DE102019214107A1

DE102019214107A1 - Verfahren zur Herstellung von mehrteiligen Kraftfahrzeugteilen mittels Klebeverbindung

Info

Publication number: DE102019214107A1
Application number: DE102019214107.2A
Authority: DE
Inventors: Thomas Baranowski; Maik Broda; Pascal Rebmann; Markus FRANZEN
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2019-09-17
Filing date: 2019-09-17
Publication date: 2021-03-18

Abstract

Verfahren zur Herstellung von mehrteiligen Kraftfahrzeugteilen, bei dem mindestens zwei Teile des Kraftfahrzeugteiles über eine Klebeverbindung verbunden werden, wobei die Klebeverbindung aus einem extrudierten thermoplastischen Kunststoff besteht, der durch elektrisches Widerstandsheizen aufgeschmolzen wird, um die zwei Teile gezielt zu verbinden oder zu verschweißen, wozu in dem extrudierten thermoplastischen Kunststoff ein elektrisches Widerstandsheizelement in Gestalt von elektrisch leitenden Fasern eingebettet ist, das beim Verbinden der zwei Teile mit Strom beaufschlagt wird, um durch Widerstandswärme ein Aufschmelzen und somit Verbinden der zwei Teile zu erreichen, wobei das Widerstandsheizelement elektrisch mit mindestens einem Anschluss verbunden ist, um über den Anschluss das Widerstandsheizelement mit Strom zu beaufschlagen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von mehrteiligen Kraftfahrzeugteilen mittels Klebeverbindung nach Anspruch 1.
Aus der DE 31 25 393 A1 ist es bekannt, Kraftfahrzeugteile mittels Doppelklebeband zu verbinden, wobei als Klebemittel ein Wärmereaktionskleber verwendet wird.
Die DE 197 33 066 A1 offenbart ein Verfahren zur Befestigung einer Flachbandlamelle an einer Bauteiloberfläche, bei welchem die Flachbandlamelle mit einer Breitseite über eine in pastöser Konsistenz aufgetragene, aus einem Reaktionsharz bestehende, Klebeschicht gegen die Bauteiloberfläche gedrückt und die Klebeschicht unter Herstellung einer Klebeverbindung ausgehärtet wird, wobei zumindest durch einen Teil der Kohlenstofffasern unter Aufheizung der Flachbandlamelle ein elektrischer Strom hindurchgeleitet und dabei über die Flachbandlamelle die Klebeschicht aufgeheizt wird.
EP 2 697 506 B1 betrifft ein Windturbinenpropellerblatt in Zweischalenbauweise, wobei die Schalen durch ein aushärtbares Klebemittel in einer Kleberegion zwischen dem ersten und dem zweiten Schalenteil aneinandergeklebt sind und weiter ein Widerstandsheizmittel umfasst, das derart in thermischer Verbindung mit dem Klebemittel angeordnet ist, dass das Widerstandsheizmittel während des Zusammenbaus des Windkraftanlagenflügels Wärme zum Aushärten des aushärtbaren Klebemittels liefert.
Die Verbindung von Teilen mit Klebstoffen weist verschiedene Probleme auf. Vom Auftragen des Klebstoffs selbst bis hin zu den Aushärtungszeiten. Multimaterial-Verbindungselemente stellen zudem hohe Anforderungen an die Auswahl geeigneter Klebstoffsysteme und geeigneter Prozessparameter. Darüber hinaus müssen die individuellen mechanischen Eigenschaften der Materialien für vorhergehende Berechnungen und eine entsprechende Konstruktion berücksichtigt werden.
Demgegenüber besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren zur Herstellung von mehrteiligen Kraftfahrzeugteilen mittels Klebeverbindung bereitzustellen, die eine einfache Handhabung erlaubt und trotzdem gute Verbindungsergebnisse erzielt.
Diese Aufgabe wird durch das in Anspruch 1 wiedergegebene Verfahren gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung.
Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass, wenn zur Herstellung von mehrteiligen Kraftfahrzeugteilen, bei dem mindestens zwei Teile des Kraftfahrzeugteiles über eine Klebeverbindung verbunden werden, die Klebeverbindung aus einem extrudierten thermoplastischem Kunststoff besteht, der durch elektrisches Widerstandsheizen aufgeschmolzen wird, um die zwei Teile gezielt zu verbinden oder zu verschweißen, wozu in dem extrudierten thermoplastischen Kunststoff ein elektrisches Widerstandsheizelement in Gestalt von elektrisch leitenden Fasern eingebettet ist, das beim Verbinden der zwei Teile mit Strom beaufschlagt wird, um durch Widerstandswärme ein Aufschmelzen und somit Verbinden der zwei Teile zu erreichen, wobei das Widerstandsheizelement elektrisch mit mindestens einem Anschluss verbunden ist, um über den Anschluss das Widerstandsheizelement mit Strom zu beaufschlagen und es möglich ist, die Verklebung der Teile des Kraftfahrzeugteiles zu vereinfachen.
Zudem ist neben einer manuellen Verklebung auch eine vollständige Automatisierung möglich. Hinzukommt, dass die Klebeverbindung durch die eingebetteten Fasern verstärkt wird.
Die so hergestellte Klebeverbindung ist sogar wieder lösbar, z. B. zur Reparatur.
Mögliche thermoplastische Materialien sind Polyamid, Polypropylen, Polycarbonat, PC/ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer), PMMA (Polymethylmethacrylat) und PEEK (Polyetheretherketon).
In einer weiteren Variante kann die Matrix bzw. das thermoplastische Material auch mit elektrisch leitfähigen Füllstoffen, z. B. anorganischen Partikeln, Metallflocken, Kugeln, Fasern, usw. ausgestattet werden, so dass das Anlegen von Spannung vereinfacht wird, da nur noch mit der Matrix (und nicht mehr direkt mit den eingebetteten Fasern) Kontakt hergestellt werden muss, um die Spannung zu übertragen und die erforderliche Wärme zu erzeugen.
Bevorzugt ist der Einsatz von Fasern aus Kohlenstoff. Anstelle von Kohlenstofffasern können auch Metallfasern als leitfähige Elemente eingesetzt werden. Auch die Kombinationen unterschiedlicher Fasern ist denkbar.
Vorzugsweise wird der extrudierte thermoplastische Kunststoff mit elektrisch leitenden Fasern in eine an der Verbindungsstelle des einen Teils vorgesehenen (eingelassenen) Rille eingelegt. Somit ist die Applikation und deren Ort festgelegt bzw. vorbestimmt. Mit anderen Worten, die Rille ist in der Verbindungsfläche des einen Teils eingelassen.
Hinzu kommt die Möglichkeit, die Form bzw. den Querschnitt der Rille an unterschiedliche Formen und Anforderungen der Teile anzupassen. So kann beispielsweise der extrudierte thermoplastische Kunststoff mit elektrisch leitenden Fasern innerhalb der Rille fixiert werden, indem Hinterschnitte oder andere geeignete Formen ausgebildet werden, die formschlüssige Verbindungen ermöglichen.
Insbesondere ist die Rille an der Verbindungsstelle derart umlaufend ausgestaltet, dass die Verbindungsstelle mit ausreichend großer Klebeverbindung ausgeführt wird.
Im Gegensatz zu einer duroplastischen Lösung bietet die Verwendung einer thermoplastischen Matrix bzw. Kunststoffs mehrere Vorteile, wie z. B. eine quasi unbegrenzte Haltbarkeit bei gleichzeitig einfachen Lageranforderungen, eine einfache Handhabung durch nicht klebende Oberflächen und eine insgesamt verbesserte Prozessrobustheit, da die ausreichende Klebstoffmenge durch den Durchmesser gesteuert werden kann und das Vorhandensein von Klebstoff durch die speziell entwickelte Rille gewährleistet ist.
Darüber hinaus kann die Flexibilität des extrudierten thermoplastischen Kunststoffs (Einleger bzw. Kabel oder Tape) auch über seinen Durchmesser gesteuert werden, so dass sowohl scharfe Ecken mit kleinen Radien als auch große, ebene Flächen ausgestattet werden können.
Darüber hinaus kann durch den Einsatz von Heißluftpistolen oder Induktoren der extrudierte thermoplastische Kunststoff mit geringem Energieaufwand lokal erwärmt oder sogar geschmolzen werden, um die erforderliche Flexibilität in Bereichen zu gewährleisten, die aufgrund kleiner Radien schwer zu verarbeiten sind.
Der extrudierte thermoplastische Kunststoff mit elektrisch leitenden Fasern kann zur Prozessvereinfachung auf Spulen bereitgestellt werden.
Das Einlegen in die Rille kann manuell oder roboter-gestützt erfolgen.
Wird der extrudierte thermoplastische Kunststoff mit elektrisch leitenden Fasern roboter-gestützt in die Rille eingelegt, könnte der Roboter ebenfalls eine Extrusion des thermoplastischen Kunststoffs mit den elektrisch leitenden Fasern direkt lokal durchführen.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Spule mit einem Induktor auszustatten, so dass der abgewickelte Einleger direkt erwärmt wird und mit erhöhter Flexibilität und einer gewissen Klebrigkeit auf den Fügepartner aufgebracht werden kann, was die Anfangsbindung von Einleger und Teil verbessert (vgl. oben).
Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass es möglich ist, den Vorgang der Teileherstellung zu vereinfachen, die Verbindung reversibel auszugestalten und die Teile aus unterschiedlichsten Materialien zu verbinden bzw. zu verschweißen.
Mit anderen Worten, die Klebeverbindung (Einleger bzw. Kabel oder Tape) ist bei der Herstellung mit elektrischen Widerstandsheizelement ausgestaltet und bildet quasi ein drittes Verbindungsbauteil.
Zur Verbindung der zwei Teile müssen diese nur aufeinander aufgelegt werden, wobei die Klebeverbindung aus thermoplastischem Kunststoff mit den elektrisch leitenden Fasern „dazwischen“ liegt, Strom durch den Anschluss in das Widerstandsheizelement eingebracht werden, um den Thermoplast aufzuschmelzen, und die Abkühlung abgewartet werden. Somit können beide Teile einfach verbunden werden, was auch - soweit eine Stromquelle vorhanden ist - in Werkstätten, Produktionsanlagen oder auch bei Notfallreparaturen möglich wird. Alternativ kann auch zuerst die Klebeverbindung aus thermoplastischem Kunststoff mit den elektrisch leitenden Fasern in die Rille in den ersten Teil eingelegt und mittels Strom erwärmt werden und erst danach das zweite Teil aufgepresst werden.
Bevorzugt ist es, wenn der mindestens eine Anschluss mit elektrisch leitenden Elementen des Widerstandsheizelements bzw. Fasern über eine Nadelklemme verbunden wird. Dies erlaubt eine sichere, aber dennoch einfache Kontaktierung der elektrisch leitenden Elemente in dem Widerstandsheizelement zur späteren Beaufschlagung mit Strom.
Dazu kann die Nadelklemme zwei über ein Scharnier auf einander zu bewegliche Nadelbacken aufweisen, deren Nadeln aufeinander zu gerichtet sind. Die Nadelbacken klemmen also das Widerstandsheizelement (elektrisch leitende Fasern) zwischen sich ein, wobei die Nadeln in das Material eintauchen und die elektrisch leitenden Elemente selbst kontaktieren. Dies kann rein mechanisch und/oder durch ein gleichzeitiges Aufschmelzen des Materials des Widerstandsheizelements erfolgen.
Weitere Details der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung, in der

1 eine schematische Seitenansicht eines zweiteiligen Kraftfahrzeugteils bei dem die zwei Teile (Ansicht A) des Kraftfahrzeugteiles über eine Klebeverbindung verbunden werden (Ansicht B);
2 eine schematische Seitenansicht des unteren Teils aus 1 in der Draufsicht (Ansicht A) und Seitenansicht (Ansicht B);
3 eine schematische Detailansicht im Schnitt auf Ansicht B aus 2 im Bereich der Rille;
4 eine schematische Darstellung der Beaufschlagung des extrudierten thermoplastischen Kunststoffs mit elektrisch leitenden Fasern mit Spannung;
5 eine schematische Seitenansicht auf eine Spule, die den extrudierten thermoplastischen Kunststoff mit elektrisch leitenden Fasern in Gestalt eines endlosen Einlegebands trägt;
6 eine schematische Detailansicht im Schnitt analog zu 3 mit dem Ablauf der Verklebung; und
7 ein Flussdiagram des Ablaufs der Verklebung zeigen.

In der 1 ist eine schematische Seitenansicht eines zweiteiligen, als Ganzes mit 1 bezeichneten Kraftfahrzeugteils, das aus einem ersten oberen Teil 2 und einem unteren Teil 3 besteht, die über eine Klebeverbindung 4 miteinander verbunden werden gezeigt.
Die Klebeverbindung 4 besteht aus einem extrudierten thermoplastischen Kunststoff 4A, in den elektrisch leitende Fasern aus Kohlenstoff eingebettet sind.
Der extrudierte thermoplastische Kunststoff 4A ist dazu in einer Rille 5 eingelegt, die in der Verbindungfläche 6 des unteren Teils 3 eingelassen ist.
Der extrudierte thermoplastische Kunststoff 4A ist an einem Ende mit einem Anschluss 7 ausgestattet, über den Spannung 8 aufgebracht werden kann.
Durch die aufgebrachte Spannung 8 erhitzt sich der extrudierte thermoplastische Kunststoff 4A in der Rille 5, da die eingebetteten elektrisch leitenden Fasern 9 aus Kohlenstoff als Widerstandsheizung wirken.
Wie in 4 veranschaulicht, wird die Spannung 8 über den Anschluss 7 in die Fasern 9 im extrudierten thermoplastischem Kunststoff 4A eingebracht, wozu der Anschluss 7 die Fasern über eine Nadelklemme 10 kontaktiert.
Der extrudierte thermoplastische Kunststoff 4A mit den eingebetteten elektrisch leitenden Fasern 9 ist zur Prozessvereinfachung des Einlegens als endloses Band bzw. Einleger auf Spulen 11 bereitgestellt. Das Einlegen in die Rille 5 kann manuell oder roboter-gestützt erfolgen.
Anhand der 6 und 7 wird die Verklebung veranschaulicht.
Als erstes wird in dem unteren (ersten Teil) eine Rille 5 vorbereitet. Anschließend wird das Band aus thermoplastischem Kunststoff 4A mit den elektrisch leitenden Fasern von der Spule 11 abgerollt und in das untere Teil 3 in die Rille 5 eingelegt (Schritte 1 und 2 bzw. I und II).
Danach wird über den Anschluss 7 Spannung eingebracht, bis der thermoplastische Kunststoff 4A ausreichend aufgeweicht bzw. geschmolzen ist (Schritte 3 und 4 bzw. III).
Dann erst wird das zweite (obere) Teil 2 zugeführt und aufgepresst (Schritte 5 und 6 bzw. IV).
Abschließend wird zur Ausbildung der Klebeverbindung 4 bzw. des Ganzen Kraftfahrzeugteils 1 die Abkühlung abgewartet (Schritt 7 bzw. V).
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 3125393 A1 [0002]
DE 19733066 A1 [0003]
EP 2697506 B1 [0004]

Claims

Verfahren zur Herstellung von mehrteiligen Kraftfahrzeugteilen, bei dem mindestens zwei Teile des Kraftfahrzeugteiles über eine Klebeverbindung verbunden werden, wobei die Klebeverbindung aus einem extrudierten thermoplastischen Kunststoff besteht, der durch elektrisches Widerstandsheizen aufgeschmolzen wird, um die zwei Teile gezielt zu verbinden oder zu verschweißen, wozu in dem extrudierten thermoplastischen Kunststoff ein elektrisches Widerstandsheizelement in Gestalt von elektrisch leitenden Fasern eingebettet ist, das beim Verbinden der zwei Teile mit Strom beaufschlagt wird, um durch Widerstandswärme ein Aufschmelzen und somit Verbinden der zwei Teile zu erreichen, wobei das Widerstandsheizelement elektrisch mit mindestens einem Anschluss verbunden ist, um über den Anschluss das Widerstandsheizelement mit Strom zu beaufschlagen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der extrudierte thermoplastische Kunststoff mit elektrisch leitenden Fasern in eine an der Verbindungsstelle des einen Teils vorgesehene Rille eingelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rille an der Verbindungsstelle derart umlaufend ausgestaltet ist, dass die Verbindungsstelle mit ausreichend großer Klebeverbindung ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Anschluss mit elektrisch leitenden Elementen des Widerstandsheizelements über eine Nadelklemme verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Nadelklemme zwei über ein Scharnier aufeinander zu bewegliche Nadelbacken aufweist, deren Nadeln aufeinander zu gerichtet sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, der extrudierte thermoplastische Kunststoff mit elektrisch leitenden Fasern auf Spulen bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der extrudierte thermoplastische Kunststoff mit elektrisch leitenden Fasern manuell oder roboter-gestützt in die Rille eingelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der extrudierte thermoplastische Kunststoff mit elektrisch leitenden Fasern roboter-gestützt in die Rille eingelegt wird, wobei der Roboter die Extrusion durchführt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der extrudierte thermoplastische Kunststoff mit elektrisch leitenden Fasern beim Einlegen erwärmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule über einen Induktor den extrudierten thermoplastischen Kunststoff mit elektrisch leitenden Fasern beim Einlegen direkt erwärmt.