bildet mit der Heizelementschicht als dielektrischem Medium einen Kondensator. Durch Einstellen einer der Heizelementschicht zuzuführenden Leistung wird ein Strom zugeführt, ohne einen dielektrischen Durchbruch der Harzschicht in der Elektrode zu verursachen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine eingangs genannte Vorrichtung baulich und/oder funktional zu verbessern. Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen eingangs genannten Effektor baulich und/oder funktional zu verbessern. Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Verfahren zu verbessern.
Die Aufgabe wird gelöst mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Außerdem wird die Aufgabe gelöst mit einem Effektor mit den Merkmalen des Anspruchs 5. Außerdem wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6. Vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Kunststoffbauteile können einen thermoplastischen Kunststoff aufweisen. Die Kunststoffbauteile können Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile sein. Die Kunststoffbauteile können Fahrzeugbauteile sein. Das Fahrzeug kann ein Landfahrzeug, Kraftfahrzeug, Luftfahrzeug, Wasserfahrzeug oder Raumfahrzeug sein. Die Kunststoffbauteile können Rumpfteile eines Luftfahrzeugs sein. Die Kunststoffbauteile können Flügelteile eines Luftfahrzeugs sein.
Die Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile können organische Fasern, wie Aramidfasern, Kohlenstofffasern, Polyester-Fasern, Nylon-Fasern, Polyethylen-Fasern, Polymethylmethacrylat-Fasern und/oder anorganische Fasern, wie Basaltfasern, Borfasern, Glasfasern, Keramikfasern, Kieselsäurefasern, aufweisen. Die Fasern können als Gewebe, Gewirk, Gestrick, Geflecht oder Nähgewirke vorliegen. Die Fasern können als Textilie vorliegen. Das Fasern können einlagig oder mehrlagig vorliegen. Die Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile können ein thermoplastisches Matrixmaterial aufweisen. Das Matrixmaterial kann Polyetheretherketon (PEEK), Polyphenylensulfid (PPS), Polysulfon (PSU), Polyetherimid (PEI) und/oder Polytetrafluorethylen (PTFE) aufweisen. Die Fasern können in dem Matrixmaterial eingebettet sein.
Die Kunststoffbauteile können jeweils wenigstens eine Fügekontaktfläche aufweisen. Die wenigstens eine Fügekontaktfläche kann eben sein. Die wenigstens eine Fügekontaktfläche kann einfach oder mehrfach gekrümmt sein. Die Widerstandsheizschicht kann zur Anordnung zwischen gemeinsamen Fügekontaktflächen miteinander zu verbindender oder verbundener Kunststoffbauteile dienen. Die Widerstandsheizschicht kann zum Plastifizieren des Kunststoffs der Kunststoffbauteile oder des Matrixmaterials der Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile dienen. Die Widerstandsheizschicht kann zumindest abschnittsweise für plastifizierten Kunststoff oder für plastifiziertes Matrixmaterial durchlässig sein. Die Widerstandsheizschicht kann wenigstens einen elektrischen Kontaktabschnitt aufweisen. Der wenigstens eine Kontaktabschnitt kann außerhalb der Fügekontaktflächen angeordnet sein. Die Widerstandsheizschicht kann mithilfe eines metallischen oder kohlenstoffbasierten Leiters ausgeführt sein.
Das wenigstens eine Elektrodenmodul kann dazu dienen, die Widerstandsheizschicht elektrisch zu beaufschlagen. „Elektrisch beaufschlagen“ bedeutet vorliegend insbesondere, dass eine elektrische Leistung eingeleitet wird. Die elektrische Leistung kann durch eine Spannung und/oder einen Strom bestimmt sein. Das wenigstens eine Elektrodenmodul kann dazu dienen, die Widerstandsheizschicht mechanisch zu beaufschlagen, insbesondere eine Anpresskraft aufzubringen. Das wenigstens eine Elektrodenmodul kann verlagerbar sein. Das wenigstens eine Elektrodenmodul kann relativ zu der Widerstandsheizschicht verlagerbar sein.
Die erste Elektrode und die zweite Elektrode können verlagerbar sein. Die erste Elektrode und die zweite Elektrode können relativ zueinander verlagerbar sein. Die erste Elektrode und die zweite Elektrode können relativ zu der Widerstandsheizschicht verlagerbar sein. Die erste Elektrode und die zweite Elektrode können miteinander korrespondieren, um einen Stromkreis zu schließen. Die Elektroden können auf unterschiedlichen Seiten liegen, beispielsweise um single lap bei einer Längsnaht zu verschweißen.
Die Vorrichtung kann ein elektrisches Leistungsmodul aufweisen. Das Leistungsmodul kann dazu dienen, eine elektrische Leistung zum Erhitzen der Widerstandsheizschicht zur Verfügung zu stellen. Das Leistungsmodul kann mehrere erste Ausgangsanschlüsse und wenigstens mehrere zweite Ausgangsanschlüsse aufweisen. Das Leistungsmodul kann für jede erste Elektrode einen ersten Ausgangsanschluss und für jede zweite Elektrode einen zweiten Ausgangsanschluss aufweisen. Die erste Elektrode kann mit den ersten Ausgangsanschlüssen verbindbar oder verbunden sein. Die zweite Elektrode kann den zweiten Ausgangsanschlüssen verbindbar oder verbunden sein. Die erste Elektrode kann eine Länge von ca. 10cm bis ca. 30cm, insbesondere von ca. 20cm, aufweisen. Die zweite Elektrode kann eine Länge von ca. 10cm bis ca. 30cm, insbesondere von ca. 20cm, aufweisen.
Die ersten Elektrodenabschnitte können voneinander elektrisch isoliert sein. Die ersten Elektrodenabschnitte können jeweils mit einem ersten Ausgangsanschluss verbindbar oder verbunden sein. Die erste Elektrode kann wenigstens zwei erste Elektrodenabschnitte aufweisen. Die erste Elektrode kann beispielsweise acht bis zwölf, insbesondere zehn, erste Elektrodenabschnitte aufweisen. Die ersten Elektrodenabschnitte können jeweils eine ebene Kontaktfläche für die Widerstandsheizschicht aufweisen. Die ersten Elektrodenabschnitte können jeweils eine quader-, würfel- oder klotzartige Form aufweisen. Die ersten Elektrodenabschnitte können aus einem Metall, insbesondere aus Kupfer oder einer kupferbasierten Legierung, hergestellt sein.
Die zweiten Elektrodenabschnitte können voneinander elektrisch isoliert sein. Die zweiten Elektrodenabschnitte können jeweils mit einem zweiten Ausgangsanschluss verbindbar oder verbunden sein. Die zweite Elektrode kann wenigstens zwei zweite Elektrodenabschnitte aufweisen. Die zweite Elektrode kann beispielsweise acht bis zwölf, insbesondere zehn, zweite Elektrodenabschnitte aufweisen. Die zweiten Elektrodenabschnitte können jeweils eine ebene Kontaktfläche für die Widerstandsheizschicht aufweisen. Die zweiten Elektrodenabschnitte können jeweils eine quader-, würfel- oder klotzartige Form aufweisen. Die zweiten Elektrodenabschnitte können aus einem Metall, insbesondere aus Kupfer oder einer kupferbasierten Legierung, hergestellt sein.
Die ersten Elektrodenabschnitte können linear aufeinanderfolgend angeordnet sein. Die ersten Elektrodenabschnitte können entlang einer Längsachse der ersten Elektrode aufeinanderfolgend angeordnet sein. Die Längsachse der ersten Elektrode kann gerade oder gekrümmt sein. Die ersten Elektrodenabschnitte können in Längsrichtung aufeinanderfolgend angeordnet sein. Die zweiten Elektrodenabschnitte können linear aufeinanderfolgend angeordnet sein. Die zweiten Elektrodenabschnitte können entlang einer Längsachse der zweiten Elektrode aufeinanderfolgend angeordnet sein. Die Längsachse der zweiten Elektrode kann gerade oder gekrümmt sein. Die zweiten Elektrodenabschnitte können in Längsrichtung aufeinanderfolgend angeordnet sein.
Die Vorrichtung kann wenigstens zwei Elektrodenmodule aufweisen. Die wenigstens zwei Elektrodenmodule können relativ zueinander verlagerbar sein. Die wenigstens zwei Elektrodenmodule können übergreifend verlagerbar sein.
Die Vorrichtung kann ein elektrisches Kontrollmodul aufweisen. Das Kontrollmodul kann zum regelungstechnischen und/oder steuerungstechnischen Kontrollieren dienen. Das Leistungsmodul kann mithilfe des Kontrollmoduls kontrollierbar sein. Das Leistungsmodul kann mithilfe des Kontrollmoduls kontrollierbar sein, um die ersten Elektrodenabschnitte voneinander gesondert elektrisch zu beaufschlagen. Das Leistungsmodul kann mithilfe des Kontrollmoduls kontrollierbar sein, um die zweiten Elektrodenabschnitte voneinander gesondert elektrisch zu beaufschlagen.
Die ersten Elektrodenabschnitte sind voneinander gesondert elektrisch beaufschlagbar um eine Heizleistung, eine Heizleistungsverteilung und/oder eine Heizleistungsverlagerung individuell anzupassen und/oder die zweiten Elektrodenabschnitte sind voneinander gesondert elektrisch beaufschlagbar um eine Heizleistung, eine Heizleistungsverteilung und/oder eine Heizleistungsverlagerung individuell anzupassen.
Die ersten Elektrodenabschnitte sind voneinander gesondert elektrisch beaufschlagbar, um Widerstandswerte zwischen den Elektrodenabschnitten zu ermitteln und/oder die zweiten Elektrodenabschnitte sind voneinander gesondert elektrisch beaufschlagbar, um Widerstandswerte zwischen den Elektrodenabschnitten zu ermitteln.
Der Effektor kann zur Anordnung an einem Manipulator eines Industrieroboters dienen. Der Effektor kann an einem Manipulator eines Industrieroboters angeordnet sein. Der Effektor kann eine mechanische Schnittstelle zur Verbindung mit dem Manipulator aufweisen. Der Effektor kann wenigstens eine elektrische Leistungsschnittstelle aufweisen. Der Effektor kann wenigstens eine elektrische Signalschnittstelle aufweisen. Der Effektor kann als Endeffektor dienen. Der Effektor kann eine Effektorbasis aufweisen. Der Effektor kann einen Anschlussflansch aufweisen. Der Anschlussflansch und die Effektorbasis können miteinander fest verbunden sein. Die Vorrichtung kann an der Effektorbasis angeordnet sein. Der Effektor kann wenigsten einen Aktuator zum Verlagern des wenigstens einen Elektrodenmoduls, der ersten Elektrode und/oder der zweiten Elektrode aufweisen.
Die ersten Elektrodenabschnitte können gruppenweise gemeinsam elektrisch beaufschlagt werden. Die zweiten Elektrodenabschnitte können gruppenweise gemeinsam elektrisch beaufschlagt werden. Eine Gruppe gemeinsam beaufschlagter Elektrodenabschnitte kann aufeinanderfolgende Elektrodenabschnitte umfassen.
Eine individuelle Anpassung kann eine Anpassung einer spezifischen Kombination von miteinander zu verbindenden oder verbundenen Kunststoffbauteilen sein.
Eine elektrische Beaufschlagung zum Ermitteln von Widerstandswerten zwischen den Elektrodenabschnitten kann zusammen mit einer elektrischen Beaufschlagung zum Erhitzen der Widerstandsheizschicht erfolgen. Eine elektrische Beaufschlagung zum Ermitteln von Widerstandswerten zwischen den Elektrodenabschnitten kann gesondert von einer elektrischen Beaufschlagung zum Erhitzen der Widerstandsheizschicht erfolgen.
Die ermittelten Widerstandswerte und/oder auf den ermittelten Widerstandswerten basierende Informationen können zur Dokumentation gespeichert werden. Die ermittelten Widerstandswerte und/oder auf den ermittelten Widerstandswerten basierende Informationen können in einer digitalen Bauteilakte gespeichert werden. Die ermittelten Widerstandswerte und/oder auf den ermittelten Widerstandswerten basierende Informationen können auf eine digitale Repräsentanz eines Bauteils übertragen werden.
Eine Beaufschlagung der ersten Elektrodenabschnitte und/oder eine Beaufschlagung der zweiten Elektrodenabschnitte zum individuellen Anpassen einer Heizleistung, einer Heizleistungsverteilung und/oder einer Heizleistungsverlagerung wird unter Berücksichtigung der ermittelten Widerstandswerte und/oder unter Berücksichtigung von auf den ermittelten Widerstandswerten basierenden Informationen kontrolliert
Die ersten Elektrodenabschnitte und/oder die zweiten Elektrodenabschnitte können gepulst beaufschlagt werden, um eine Heizleistung, eine Heizleistungsverteilung und/oder eine Heizleistungsverlagerung individuell anzupassen. Die ersten Elektrodenabschnitte und/oder die zweiten Elektrodenabschnitte können in Pulspausen beaufschlagt werden, um Widerstandswerte zwischen den Elektrodenabschnitten zu ermitteln.
Zusammenfassend und mit anderen Worten dargestellt ergibt sich somit durch die Erfindung unter anderem ein kontinuierliches Widerstandsschweißen. Durch multiple Kontaktierung eines Schweißelementes kann ein Temperaturfeld gezielt dynamisch geregelt verschoben werden. Kontaktierungsklötze, beispielsweise aus Kupfer, können zweireihig angeordnet und durch einen Isolator elektrisch voneinander getrennt sein. Alle Kontaktierungsklötze können zeitgleich kontaktiert sein. Alle Kontaktierungsklötze können währenddessen mittels einer Leistungselektronik elektrisch verbunden sein und sequentiell angesteuert werden. Durch Gruppenbildung gemeinsam geschalteter Kontaktierungen ist es möglich, ein Temperaturfeld bzw. eine Schmelzzone bedarfsgerecht zu steuern. Dabei kann das Temperaturfeld sowohl dynamisch über eine Schweißelementlänge bewegt als auch Teilbereiche durch Gruppenbildung einer höheren Stromdichte ausgesetzt werden, was im Folgeschluss dazu führt, dass sich unterschiedliche Temperaturverhältnisse flexibel ausbilden lassen.
Gleichermaßen können durch Kenntnis eines temperaturabhängigen Leiterwiderstandes anhand einer Messung des Ohm'schen Widerstands an verschiedenen Kontaktierungspaaren bzw. Kontaktierungspaargruppen Widerstandsverhältnisse im Prozess lokalen Temperaturen zugeordnet werden. Diese Zuordnung kann zum einen eine Schnittstelle zur Qualitätssicherung in einem Prozess bilden und zum anderen eine Basismessgröße für eine Prozessregelung, insbesondere einer Regelgröße, sein.
Umgesetzt in einer Endeffektorkonstruktion ist eine Möglichkeit gegeben, bei einem unbewegten Endeffektor dennoch eine kontinuierliche Schweißung faserverstärkter Thermoplaste durchzuführen. Durch eine flexible und bedarfsgerechte Ansteuerung entsprechender Kontaktierungen in Kombination mit einer In-Prozess-Zustandsüberwachung kann sowohl ein Aufheiz- und Abkühlverhalten der Schmelzzone als auch deren Position und Größe im Bauteil geregelt werden. Dies kann eine Basis bilden, um eine homogene Festigkeit einer geschweißten Verbindung bei gleichzeitig lückenloser Prozessüberwachung zu erreichen.
Mit „kann“ sind insbesondere optionale Merkmale der Erfindung bezeichnet. Demzufolge gibt es jeweils ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, das das jeweilige Merkmal oder die jeweiligen Merkmale aufweist.
Die Erfindung ermöglicht einen skalierbaren und/oder kontinuierlichen Prozess für elektrisches Widerstandsschweißen. Der Schweißprozess kann für großflächige und/oder lange Schweißungen, insbesondere an Flugzeuglängs- und -quernähten, automatisiert und reproduzierbar angewendet werden. Beschränkungen hinsichtlich einer maximal schweißbaren Länge, einer Leistung eines eingesetzten Netzteils in Verbindung mit einem verwendeten Leitermaterial, dessen effektivem Leitungsquerschnitt, einer Schweißgeometrie, einer Wärmeableitung durch ein Werkzeug und eines erforderlichen Temperaturbedarfs können reduziert oder vermieden werden. Ein partieller Schweißprozess kann vermieden werden. Bei langen schmalen Schweißungen können Randeffekte durch eine hohe Wärmeableitung an den Bauteilkanten reduziert oder vermieden werden.
Ein automatisiertes, prozesssicheres, reproduzierbares und rückverfolgbares Endlosschweißen von Thermoplasten bzw. faserverstärkten Thermoplasten wird ermöglicht. Es kann eine Schweißregelung mit integrierter Prozessdatenerfassung erstellt werden. Durch erhöhte Flexibilität können Randeffekte an benachbarten Schweißparzellen vermieden und eine Durchgängigkeit einer homogenen Schweißnahtqualität gewährleistet werden.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf Figuren näher beschrieben.
Es zeigen schematisch und beispielhaft:

1 zwei Elektroden mit mehreren voneinander gesondert elektrisch beaufschlagbaren Elektrodenabschnitten und eine elektrisch kontaktierte Widerstandsheizschicht zum Plastifizieren von Kunststoffbauteilen an gemeinsamen Fügekontaktflächen,
2 ein voneinander gesondertes elektrisches Beaufschlagen von Elektrodenabschnitten zweier Elektroden zum Erhitzen einer elektrisch kontaktierten Widerstandsheizschicht zum Plastifizieren von Kunststoffbauteilen an gemeinsamen Fügekontaktflächen mit individuell angepasster Heizleistung, Heizleistungsverteilung und Heizleistungsverlagerung,
3 ein einzeln und gruppenweise voneinander gesondertes elektrisches Beaufschlagen von Elektrodenabschnitten zweier Elektroden zum Erhitzen einer elektrisch kontaktierten Widerstandsheizschicht zum Plastifizieren von Kunststoffbauteilen an gemeinsamen Fügekontaktflächen mit individuell angepasster Heizleistung, Heizleistungsverteilung und Heizleistungsverlagerung,
4 ein gruppenweise voneinander gesondertes elektrisches Beaufschlagen von Elektrodenabschnitten zweier Elektroden zum Erhitzen einer elektrisch kontaktierten Widerstandsheizschicht zum Plastifizieren von Kunststoffbauteilen an gemeinsamen Fügekontaktflächen mit individuell angepasster Heizleistung, Heizleistungsverteilung und Heizleistungsverlagerung,,
5 ein elektrisches Beaufschlagen von Elektrodenabschnitten zweier Elektroden zum Ermitteln von Widerstandswerten zwischen den Elektrodenabschnitten und
6 ein sequentielles voneinander gesondertes elektrisches Beaufschlagen von Elektrodenabschnitten zweier Elektroden zum Erhitzen einer elektrisch kontaktierten Widerstandsheizschicht zum Plastifizieren von Kunststoffbauteilen an gemeinsamen Fügekontaktflächen mit individuell angepasster Heizleistung, Heizleistungsverteilung und Heizleistungsverlagerung.

1 zeigt eine Widerstandsheizschicht 100 und zwei Elektroden 102, 104 einer hier nicht näher dargestellten Vorrichtung zum Plastifizieren von Matrixmaterial von Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteilen. Die Widerstandsheizschicht 100 erstreckt sich entlang eines Schweißnahtverlaufs 101 und weist außerhalb einer Fügekontaktflächen liegende, zueinander parallel verlaufende Kontaktabschnitte 106, 108 für die Elektroden 102, 104 auf.
Die Elektrode 102 erstreckt sich parallel zu der Elektrode 104 linear in Richtung des Schweißnahtverlaufs und weist mehrere aufeinanderfolgende Elektrodenabschnitte, wie 110, 112, auf. Die Elektrodenabschnitte 110, 112 sind jeweils mithilfe einer Isolationsschicht, wie 114, voneinander isoliert und können jeweils gesondert elektrisch beaufschlagt werden. Die Elektrodenabschnitte 110, 112 weisen jeweils eine würfelartige Form mit einer Kontaktfläche auf, mit der sie mit dem Kontaktabschnitt 106 in elektrisch leitendem Kontakt stehen.
Die Elektrode 104 erstreckt sich parallel zu der Elektrode 102 linear in Richtung des Schweißnahtverlaufs und weist mehrere aufeinanderfolgende Elektrodenabschnitte, wie 116, 118, auf. Die Elektrodenabschnitte 116, 118 sind jeweils mithilfe einer Isolationsschicht, wie 120, voneinander isoliert und können jeweils gesondert elektrisch beaufschlagt werden. Die Elektrodenabschnitte 116, 118 weisen jeweils eine würfelartige Form mit einer Kontaktfläche auf, mit der sie mit dem Kontaktabschnitt 108 in elektrisch leitendem Kontakt stehen.
Zum gegenseitigen stoffschlüssigen Verbinden der Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile werden zunächst die Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile mit Fügekontaktflächen aneinander angeordnet, wobei die Widerstandsheizschicht 100 zwischen den Fügekontaktflächen angeordnet wird. Nachfolgend wird die Widerstandsheizschicht 100 mithilfe der Elektroden 102, 104 kontaktiert und mit einer elektrischen Leistung beaufschlagt, um die Widerstandsheizschicht 100 derart zu erhitzen, dass sich das Matrixmaterial der Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile an den Fügekontaktflächen verflüssigt. Gegebenenfalls unter Bewegung der Kunststoff-Verbund-Bauteile relativ zueinander und/oder unter gegenseitiger Anpressung der Fügekontaktflächen durchdringt das flüssige Matrixmaterial die Widerstandsheizschicht 100 und das flüssige Matrixmaterial der Kunststoff-Verbund-Bauteile vermischt sich. Nachfolgend wird eine Beaufschlagung der Widerstandsheizschicht 100 mit einer elektrischen Leistung beendet, sodass die Widerstandsheizschicht 100 abkühlt und sich das Matrixmaterial wieder verfestigt. Die Kunststoff-Verbund-Bauteile sind dann an den Fügekontaktflächen miteinander stoffschlüssig verbunden.
2 zeigt ein voneinander gesondertes elektrisches Beaufschlagen von Elektrodenabschnitten, wie 200, 202, 204, 206, 208, 210, zweier Elektroden 212, 214 zum Erhitzen einer elektrisch kontaktierten Widerstandsheizschicht 216 zum Plastifizieren von Kunststoffbauteilen an gemeinsamen Fügekontaktflächen mit individuell angepasster Heizleistung, Heizleistungsverteilung und Heizleistungsverlagerung.
Zunächst werden der Elektrodenabschnitt 200 der Elektrode 212 und der Elektrodenabschnitt 206 der Elektrode 214 beaufschlagt, sodass sich zwischen dem Elektrodenabschnitt 200 der Elektrode 212 und dem Elektrodenabschnitt 206 der Elektrode 214 ein Temperaturfeld 218 zum Plastifizieren von Matrixmaterial von miteinander stoffschlüssig zu verbindenden Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteilen ausbildet.
Nachfolgend werden zusätzlich oder sequentiell die Elektrodenabschnitte 202, 204 der Elektrode 212 und die Elektrodenabschnitte 208, 210 der Elektrode 214 beaufschlagt, sodass sich das Temperaturfeld 218 ausdehnt oder verlagert. Im Übrigen wird ergänzend insbesondere auf 1 und die zugehörige Beschreibung verwiesen.
Gemäß 3 sind alle zehn Elektrodenabschnitte 300, 302, 304, 306, 308, 310, 312, 314, 316, 318 einer Elektrode 320 und ein Elektrodenabschnitt 322 einer Elektrode 324 elektrisch beaufschlagt, um eine Widerstandsheizschicht 326 zum Plastifizieren von Kunststoffbauteilen an gemeinsamen Fügekontaktflächen mit individuell angepasster Heizleistung, Heizleistungsverteilung und Heizleistungsverlagerung zu erhitzen. Es ergibt sich ein dreieckförmiges Temperaturfeld 328. Im Übrigen wird ergänzend insbesondere auf 1 und 2 sowie die zugehörige Beschreibung verwiesen.
Gemäß 4 sind drei Elektrodenabschnitte 400, 402, 404 einer Elektrode 406 und fünf Elektrodenabschnitte 408, 410, 412, 414, 416 einer Elektrode 418 elektrisch beaufschlagt, um eine Widerstandsheizschicht 420 zum Plastifizieren von Kunststoffbauteilen an gemeinsamen Fügekontaktflächen mit individuell angepasster Heizleistung, Heizleistungsverteilung und Heizleistungsverlagerung zu erhitzen. Es ergibt sich ein rautenförmiges Temperaturfeld 422. Im Übrigen wird ergänzend insbesondere auf 1 bis 3 sowie die zugehörige Beschreibung verwiesen.
5 zeigt ein elektrisches Beaufschlagen von Elektrodenabschnitten 500, 502 zweier Elektroden 504, 506 zum Ermitteln von Widerstandswerten zwischen den Elektrodenabschnitten 500, 502. Damit werden unter Anwendung des ohmschen Gesetzes lokale Widerstandsverhältnisse bestimmt. Die bestimmten Widerstandsverhältnisse werden Temperaturwerten zugeordnet. Basierend auf den bestimmten Temperaturwerten wird, wie in 6 gezeigt, eine Beaufschlagung weiterer Elektrodenabschnitte, wie 508, 510, vorliegend sequentiell kontrolliert, um eine Widerstandsheizschicht 512 durch individuell angepasste Heizleistung, Heizleistungsverteilung und Heizleistungsverlagerung derart zu erhitzen, dass sich ein Temperaturfeld 514 entlang eines Schweißnahtverlaufs verlagert und anpasst, um Kunststoffbauteile miteinander kontinuierlich und prozesssicher zu verschweißen. Im Übrigen wird ergänzend insbesondere auf 1 bis 4 sowie die zugehörige Beschreibung verwiesen.
Bezugszeichenliste

100: Widerstandsheizschicht
101: Schweißnahtverlauf
102: Elektrode
104: Elektrode
106: Kontaktabschnitt
108: Kontaktabschnitt
110: Elektrodenabschnitt
112: Elektrodenabschnitt
114: Isolationsschicht
116: Elektrodenabschnitt
118: Elektrodenabschnitt
120: Isolationsschicht
200: Elektrodenabschnitt
202: Elektrodenabschnitt
204: Elektrodenabschnitt
206: Elektrodenabschnitt
208: Elektrodenabschnitt
210: Elektrodenabschnitt
212: Elektrode
214: Elektrode
216: Widerstandsheizschicht
218: Temperaturfeld
300: Elektrodenabschnitt
302: Elektrodenabschnitt
304: Elektrodenabschnitt
306: Elektrodenabschnitt
308: Elektrodenabschnitt
310: Elektrodenabschnitt
312: Elektrodenabschnitt
314: Elektrodenabschnitt
316: Elektrodenabschnitt
318: Elektrodenabschnitt
320: Elektrode
322: Elektrodenabschnitt
324: Elektrode
326: Widerstandsheizschicht
328: Temperaturfeld
400: Elektrodenabschnitt
402: Elektrodenabschnitt
404: Elektrodenabschnitt
406: Elektrode
408: Elektrodenabschnitt
410: Elektrodenabschnitt
412: Elektrodenabschnitt
414: Elektrodenabschnitt
416: Elektrodenabschnitt
418: Elektrode
420: Widerstandsheizschicht
422: Temperaturfeld
500: Elektrodenabschnitt
502: Elektrodenabschnitt
504: Elektrode
506: Elektrode
508: Elektrodenabschnitt
510: Elektrodenabschnitt
512: Widerstandsheizschicht
514: Temperaturfeld

Claims

Vorrichtung zum Plastifizieren von Kunststoffbauteilen an gemeinsamen Fügekontaktflächen mithilfe einer elektrisch kontaktierbaren Widerstandsheizschicht (100, 216, 326, 420, 512), um die Kunststoffbauteile miteinander stoffschlüssig zu verbinden, wobei die Vorrichtung wenigstens ein Elektrodenmodul mit einer ersten Elektrode (102, 212, 320, 406, 504) und einer zweiten Elektrode (104, 214, 324, 418, 506) aufweist, wobei die erste Elektrode (102, 212, 320, 406, 504) mehrere erste Elektrodenabschnitte (110, 112, 200, 202, 204, 300, 302, 304, 306, 308, 310, 312, 314, 316, 318, 400, 402, 404, 500, 508) und/oder die zweite Elektrode (104, 214, 324, 418, 506) mehrere zweite Elektrodenabschnitte (116, 118, 206, 208, 210, 322, 408, 410, 412, 414, 416, 502, 510) aufweisen/aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Elektrodenabschnitte (110, 112, 200, 202, 204, 300, 302, 304, 306, 308, 310, 312, 314, 316, 318, 400, 402, 404, 500, 508) voneinander gesondert elektrisch beaufschlagbar sind und/oder die zweiten Elektrodenabschnitte (116, 118, 206, 208, 210, 322, 408, 410, 412, 414, 416, 502, 510) voneinander gesondert elektrisch beaufschlagbar sind, um Widerstandswerte zwischen den Elektrodenabschnitten (110, 112, 116, 118, 200, 202, 204, 206, 208, 210, 300, 302, 304, 306, 308, 310, 312, 314, 316, 318, 322, 400, 402, 404, 408, 410, 412, 414, 416, 500, 502, 508, 510) zu ermitteln und eine Heizleistung, eine Heizleistungsverteilung und/oder eine Heizleistungsverlagerung unter Berücksichtigung der ermittelten Widerstandswerte derart individuell anzupassen, dass die Kunststoffbauteile über ihre Fügekontaktflächen zumindest annähernd gleichmäßig plastifizierbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Elektrodenabschnitte (110, 112, 200, 202, 204, 300, 302, 304, 306, 308, 310, 312, 314, 316, 318, 400, 402, 404, 500, 508) linear aufeinanderfolgend angeordnet sind und/oder die zweiten Elektrodenabschnitte (116, 118, 206, 208, 210, 322, 408, 410, 412, 414, 416, 502, 510) linear aufeinanderfolgend angeordnet sind.
Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung wenigstens zwei Elektrodenmodule aufweist und die wenigstens zwei Elektrodenmodule relativ zueinander verlagerbar sind.
Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein elektrisches Leistungsmodul und ein elektrisches Kontrollmodul aufweist, wobei das Leistungsmodul mithilfe des Kontrollmoduls kontrollierbar ist, um die ersten Elektrodenabschnitte (110, 112, 200, 202, 204, 300, 302, 304, 306, 308, 310, 312, 314, 316, 318, 400, 402, 404, 500, 508) voneinander gesondert elektrisch zu beaufschlagen und/oder die zweiten Elektrodenabschnitte (116, 118, 206, 208, 210, 322, 408, 410, 412, 414, 416, 502, 510) voneinander gesondert elektrisch zu beaufschlagen.
Effektor für einen Industrieroboter, dadurch gekennzeichnet, dass der Effektor eine Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4 aufweist.
Verfahren zum Kontrollieren einer Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Elektrodenabschnitte (110, 112, 200, 202, 204, 300, 302, 304, 306, 308, 310, 312, 314, 316, 318, 400, 402, 404, 500, 508) einzeln und/oder gruppenweise voneinander gesondert elektrisch beaufschlagt werden und/oder die zweiten Elektrodenabschnitte (116, 118, 206, 208, 210, 322, 408, 410, 412, 414, 416, 502, 510) einzeln und/oder gruppenweise voneinander gesondert elektrisch beaufschlagt werden, um Widerstandswerte zwischen den Elektrodenabschnitten (110, 112, 116, 118, 200, 202, 204, 206, 208, 210, 300, 302, 304, 306, 308, 310, 312, 314, 316, 318, 322, 400, 402, 404, 408, 410, 412, 414, 416, 500, 502, 508, 510) zu ermitteln eine Heizleistung, eine Heizleistungsverteilung und/oder eine Heizleistungsverlagerung unter Berücksichtigung der ermittelten Widerstandswerte derart individuell anzupassen, dass die Kunststoffbauteile über ihre Fügekontaktflächen zumindest annähernd gleichmäßig plastifiziert werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelten Widerstandswerte und/oder auf den ermittelten Widerstandswerten basierende Informationen zur Dokumentation gespeichert werden.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Beaufschlagung der ersten Elektrodenabschnitte (110, 112, 200, 202, 204, 300, 302, 304, 306, 308, 310, 312, 314, 316, 318, 400, 402, 404, 500, 508) und/oder eine Beaufschlagung der zweiten Elektrodenabschnitte (116, 118, 206, 208, 210, 322, 408, 410, 412, 414, 416, 502, 510) zum individuellen Anpassen einer Heizleistung, einer Heizleistungsverteilung und/oder einer Heizleistungsverlagerung unter Berücksichtigung der ermittelten Widerstandswerte und/oder unter Berücksichtigung von auf den ermittelten Widerstandswerten basierenden Informationen kontrolliert werden/wird.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Elektrodenabschnitte (110, 112, 200, 202, 204, 300, 302, 304, 306, 308, 310, 312, 314, 316, 318, 400, 402, 404, 500, 508) und/oder die zweiten Elektrodenabschnitte (116, 118, 206, 208, 210, 322, 408, 410, 412, 414, 416, 502, 510) gepulst beaufschlagt werden, um eine Heizleistung, eine Heizleistungsverteilung und/oder eine Heizleistungsverlagerung individuell anzupassen, und die ersten (110, 112, 200, 202, 204, 300, 302, 304, 306, 308, 310, 312, 314, 316, 318, 400, 402, 404, 500, 508) Elektrodenabschnitte und/oder die zweiten Elektrodenabschnitte (116, 118, 206, 208, 210, 322, 408, 410, 412, 414, 416, 502, 510) in Pulspausen beaufschlagt werden, um Widerstandswerte zwischen den Elektrodenabschnitten (110, 112, 116, 118, 200, 202, 204, 206, 208, 210, 300, 302, 304, 306, 308, 310, 312, 314, 316, 318, 322, 400, 402, 404, 408, 410, 412, 414, 416, 500, 502, 508, 510) zu ermitteln.