DE102019123172A1

DE102019123172A1 - Verfahren zum Fügen von Werkstücken

Info

Publication number: DE102019123172A1
Application number: DE102019123172.8A
Authority: DE
Inventors: Thorge Hammer; Giovanni-Piero Scurria; Verena Wippo; Sven Blümel
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2019-08-29
Filing date: 2019-08-29
Publication date: 2021-03-04

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Fügeverfahren zum Fügen von zwei Werkstücken (10, 12), bei dem Luft während des Fügens aus der Fügeverbindung beziehungsweise aus der Oberflächenstruktur herausgedrückt wird, um so eine Oberflächenstruktur vollständig auszufüllen. Die übertragbaren Kräfte können dadurch erhöht werden und der Fügeprozess läuft stabiler und wiederholgenauer ab. Die Idee, die in dieser Erfindung vorgeschlagen wird, beschäftigt sich mit dem Herausdrücken der Luft unter dem vorzugsweise thermoplastischen Kunststoff während des Fügeprozesses. Die erfindungsgemäße Idee basiert darauf, dass durch eine abrollende Schmelzfront Luft zwischen dem Schmelzbereich (30) des Kunststoffes und der metallischen Struktur verdrängt wird und der Kunststoff dadurch die Struktur voll ausfüllt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen eines ersten Werkstücks an ein zweites Werkstück.
Beim Fügen von Werkstücken mittels eines sogenannten Schmelzschweißens von beispielsweise Kunststoffen oder faserverstärkten Kunststoffen mit einem vorzugsweise metallischen Fügepartner wird der thermoplastische Kunststoff bis zur Schmelzgrenze erwärmt und bevorzugt in eine raue Oberflächenstruktur, die vorher auf dem metallischen Fügepartner eingebracht wird, mit einer mechanischen Kraft hineingedrückt. Dabei fließt der thermoplastische Kunststoff in die raue Oberflächenstruktur erkaltet dort und härtet aus. Eine mechanisch feste Verbindung kommt dadurch zustande, dass die Oberflächenstruktur gezielt und abhängig von dem Lastfall im metallischen Fügepartner eingebracht wurde. Diese Oberflächenstruktur kann beispielsweise mittels eines Laserstrahls eingebracht werden, welcher in der Regel v-förmige Riefen (Linienförmige Struktur), Näpfe (kreisförmige Struktur) oder eine unregelmäßige Oberflächenrauigkeit (Überlappung von Riefen und Kreisen, gegebenenfalls auch kraterförmige Strukturen) erzeugt. In diese Strukturen kann der thermoplastische Kunststoff von der breiteren Seite der v-förmigen Nut und/oder den Napf hineinfließen. Verschließt der thermoplastische Kunststoff zuerst die Oberflächenstruktur, so kann die eingeschlossene Luft nicht entweichen und wirkt wie ein Luftpolster gegen das Eindringen des thermoplastischen Kunststoffs. Die Folge ist, dass die Oberflächenstruktur nicht gefüllt werden kann und die Fähigkeit der Kunststoff/Metall-Fügeverbindung, hohe Kräfte zu übertragen, wird aufgrund mangelhafter Eindringung in die Oberflächenstruktur drastisch reduziert. Um hohe Kräfte übertragen zu können, ist das Fügeverfahren davon abhängig, dass keine Luft unter dem Kunststoff eingeschlossen wird und dadurch die gesamte Oberflächenstruktur vollständig ausgefüllt ist und zur Anhaftung und Kraftübertragung beiträgt.
Des Weiteren unterliegt dieses Luftpolster beispielsweise aufgrund von wechselnden Temperaturen Volumen-Ausdehnungen beziehungsweise -Schrumpfungen. Diese wechselnden Bedingungen können sich nachteilig auf die Fügeverbindung auswirken.
Beim Kunststoffschweißen ist es wichtig und notwendig, eine exakte Bauteildicke einzustellen. Liegt das genaue Maß in Richtung des Fügeweges, so müsste eine weggesteuerte Messtechnik dafür sorgen, den Fügevorgang während des Schweißen genau in dem Moment anzuhalten, wenn das richtige Sollmaß erreicht wird. Diese Technik ist aufwendig und pflegeintensiv.
Aus der Druckschrift DE 10 2015 120 717 A1 ist ein System zum Fügen von Werkstücken unter Verwendung von Energie wie zum Beispiel Ultraschallenergie bekannt, wobei sich die Energie an einer Stelle innerhalb eines Schweißnahtbereiches konzentriert, um ein sequenzielles Schmelzen einer Vielzahl von Energierichtungsgebern zu begünstigen. Das System kann derart ausgestaltet sein, dass das sequenzielle Schmelzen in der Mitte des Schweißnahtbereiches beginnt und nach außen voranschreitet. Ein sequenzielles Schmelzen kann durch die Verwendung einer Schweißspitze, die ausgestaltet ist, um Lufteinschlüsse zu reduzieren, einer Verjüngung der Höhe einer Vielzahl von Energierichtungsgebern und/oder einer Verjüngung der Energierichtungsgeber selbst stattfinden, wobei all das die Größe eines Energieübertragungsbereiches reduziert, der durch thermische Energie erzeugt wird. Die vorliegende Technologie umfasst auch ein Verfahren zum Fügen von Werkstücken unter Verwendung von Energie wie zum Beispiel Ultraschallenergie, die sich an einer Stelle innerhalb eines Schweißnahtbereiches konzentriert, um ein sequenzielles Schmelzen einer Vielzahl von Energierichtungsgebern unter Verwendung der zuvor erwähnten Merkmale zu bewirken. Nachteilig ist dabei, dass eine Schweißnaht durch sequentielles Schmelzen erzeugt wird. Ein Schmelzprozess ist schwer zu kontrollieren, insbesondere wird dabei die Schweißnaht durch die Eigenschaften der Schmelze, wie Kapillarkräfte und/oder Schwerkraft bestimmt, ein genaues Setzen der Schweißnaht ist erschwert.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zum Fügen von Werkstücken zu schaffen. Insbesondere sollen Werkstücke aus unterschiedlichen Materialien aneinander gefügt werden.
Diese Aufgabe wird ganz oder teilweise durch ein Verfahren mit den Schritten des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Fügen eines ersten Werkstücks an ein zweites Werkstück umfasst die Schritte:

- Erwärmen des ersten Werkstückes bis zu einer Schmelztemperatur, um eine Teilschmelze an dem ersten Werkstück zu erzeugen;
- Fügen der Werkstücke mittels Ausüben einer Fügekraft auf die beiden Werkstücke, um die Teilschmelze des ersten Werkstücks an und/oder in das zweite Werkstück zumindest teilweise einzubringen;
- wobei ein Einwirkungspunkt der Fügekraft zeitlich variiert wird, wobei der Einwirkungspunkt mit der Zeit entlang einer vorgegeben Bahn verläuft, um die Werkstücke unter Verdrängung der zwischen den beiden Werkstücken befindlichen Luft aneinander zu fügen.

Durch das Ausüben einer Fügekraft, die zeitlich variiert wird, kann die Schweißnaht definiert und exakt bestimmt werden. Der Fügeprozess wird genauer. Ferner kann durch das Verdrängen der zwischen den beiden Werkstücken befindlichen Luft eine sichere, feste, ausfallstabile und beständige Schweißnaht geschaffen werden. Der Fügeprozess kann hierdurch verbessert werden.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Fügen ein Fügen eines ersten Werkstücks zumindest teilweise aus Kunststoff an ein zweites metallenes Werkstück umfasst. Hierdurch kann mittels des Fügeprozesses ein leichtes und dabei stabiles Verbundwerkstück geschaffen werden. Insbesondere kann eine Fügekraft entsprechend hoch gewählt werden, da das metallene Werkstück einer hohen Kraft entgegenwirken kann. Eine Verdrängung der Luft kann verbessert werden.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist ein weiterer Schritt vorgesehen:

Einbringen von Vertiefungen vorzugsweise in Form von Riefen und/oder angerauten Flächen in das zweite Werkstück, vorzugsweise mittels eines Laser-Strahls. Hierdurch kann eine feste und wiederstandfähige Füge-Verbindung zwischen den Bauteilen geschaffen werden. Insbesondere kann durch Laser-Abtragen technisch einfach, kosteneffizient und schnell ein Werkstück zum Fügen vorbereitet werden.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Vertiefungen in Form von v-förmigen Riefen und/oder Näpfen eingebracht werden. Hierdurch kann die Schmelze zumindest teilweise in das zweite Werkstück eindringen. Die Fügeverbindung wird stabiler. Zudem kann durch die Form der Vertiefungen ein Herausdrücken der Luft beim Fügen einfacher und effizienter erfolgen.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Einwirkungspunkt der Fügekraft mittels einer entsprechenden Geometrie des ersten und/oder zweiten Werkstücks, vorzugsweise in Form einer Erhöhung, zeitlich variiert wird. Hierdurch kann eine Variation der Fügekraft technisch einfach erfolgen. Ferner kann ein Aufschmelzen verbessert werden und insbesondere nur dort eine Teilschmelze erzeugt werden, wo sie zum Fügen benötigt wird. Das Verfahren kann energieeffizient ausgeführt werden.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Einwirkungspunkt der Fügekraft mittels eines walzenförmigen Fügewerkzeugs, vorzugsweise durch Abrollen einer mit der Fügekraft beaufschlagten Walze, zeitlich variiert wird. Hierdurch kann die Fügekraft exakt bestimmt und vorzugsweise gesteuert werden. Es wird ein abrollendes Schweißverfahren geschaffen. Diese Schweißmethode lässt sich auf vielerlei Art und Weise durchführen, zum Beispiel durch eine abrollende Bewegung des Kunststoffmaterials in Kombination mit einer Andruckkraft.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Fügen der beiden Werkstücke bis zu einer vordefinierten Tiefe erfolgt, wobei die vordefinierte Tiefe mittels Anlageflächen, an wenigstens einem der beiden Werkstücke eingerichtet wird. Beim Kunststoffschweißen ist es wichtig und notwendig, eine exakte Bauteildicke einzustellen. Liegt das genaue Maß in Richtung des Fügeweges, muss bisher eine weggesteuerte Messtechnik dafür sorgen, den Fügevorgang während des Schweißens genau in dem Moment anzuhalten, wenn das richtige Sollmaß erreicht wird. Diese Technik ist aufwendig und pflegeintensiv. Die Anlage- oder Anschlagflächen, die entweder im Werkstück eingebracht werden können und/oder im metallischen Fügepartner eingebracht werden, können technisch einfach und zuverlässig ein Sollmaß einstellen. Diese Flächen definieren das spätere Sollmaß der Werkstückdicke und werden beim Schweißprozess nicht mit aufgeschmolzen und bilden dadurch einen stabilen Anschlag.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Fügen ein zumindest teilweises Füllen eines Überlaufreservoirs an wenigstens einem der Werkstücke umfasst, um einen Überschuss an Teilschmelze aufzunehmen. Hierdurch kann auf eine exakte Bestimmung der Teilschmelze verzichtet werden. Es ist ein Puffer vorhanden. Der Fügeprozess kann technisch mit weniger Aufwand durchgeführt werden. Zudem ist der Fügeprozess weniger anfällig für wechselnde Umgebungsbedingungen. Es kann eine gleichbleibende Qualität gewährleistet werden. Es sind also Überlaufreservoirs vorgesehen, in die überflüssiger Kunststoff beim Schweißprozess hineinfließen kann. Diese Reservoirs sind insbesondere notwendig, wenn die Strukturtiefe im metallischen Gegenpartner beim Schweißprozess nicht so viel Kunststoff aufnehmen kann wie die erhabene Oberfläche des Kunststoffpartners während des Schweißens zur Verfügung stellt. Die Reservoirs nehmen überflüssigen Kunststoff auf, so dass er der Sollmaßerreichung nicht entgegenwirkt. In Überlaufreservoirs kann überflüssiger Kunststoff beim Schweißprozess hineinfließen. Diese Reservoirs sind insbesondere notwendig, wenn die Strukturtiefe im metallischen Gegenpartner beim Schweißprozess nicht so viel Kunststoff aufnehmen kann wie die erhabene Oberfläche des Kunststoffpartners während des Schweißens zur Verfügung stellt. Die Reservoirs nehmen überflüssigen Kunststoff auf, so dass er der Sollmaßerreichung nicht entgegenwirkt.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die vorgegebene Bahn geradlinig in einer Fügeebene verläuft. Die Fügeebene ist bevorzugt die Ebene, in der die Fügenaht liegt. Hierdurch kann ein Verdrängen der Luft verbessert erfolgen. Ferner kann das Ausüben der Fügekraft steuertechnisch einfach umgesetzt werden. Eine Fügevorrichtung hierfür kann einfach und damit kosteneffizient aufgebaut sein.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Erwärmen des ersten Werkstücks ein Erwärmen mittels transmissiver Erwärmung umfasst, wobei das zweite Werkstück absorptiv und/oder induktiv erwärmt wird, um eine Teilschmelze am ersten Werkstück zu generieren. Hierdurch kann die Erwärmung des Werkstücks und damit das Erzeugen einer Teilschmelze energieeffizient erfolgen. Ferner kann damit ein Abkühlungsprozess langsamer erfolgen und ein Verziehen der Schweißnaht beim Abkühlen verringert werden. Die Fügeverbindung wird stabiler.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Unter vordefinierter Tiefe ist insbesondere eine Differenz der Bauteilhöhen zu verstehen, die beim Fügen verringert wird. Insbesondere kann die Summe der Werkstückhöhen größer sein als eine Sollhöhe des gefügten Werkstücks.
Mit anderen Worten beschreibt die vordefinierte Tiefe, wie weit die Werkstücke sich beim Fügen durchdringen können.
Unter absorptiver Erwärmung ist insbesondere eine Erwärmung aufgrund von Energieabsorption im Material zu verstehen, die Energie kann dabei durch Strahlung wie Infrarot, oder allgemein elektromagnetischer Wellen und/oder durch Anblasen mit heißem Fluid und/oder durch Übertragung mittels Anlegen eines aufgewärmten Körpers erfolgen.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

1 eine erste Variante von zwei Werkstücken vor einem Fügeprozess;
2 eine Frontalansicht eines Werkstückausschnitts mit Riefen;
3a eine zweite Variante von zwei Werkstücken vor einem Fügeprozess;
3b einen beginnenden Fügeprozess der Werkstücke der 3a;
3c einen endenden Fügeprozess der Werkstücke der 3a;
4a eine dritte Variante von zwei Werkstücken vor einem Fügeprozess mit einem walzenförmigen Fügewerkzeug;
4b einen beginnenden Fügeprozess der Werkstücke der 4a;
4c einen endenden Fügeprozess der Werkstücke der 4a;
5a eine dritte Variante von zwei Werkstücken vor einem Fügeprozess mittels absorptivem Wärmereintrag;
5b einen ablaufenden Fügeprozess der Werkstücke der 5a;
5c einen beendeten Fügeprozess der Werkstücke der 5a;
6a einen beginnenden Fügeprozess einer ersten Variante zweier Werkstücke mit Anlageflächen;
6b einen endenden Fügeprozess der Werkstücke der 6a;
7a einen beginnenden Fügeprozess einer zweiten Variante zweier Werkstücke mit Anlageflächen;
7b einen endenden Fügeprozess der Werkstücke der 7a;
8a einen beginnenden Fügeprozess einer dritten Variante zweier Werkstücke mit Anlageflächen;
8b einen endenden Fügeprozess der Werkstücke der 8a;
9a eine perspektivische Ansicht einer vierten Variante von zwei Werkstücken vor einem Fügeprozess;
9b eine Frontansicht der Werkstücke der 9a vor einem Fügeprozess;
9c einen beginnenden Fügeprozess der Werkstücke der 9a; und
9d einen endenden Fügeprozess der Werkstücke der 9a.

1 zeigt schematisch eine erste Variante eines ersten Werkstücks 10 und eines zweiten Werkstücks 12 vor einem Fügeprozess. Das erste Werkstück 10 weist eine Erhöhung 14 auf, die dazu ausgebildet ist, aufgeschmolzen zu werden, um eine Teilschmelze zu bilden. Die Erhöhung 14 ist in einer Draufsicht dreieckig ausgebildet, wobei ein Schenkel des Dreiecks im Wesentlichen orthogonal zu einer Grundfläche des ersten Werkstücks 10 angeordnet ist und der zweite Schenkel des Dreiecks sich im Wesentlichen über die Länge einer Fügefläche erstreckt. Die Fügefläche ist die Fläche auf einem Werkstück, die zum Fügen an ein weiteres Werkstück vorgesehen ist. Das zweite Werkstück 12 weist Riefen 20 auf, die sich über die Fügefläche des zweiten Werkstücks 12 erstrecken. Ein Viereck 18 verdeutlicht einen Ausschnitt des zweiten Werkstücks 12, der in 2 gezeigt ist.
2 zeigt eine Frontalansicht auf das Viereck 18 der 1. Die Riefen 20 des zweiten Werkstücks 12 weisen eine aufgeraute, unregelmäßige Oberfläche auf. Hierdurch kann eine verbesserte Haltekraft durch die Fügeverbindung erreicht werden. Beim Fügen wird am ersten Werkstück 10 eine Teilschmelze erzeugt, die dann in die Riefen 20 des zweiten Werkstücks 12 eindringen kann und dort beim Abkühlen aushärtet, um eine feste Verbindung der zwei Werkstücke 10, 12 einzurichten. Durch die Dreiecksform der Erhöhung 14 des ersten Werkstücks 10, kann eine Art Walzeneffekt mittels der Teilschmelze beim Fügen erreicht werden, wobei durch eine Art Abrollen, der Teilschmelze, die Luft aus den Riefen 20 gedrückt wird. Es wird eine im Wesentlichen lufteinschlussfreie Fügenaht erreicht. Das erste Werkstück 10 ist dabei vorzugsweise zumindest im Bereich der Erhöhung 14 aus einem thermoplastischen Material ausgebildet. Das zweite Werkstück 12 ist vorzugsweise ein metallenes Werkstück.
3a zeigt eine zweite Variante von zwei Werkstücken 10, 12 vor einem Fügeprozess. Der Fügeprozess verläuft dabei im Wesentlichen analog zu dem in den 1 und 2 beschriebenen. Es soll lediglich auf die Unterschiede genauer eingegangen werden. Gleiche Bezugszeichen beziehen sich auf gleiche Merkmale und werden nicht erneut erläutert. Im Unterschied zu dem in den 1 und 2 gezeigten ersten Werkstück 10 ist die Erhöhung 14 in Draufsicht in Form eines gleichseitigen Dreiecks ausgebildet. Hierdurch kann der oben beschriebene Walzeneffekt beginnend von der Spitze des Dreiecks in zwei entgegengesetzten Richtungen verlaufen. Der Fügeprozess kann dadurch schneller ablaufen.
3b zeigt den beginnenden Fügeprozess der Werkstücke 10, 12 der 3a. In der gezeigten Situation berührt die Spitze der Erhöhung 14 die Fügefläche des zweiten Werkstücks 12, also den Teil des zweiten Werkstücks 12, der mit Riefen 20 versehen ist. Eine Fügekraft 22 ist durch Pfeile dargestellt.
3c zeigt einen endenden Fügeprozess der Werkstücke 10, 12 der 3a. Die Erhöhung 14 bildet eine Teilschmelze, die beispielsweise durch Erwärmen, durch Reibung oder ein anderes im Stand der Technik bekanntes Verfahren, wie beispielsweise Ultraschallschweißen erzeugt wurde. Die Teilschmelze rollt dabei, wie oben beschrieben, in die Riefen 20 ab. Dieser Walzeneffekt ist durch Pfeile 24 dargestellt. Dabei wird die Luft aus den Riefen 20, wie durch die Pfeile 26 dargestellt, verdrängt.
4a zeigt eine perspektivische Ansicht einer dritten Variante von zwei Werkstücken 10, 12 vor einem Fügeprozess mit einem walzenförmigen Fügewerkzeug 28. Dabei weist vorzugsweise das erste Werkstück 10 ebenfalls eine geringe Erhöhung auf. Das Ineinanderfügen beziehungsweise das Einbringen der Teilschmelze in die Riefen 20 des zweiten Werkstücks 12 erfolgt dabei durch kraftbeaufschlagtes Abrollen des walzenförmigen Fügewerkzeugs 28.
4b zeigt einen beginnenden Fügeprozess der Werkstücke 10, 12 der 4a. In dem gezeigten Beispiel ist das erste Werkstück 10 abgewinkelt ausgebildet und wird von dem walzenförmigen Fügewerkzeug 28 beim Fügen waagerecht abgerollt. Hierdurch kann der Fügevorgang weiter verbessert werden, insbesondere kann ein Krafteintrag in die Fügeverbindung beim Fügen durch diese Geometrie verbessert sein. Eine Teilschmelze 30 kann verbessert in die Riefen 20 des zweiten Werkstücks 12 eingebracht werden. Durch das Verwenden des walzenförmigen Fügewerkzeugs 28 kann der Walzeneffekt verstärkt werden.
4c zeigt einen endenden Fügeprozess der Werkstücke 10, 12 der 4a, die dargestellte Situation ist im Wesentlichen analog zu der in 3c gezeigten.
5a zeigt eine dritte Variante von zwei Werkstücken 10, 12 vor einem Fügeprozess mittels absorptivem Wärmeeintrag. Die Werkstücke 10, 12 sind dabei im Wesentlichen gleich zu dem in 3a gezeigten Beispiel ausgeführt. Das metallische zweite Werkstück 12 wird in diesem Beispiel induktiv erwärmt. Durch diese Erwärmung wird die Erhöhung 14 des ersten Werkstücks 10 beim Kontakt mit dem zweiten Werkstück 12 absorptiv erwärmt und teilweise angeschmolzen um eine Teilschmelze 30 zu bilden.
5b zeigt einen ablaufenden Fügeprozess der Werkstücke 10, 12 der 5a. Dieser verläuft im Wesentlichen wie oben bereits beschrieben, wobei durch einen Walzeneffekt die Luft aus den Riefen 20 des zweiten Werkstücks 12 verdrängt wird.
5c zeigt einen beendeten Fügeprozess der Werkstücke 10, 12 der 5a. Die in den Riefen 20 des zweiten Werkstücks 12 eingebrachte Teilschmelze 30 kann beim Abkühlen aushärten und eine feste Verbindung der beiden Werkstücke 10, 12 einrichten.
6a zeigt einen beginnenden Fügeprozess einer ersten Variante zweier Werkstücke 10, 12 mit Anlageflächen 32. Die Anlageflächen 32, die bisweilen auch als Anschlagflächen bezeichnet werden, können entweder im Kunststoff des ersten Werkstücks 10 eingebracht werden und/oder im metallischen Fügepartner, also im zweiten Werkstück 12 eingebracht werden. Diese Anlageflächen 32 definieren das spätere Sollmaß der Verbundwerkstückdicke und werden beim Fügen nicht mit aufgeschmolzen und bilden dadurch einen stabilen Anschlag. Die Erhöhung 14 des ersten Werkstücks 10 ist dabei analog zu der in 3a gezeigten Variante ausgebildet.
6b zeigt einen endenden Fügeprozess der Werkstücke 10, 12 der 6a. Die Anlagenflächen 32 der Werkstücke 10, 12 liegen aneinander. Das Sollmaß des geschaffenen Verbundwerkstücks ist folglich erreicht. Der Wärmeeintrag ist durch konzentrische geschlossene Linien dargestellt.
7a zeigt einen beginnenden Fügeprozess einer zweiten Variante zweier Werkstücke 10, 12 mit Anlageflächen 32. Im Unterschied zu der in den 6a und 6b gezeigten Variante weist das erste Werkstück 10 mehrere Erhebungen beziehungsweise Erhöhungen 14 auf, die jeweils einen Querschnitt in Form von gleichschenkligen Dreiecken aufweisen. Der Fügeprozess verläuft dabei wie oben beschrieben.
7b zeigt einen endenden Fügeprozess der Werkstücke 10, 12 der 7a. Die Anlagenflächen 32 der Werkstücke 10, 12 liegen aneinander. Das Sollmaß des geschaffenen Verbundwerkstücks ist folglich erreicht. Der Wärmeeintrag ist durch konzentrische geschlossene Linien dargestellt.
8a zeigt einen beginnenden Fügeprozess einer dritten Variante zweier Werkstücke 10, 12 mit Anlageflächen 32. Im Unterscheid zu der in den 6a und 6b gezeigten Variante weist das erste Werkstück 10 Überlaufreservoirs 34 auf, um einen beim Fügeprozess anfallenden Überschuss an Teilschmelze 30 aufnehmen zu können. Der Fügeprozess verläuft dabei wie oben beschrieben.
8b zeigt einen endenden Fügeprozess der Werkstücke 10, 12 der 8a. Die Anlagenflächen 32 der Werkstücke 10, 12 liegen aneinander. Das Sollmaß des geschaffenen Verbundwerkstücks ist folglich erreicht. Der Überschuss an Teilschmelze 30 ist dabei in den dafür vorgesehenen Überlaufreservoirs 34 aufgenommen. Der ursprüngliche Verlauf, also der Verlauf vor dem Fügen, der Erhöhung 14 ist gestrichelt dargestellt.
9a zeigt eine perspektivische Ansicht einer vierten Variante von zwei Werkstücken 10, 12 vor einem Fügeprozess. Im Unterschied zu den vorstehenden Ausführungsformen weist das zweite Werkstück 12 eine Erhöhung 14 auf, wobei das erste Werkstück 10 im Wesentlichen eben ist. Das erste Werkstück 10 ist vorzugsweise aus einem thermoplastischen Kunststoff gebildet. Das zweite Werkstück 12 ist vorzugsweise metallisch. Beim Fügen wird durch die Erhöhung 14 im zweiten Werkstück 12 ein Walzeneffekt erreicht, der dafür sorgt, dass Luft aus den in der Erhöhung 14 angeordneten Riefen 20 herausgedrückt wird.
9b zeigt eine Frontansicht der Werkstücke 10, 12 der 9a vor einem Fügeprozess. Eine Tiefe 36 der Riefen 20 im zweiten Werkstück 12 ist durch eine gestrichelte Linie dargestellt.
9c zeigt einen beginnenden Fügeprozess der Werkstücke 10, 12 der 9a. Eine Fügekraft 22 wird auf die Werkstücke 10, 12 ausgeübt, so dass die Werkstücke 10, 12 ineinander gedrückt werden. Dabei kann, wie oben beschrieben, eine Teilschmelze 30 erzeugt werden, die in die Riefen 20 des zweiten Werkstücks 12 gelangt. Die dabei entweichende Luft ist durch Pfeile 26 dargestellt.
9d zeigt einen endenden Fügeprozess der Werkstücke 10, 12 der 9a. Die Teilschmelze 30 ist in den Riefen 20 des zweiten Werkstücks 12 und kann beim Abkühlen erstarren, um eine feste Verbindung zwischen den beiden Werkstücken 10, 12 einzurichten. Das zweite Werkstück 12 ist dabei nicht verformt. Der Verlauf des zweiten Werkstücks 12 ist durch eine Doppellinie dargestellt.
Ein Fügeverfahren kann dabei vorzugsweise wie folgt durchgeführt werden:

In einem ersten Schritt wird das erste Werkstück 10 bis zu einer Schmelztemperatur erwärmt, um die Teilschmelze 30 an dem ersten Werkstück 10 zu erzeugen. In einem weiteren Schritt werden die Werkstücke 10, 12 mittels Ausüben einer Fügekraft 22 auf die beiden Werkstücke 10, 12 aneinander gefügt, um die Teilschmelze 30 des ersten Werkstücks 10 an und/oder in das zweite Werkstück 12 zumindest teilweise einzubringen. Ein Einwirkungspunkt der Fügekraft 22 wird zeitlich variiert, wobei der Einwirkungspunkt mit der Zeit entlang einer vorgegeben Bahn verläuft, um die beiden Werkstücke 10, 12 unter Verdrängung der zwischen den beiden Werkstücken 10, 12 befindlichen Luft aneinander zu fügen.

Die Erfindung wurde ausführlich beschrieben. Mit der offenbarten Lehre können insbesondere durch wenigstens eine Ausführungsform die folgenden Vorteile erreicht und/oder Probleme gelöst werden:

Insbesondere ist die vorliegende Erfindung von Interesse, wenn Bauteile wie Türen mit einer Kunststoffaußenhaut versehen werden sollen. Im bekannten Stand der Technik steht für diese Fügeverbindung nur das Kleben zur Verfügung. Dieses Fügeverfahren ist sehr aufwendig, da die zu fügenden Bauteile während des Aushärtens des Klebstoffes in Position gehalten werden müssen. Dazu ist für jedes Bauteil eine eigene Geometriespannvorrichtung notwendig. Durch den hier vorgeschlagenen Schweißprozess ist nur eine Geometrieschweißvorrichtung notwendig, die Bauteile haben zusätzlich eine absolut gleichbleibende Qualität und sind direkt nach dem Schweißen sofort fest zueinander fixiert ohne dass sie noch zusätzlich in Geometrie festgehalten werden müssen. Die Vorteile in der Fertigung wirken sich drastisch kostenmindernd aus bei gleichzeitig verbesserter Qualität.

Thermoplastischer Kunststoff unterliegt beim Abkühlen aus der schmelzflüssigen Phase, ebenso wie alle anderen Materialien, einer Volumenschrumpfung. Diese Schrumpfung führt auf empfindlichen Flächen, zum Beispiel sichtbaren Oberflächen zu Unstetigkeiten in der Anmutung. Es werden deutlich sichtbare Oberflächenverformungen wahrgenommen. Diese haben Ihren Ursprung in der Volumenschrumpfung im Schweißbereich der Kunststoff/MetallVerbindung. In einer vorgeschlagenen Ausführungsform wird ein relativ großer Bereich im Kunststoff aufgeschmolzen, um die Oberflächenstruktur mit Kunststoff zu füllen. In einer weiteren Ausführungsform werden nur sehr kleine Bereiche aufgeschmolzen, die für eine Fügeverbindung nötig sind. Weiterhin kann durch die richtige Auswahl einer Noppenhöhe und/oder Riefentiefe eine Sichtbarkeit der Volumenschrumpfung an empfindlichen Oberflächen entweder stark reduziert oder ganz verhindert werden.
Bezugszeichenliste

10: erstes Werkstück
12: zweites Werkstück
14: Erhöhung
18: Viereck
20: Riefen
22: Fügekraft
24: Pfeil (Walzeneffekt)
26: Pfeil (Luftverdrängung)
28: walzenförmiges Fügewerkzeug
30: Teilschmelze
32: Anlagefläche
34: Überlaufreservoir
36: Tiefe der Riefen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015120717 A1 [0005]

Claims

Verfahren zum Fügen eines ersten Werkstücks (10) an ein zweites Werkstück (12), mit den Schritten: - Erwärmen des ersten Werkstückes (10) bis zu einer Schmelztemperatur, um eine Teilschmelze (30) an dem ersten Werkstück (10) zu erzeugen; - Fügen der Werkstücke (10, 12) mittels Ausüben einer Fügekraft (22) auf die beiden Werkstücke (10, 12), um die Teilschmelze (30) des ersten Werkstücks (10) an und/oder in das zweite Werkstück (12) zumindest teilweise einzubringen; dadurch gekennzeichnet, dass - ein Einwirkungspunkt der Fügekraft (22) zeitlich variiert wird, wobei der Einwirkungspunkt mit der Zeit entlang einer vorgegeben Bahn verläuft, um die beiden Werkstücke (10, 12) unter Verdrängung der zwischen den beiden Werkstücken (10, 12) befindlichen Luft aneinander zu fügen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügen ein Fügen eines ersten Werkstücks (10) zumindest teilweise aus Kunststoff an ein zweites metallenes Werkstück (12) umfasst.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit dem Schritt: Einbringen von Vertiefungen, vorzugsweise in Form von Riefen (20) und/oder angerauten Flächen in das zweite Werkstück (12), vorzugsweise mittels eines Laser-Strahls.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen in Form von v-förmigen Riefen (20) und/oder Näpfen eingebracht werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einwirkungspunkt der Fügekraft (22) mittels einer entsprechenden Geometrie des ersten und/oder zweiten Werkstücks (10, 12), vorzugsweise in Form einer Erhöhung (14), zeitlich variiert wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einwirkungspunkt der Fügekraft (22) mittels eines walzenförmigen Fügewerkzeugs (28), vorzugsweise durch Abrollen einer mit der Fügekraft (22) beaufschlagten Walze, zeitlich variiert wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügen der beiden Werkstücke (10, 12) bis zu einer vordefinierten Tiefe erfolgt, wobei die vordefinierte Tiefe mittels Anlageflächen (32), an wenigstens einem der beiden Werkstücke (10, 12) eingerichtet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügen ein zumindest teilweises Füllen eines Überlaufreservoirs (34) an wenigstens einem der Werkstücke (10, 12) umfasst, um einen Überschuss an Teilschmelze (30) aufzunehmen.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebene Bahn geradlinig in einer Fügeebene verläuft.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Erwärmen des ersten Werkstücks (10) ein Erwärmen mittels transmissiver Erwärmung umfasst, wobei das zweite Werkstück (12) absorptiv und/oder induktiv erwärmt wird, um die Teilschmelze (30) am ersten Werkstück (10) zu generieren.