DE102021108092A1

DE102021108092A1 - Druckwerkzeug, Pressvorrichtung und Verfahren zum Schweißen von Kunststoffbauteilen

Info

Publication number: DE102021108092A1
Application number: DE102021108092.4A
Authority: DE
Inventors: Stefan Jarka; Manuel Endraß; Alexander Sänger; Ralph Männich
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV; Premium Aerotec GmbH
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV; Premium Aerotec GmbH
Priority date: 2021-03-30
Filing date: 2021-03-30
Publication date: 2022-10-06
Also published as: EP4313560A1; WO2022207751A1

Abstract

Druckwerkzeug (203, 208) zum Aufbringen einer Druckkraft beim Schweißen von Kunststoffbauteilen (200, 202), das Druckwerkzeug (203, 208) aufweisend wenigstens einen metallischen ersten Bauteilkontaktabschnitt (214, 216), wobei das Druckwerkzeug (203, 208) wenigstens einen elastisch verformbaren zweiten Bauteilkontaktabschnitt (218, 220) aufweist und thermisch kontrollierbar ist, Pressvorrichtung (204) mit wenigstens einem derartigen Druckwerkzeug (203, 208) zum Zusammenpressen von Kunststoffbauteilen (200, 202) beim Schweißen, Verfahren zum Schweißen von Kunststoffbauteilen (200, 202), wobei das Verfahren mithilfe einer derartigen Pressvorrichtung (204) durchgeführt wird, und Kunststoffmodul mit wenigstens zwei miteinander verschweißten Kunststoffbauteilen (200, 202), wobei die wenigstens zwei Kunststoffbauteile (200, 202) gemäß einem derartigen Verfahren verschweißt sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Druckwerkzeug zum Aufbringen einer Druckkraft beim Schweißen von Kunststoffbauteilen, das Druckwerkzeug aufweisend wenigstens einen metallischen ersten Bauteilkontaktabschnitt. Außerdem betrifft die Erfindung eine Pressvorrichtung zum Zusammenpressen von Kunststoffbauteilen beim Schweißen. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Schweißen von Kunststoffbauteilen. Außerdem betrifft die Erfindung ein Kunststoffmodul mit wenigstens zwei miteinander verschweißten Kunststoffbauteilen.
Das Dokument DE 10 2009 047 671 A1 beschreibt, dass Verbundlaminate anfällig für Schäden sind, die in einer Ebene entstehen, wie zum Beispiel Delamination, und gibt ein verbessertes Verfahren zum Anbinden eines Faserverbundbauteils an ein Strukturbauteil an mit den Schritten: Bereitstellen einer Metallfolie als Querverstärkungselement zwischen dem Faserverbundbauteil und dem Strukturbauteil; Ausbilden der Metallfolie mit mindestens einem Verankerungsabschnitt, welcher von der dem Faserverbundbauteil zugewandten Oberfläche vorsteht; und Einfügen der Metallfolie zwischen das Faserverbundbauteil und dem Strukturbauteil.
Die am 28.04.2020 angemeldete deutsche Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 10 2020 111 497.4 betrifft ein Verfahren zum Vorbehandeln einer Fügekontaktfläche eines laminierten Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteils, um das Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteil nachfolgend mit einem weiteren Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteil stoffschlüssig zu verbinden, wobei das Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteil ein Matrixmaterial und in dem Matrixmaterial eingebettete Verstärkungsfasern aufweist. Mit dieser Patentanmeldung wird vorgeschlagen, die Fügekontaktfläche durch Aufbringen eines mit dem Matrixmaterial kompatiblen Füllwerkstoffs zu planieren, sodass die Verbindung zwischen den Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteilen verbessert wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Druckwerkzeug strukturell und/oder funktionell zu verbessern. Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine eingangs genannte Pressvorrichtung strukturell und/oder funktionell zu verbessern. Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Verfahren zu verbessern. Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Kunststoffmodul strukturell und/oder funktionell zu verbessern.
Die Aufgabe wird gelöst mit einem Druckwerkzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Außerdem wird die Aufgabe gelöst mit einer Pressvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7. Außerdem wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Außerdem wird die Aufgabe gelöst mit einem Kunststoffmodul mit den Merkmalen des Anspruchs 15. Vorteilhafte Ausführungen und/oder Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Das Druckwerkzeug kann mithilfe eines Roboters verwendbar sein. Das Druckwerkzeug kann als Effektor für einen Roboter ausgeführt sein. Das Druckwerkzeug kann einen Anschlussabschnitt aufweisen. Der Anschlussabschnitt kann wenigstens einen mechanischen Anschluss, wenigstens einen elektrischen Leistungsanschluss und/oder wenigstens einen elektrischen Signalanschluss aufweisen. Das Druckwerkzeug kann eine plattenartige, quaderartige und/oder leistenartige Form aufweisen. Das Druckwerkzeug kann eine sich entlang einer Längsachse erstreckende Länge, eine sich entlang einer Quersachse erstreckende Breite und eine sich entlang einer Hochachse erstreckende Höhe aufweisen. Die Längsachse kann auch als x-Achse, die Quersachse kann auch als y-Achse und die Hochachse kann auch als z-Achse bezeichnet werden. Die Längsachse, die Quersachse und die Hochachse können zueinander rechtwinklig angeordnet sein. Das Druckwerkzeug kann zum Aufbringen einer Druckkraft in Erstreckungsrichtung der z-Achse dienen. Das Druckwerkzeug kann zum Aufbringen einer Druckkraft auf Kunststoffbauteile dienen. Eine Druckkraft kann mithilfe einer Pressvorrichtung und/oder mithilfe eines Roboters aufbringbar sein. Das Druckwerkzeug kann in Erstreckungsrichtung der z-Achse eine Arbeitsseite und eine Rückseite aufweisen.
Der wenigstens eine erste Bauteilkontaktabschnitt kann an der Arbeitsseite angeordnet sein. Der wenigstens eine erste Bauteilkontaktabschnitt kann sich im Wesentlichen in einer durch die x-Achse und die y-Achse aufgespannten oder in einer zur x-Achse und zur y-Achse parallelen Ebene erstrecken. Der wenigstens eine erste Bauteilkontaktabschnitt kann als ebene Fläche ausgeführt sein oder eine ebene Fläche aufweisen. Der wenigstens eine erste Bauteilkontaktabschnitt kann als einfach oder mehrfach gekrümmte Fläche ausgeführt sein oder eine einfach oder mehrfach gekrümmte Fläche aufweisen. Der wenigstens eine erste Bauteilkontaktabschnitt kann als Formfläche ausgeführt sein oder eine Formfläche aufweisen. Der wenigstens eine erste Bauteilkontaktabschnitt kann aus einer Metalllegierung hergestellt sein. Der wenigstens eine erste Bauteilkontaktabschnitt kann aus einer Metalllegierung mit besonderer Invarianz einer Dehnung bezüglich einer Temperaturänderung hergestellt sein. Der wenigstens eine erste Bauteilkontaktabschnitt kann aus einer Eisen-Nickel-Legierung hergestellt sein. Der wenigstens eine erste Bauteilkontaktabschnitt kann aus einer Legierung mit einem Masseanteil Eisen ca. 64 % und einem Masseanteil ca. Nickel 36 % hergestellt sein. Der wenigstens eine erste Bauteilkontaktabschnitt kann aus einer Legierung mit der Werkstoffnummer 1.3912 hergestellt sein.
Der wenigstens eine zweite Bauteilkontaktabschnitt kann an der Arbeitsseite angeordnet sein. Der wenigstens eine zweite Bauteilkontaktabschnitt kann sich im Wesentlichen in einer durch die x-Achse und die y-Achse aufgespannten oder in einer zur x-Achse und zur y-Achse parallelen Ebene erstrecken. Der wenigstens eine zweite Bauteilkontaktabschnitt kann eine strangartige, wulstartige, dichtungsartige, profilartige und/oder schlauchartige Form aufweisen. Der wenigstens eine zweite Bauteilkontaktabschnitt kann mithilfe eines strangartigen, wulstartigen, dichtungsartigen, profilartigen und/oder schlauchartigen Elements gebildet sein. Der wenigstens eine zweite Bauteilkontaktabschnitt kann hitzebeständig sein. Der wenigstens eine zweite Bauteilkontaktabschnitt kann bis zu einer Temperatur oberhalb eines Fließtemperaturbereichs eines spezifischen Thermoplasts hitzebeständig sein. Der wenigstens eine zweite Bauteilkontaktabschnitt kann bis zu einer Temperatur von ca. 100°C, bis zu einer Temperatur von ca. 150°C, bis zu einer Temperatur von ca. 200°C, bis zu einer Temperatur von ca. 250°C und/oder bis zu einer Temperatur von ca. 300° hitzebeständig sein. Der wenigstens eine zweite Bauteilkontaktabschnitt kann aus einem Elastomer hergestellt sein. Der wenigstens eine zweite Bauteilkontaktabschnitt kann aus einem Silikonkautschuk oder Silikonelastomer hergestellt sein. Der wenigstens eine zweite Bauteilkontaktabschnitt kann aus einem hochtemperaturvernetzenden Silikonkautschuk hergestellt sein. Der wenigstens eine zweite Bauteilkontaktabschnitt kann eine thermische Folienisolierung aufweisen.
„Thermisch kontrollierbar“ bedeutet vorliegend insbesondere, dass das eine Temperatur des Druckwerkzeug, insbesondere eine Temperatur des ersten Bauteilkontaktabschnitts, steuerungstechnisch und/oder regelungstechnisch kontrollierbar ist.
Der wenigstens eine erste Bauteilkontaktabschnitt und der wenigstens eine zweite Bauteilkontaktabschnitt können entlang einer Grenzlinie aneinander angrenzend angeordnet sein. Die Grenzlinie kann in einer durch die x-Achse und die y-Achse aufgespannten oder in einer zur x-Achse und zur y-Achse parallelen Ebene verlaufen. Die Grenzlinie kann zumindest abschnittsweise gerade sein. Die Grenzlinie kann zumindest abschnittsweise einfach oder mehrfach gekrümmt sein. Die Grenzlinie kann im Wesentlichen in Erstreckungsrichtung der Längsachse verlaufen.
Das Druckwerkzeug kann einen Randabschnitt aufweisen. Der Randabschnitt kann an der Arbeitsseite angeordnet sein. Der Randabschnitt kann ein Randabschnitt in einer durch die x-Achse und die y-Achse aufgespannten oder in einer zur x-Achse und zur y-Achse parallelen Ebene sein. Der wenigstens eine zweite Bauteilkontaktabschnitt kann an dem Randabschnitt angeordnet sein.
Das Druckwerkzeug kann mit dem wenigstens einen ersten Bauteilkontaktabschnitt strukturell integriert ausgebildet sein. Das Druckwerkzeug kann mit dem wenigstens einen ersten Bauteilkontaktabschnitt stoffschlüssig einteilig ausgebildet sein. Das Druckwerkzeug und der wenigstens eine erste Bauteilkontaktabschnitt können gemeinsam hergestellt sein. Das Druckwerkzeug und der wenigstens eine erste Bauteilkontaktabschnitt können aus demselben Werkstoff hergestellt sein.
Das Druckwerkzeug kann wenigstens einen gegenüber dem wenigstens einen ersten Bauteilkontaktabschnitt zurückgesetzten Aufnahmeabschnitt aufweisen. Der wenigstens eine Aufnahmeabschnitt kann in Erstreckungsrichtung der z-Achse zurückgesetzt sein. Der wenigstens eine Aufnahmeabschnitt kann eine nutartige, kanalartige und/oder stufenartige Form aufweisen. Der wenigstens eine Aufnahmeabschnitt kann in Erstreckungsrichtung der x-Achse verlaufen. Der wenigstens eine Aufnahmeabschnitt kann in einer durch die y-Achse und die z-Achse aufgespannten Ebene einen nutartigen, kanalartigen, stufenartigen und/oder rechteckigen Querschnitt aufweisen.
Der wenigstens eine zweite Bauteilkontaktabschnitt kann an dem wenigstens einen Aufnahmeabschnitt aufgenommen sein. Der wenigstens eine zweite Bauteilkontaktabschnitt kann an dem wenigstens einen Aufnahmeabschnitt mit dem Druckwerkzeug formschlüssig, kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig fest verbunden sein. Der wenigstens eine zweite Bauteilkontaktabschnitt kann in einem unverformten Zustand gegenüber dem wenigstens einen ersten Bauteilkontaktabschnitt überstehen. Der wenigstens eine zweite Bauteilkontaktabschnitt kann in einem unverformten Zustand in Erstreckungsrichtung der z-Achse über den wenigstens einen ersten Bauteilkontaktabschnitt überstehen. Der wenigstens eine zweite Bauteilkontaktabschnitt kann unter Druckbelastung in den Aufnahmeabschnitt verformbar sein. Der wenigstens eine zweite Bauteilkontaktabschnitt kann unter Druckbelastung in Erstreckungsrichtung der z-Achse gegenüber dem wenigstens einen ersten Bauteilkontaktabschnitt zurückgesetzt verformbar sein.
Das Druckwerkzeug kann wenigstens eine Heiz- und/oder Kühlvorrichtung und/oder wenigstens einen Temperatursensor aufweisen. Die wenigstens eine Heiz- und/oder Kühlvorrichtung kann wenigstens ein elektrisches Heiz- und/oder Kühlelement aufweisen. Mithilfe der wenigstens einen Heiz- und/oder Kühlvorrichtung kann das Druckwerkzeug, insbesondere der wenigstens eine ersten Bauteilkontaktabschnitt, temperierbar sein. Mithilfe des wenigstens einen Temperatursensors kann eine Temperatur des Druckwerkzeugs, insbesondere des wenigstens eine ersten Bauteilkontaktabschnitts, erfassbar sein.
Die Pressvorrichtung kann mithilfe eines Roboters verwendbar sein. Die Pressvorrichtung kann als Effektor für einen Roboter ausgeführt sein. Die Pressvorrichtung kann ein erstes Druckwerkzeug und ein zweites Druckwerkzeug aufweisen. Die Pressvorrichtung kann einen Anschlussabschnitt aufweisen. Der Anschlussabschnitt kann wenigstens einen mechanischen Anschluss, wenigstens einen elektrischen, pneumatischen oder hydraulischen Leistungsanschluss und/oder wenigstens einen elektrischen Signalanschluss aufweisen. Die Pressvorrichtung kann wenigstens eine Werkzeugaufnahme für ein Druckwerkzeug aufweisen. Die Pressvorrichtung kann wenigstens einen Aktuator aufweisen. Der wenigstens eine Aktuator kann zum Verlagern des wenigstens einen Druckwerkzeugs relativ zu einem Anschlussabschnitt der Pressvorrichtung und/oder relativ zu wenigstens einem weiteren Druckwerkzeug dienen. Der wenigstens eine Aktuator kann zum Aufbringen einer Druckkraft dienen. Der wenigstens eine Aktuator kann ein mechanischer, elektrischer, pneumatischer und/oder hydraulischer Aktuator sein. Die Pressvorrichtung kann wenigstens eine thermische Isolierung aufweisen. Die wenigstens eine thermische Isolierung kann zum Isolieren des wenigstens einen Druckwerkzeugs, des Aktuators und/oder gegenüber einer Aufstandsfläche dienen.
Die Pressvorrichtung kann eine Kontrolleinrichtung aufweisen. Die Kontrolleinrichtung kann zum steuerungstechnischen und/oder regelungstechnischen Kontrollieren dienen. Die Kontrolleinrichtung kann eine elektrische Kontrolleinrichtung sein. Die Kontrolleinrichtung kann einen Prozessor, einen Arbeitsspeicher, einen Datenspeicher, wenigstens einen Signaleingang und/oder wenigstens einen Signalausgang aufweisen. Die Kontrolleinrichtung kann programmierbar sein. Mithilfe der Kontrolleinrichtung kann das wenigstens eine Druckwerkzeug, der Aktuator und/oder wenigstens ein elektrisches Widerstandsschweißelements kontrollierbar sein. Die Kontrolleinrichtung kann zum Kontrollieren einer Druckkraft, insbesondere eines Druckkraftverlaufs dienen. Die Kontrolleinrichtung kann zum Kontrollieren einer Temperatur, insbesondere eines Temperaturverlaufs, dienen. Die Kontrolleinrichtung kann zum Überwachen und/oder Dokumentieren eines Schweißens dienen.
Das Verfahren kann ein elektrisches Widerstandsschweißverfahren sein. Das Verfahren kann ein Pressschweißverfahren sein. Das Verfahren kann ein Kunststoffschweißverfahren sein. Das Verfahren kann zum Schweißen von Längsnähten, zum Schweißen von Umfangsnähen an Flugzeugen, zum Schweißen von Längsversteifungsstrukturen, wie Stringerprofilen in ein Hautfeld, zum Schweißen von Türversteifungsstrukturen an ein Hautfeld und/oder zum Schweißen von Überlappverbindungen und Stumpfstößen durchgeführt werden.
Im Rahmen des Verfahrens können folgende Schritte ausgeführt werden: Anordnen eines ersten und eines zweiten miteinander zu verschweißenden Kunststoffbauteils, sodass ein Fügeabschnitt gebildet wird, dabei Einlegen wenigstens eines elektrischen Widerstandsschweißelements zwischen gemeinsamen Fügekontaktflächen der Kunststoffbauteile; Zusammenpressen der Kunststoffbauteile mithilfe der Pressvorrichtung; Plastifizieren der Kunststoffbauteile an den Fügekontaktflächen mithilfe des wenigstens einen Widerstandsschweißelements, um eine Schweißverbindung herzustellen; Verfestigen der Schweißverbindung; Entfernen der Pressvorrichtung. Diese Schritte können in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werde. Diese Schritte können zumindest teilweise einander einfach oder mehrfach überschneidend durchgeführt werde. Zwischen diesen können andere/weitere Schritte durchgeführt werden. Vor diesen Schritten und/oder nach diesen Schritten können andere/weitere Schritte durchgeführt werden.
Die Kunststoffbauteile können einen thermoplastischen Kunststoff aufweisen. Die Kunststoffbauteile können Verstärkungsfasern aufweisen. Die Verstärkungsfasern können in den Kunststoff eingebettet sein. Der Kunststoff kann als Matrixmaterial die Verstärkungsfasern umgeben. Die Verstärkungsfasern können durch adhäsive Wechselwirkungen an das Matrixmaterial gebunden sein. Die Kunststoffbauteile können Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile sein. Die Kunststoffbauteile können ein richtungsabhängiges Elastizitätsverhalten aufweisen. 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 Kunststoffbauteile können Versteifungsteile sein. Die Kunststoffbauteile können Stringerprofile sein. Die Kunststoffbauteile können Teile eines Hautfelds sein.
Die Kunststoffbauteile 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. Das Matrixmaterial kann Polyetheretherketon (PEEK), Polyphenylensulfid (PPS), Polysulfon (PSU), Polyetherimid (PEI) und/oder Polytetrafluorethylen (PTFE) aufweisen.
Die Kunststoffbauteile können elektrisch leitend oder elektrisch isolierend 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. Einander zugeordnete Fügekontaktflächen miteinander zu verschweißender oder verschweißter Kunststoffbauteile können als gemeinsame Fügekontaktflächen bezeichnet werden. Gemeinsame Fügekontaktflächen können in einfacher Überlappung, in einfacher Laschung oder im Stupfstoß angeordnet werden/sein.
Durch Anordnen gemeinsamer Fügekontaktflächen aneinander können/kann wenigstens eine Fügefläche und/oder wenigstens ein Fügeabschnitt gebildet werden/sein. Die wenigstens eine Fügefläche kann eben sein. Die wenigstens eine Fügefläche kann einfach oder mehrfach gekrümmt sein. Die wenigstens eine Fügefläche kann sich in einer Längsrichtung und in einer Querrichtung erstrecken. Der wenigstens eine Fügeabschnitt kann in Längsrichtung und in Querrichtung begrenzt sein. Der wenigstens eine Fügeabschnitt kann durch eine Bauteilkante eines Kunststoffbauteils begrenzt sein. Die Längsrichtung kann in Erstreckungsrichtung einer x-Achse verlaufen. Die Querrichtung kann in Erstreckungsrichtung einer y-Achse verlaufen. Die Kunststoffbauteile können an ihren gemeinsamen Fügekontaktflächen in einer Fügerichtung gefügt werden. Die Fügerichtung kann in Erstreckungsrichtung einer z-Achse verlaufen. Die x-Achse, die y-Achse und die z-Achse können zueinander rechtwinklig angeordnet sein.
Das wenigstens eine Widerstandsschweißelement kann als Widerstandsheizschicht ausgebildet sein. Das wenigstens eine Widerstandsschweißelement kann dazu dienen, die Kunststoffbauteile an gemeinsamen Fügekontaktflächen zu plastifizieren, um die Kunststoffbauteile miteinander stoffschlüssig zu verbinden. Das wenigstens eine Widerstandsschweißelement kann ein elektrisches Leitermaterial aufweisen. Das elektrische Leitermaterial kann als Halbzeug vorliegen. Das elektrische Leitermaterial kann konfektionierbar oder konfektioniert sein. Das elektrische Leitermaterial kann einen relativ hohen spezifischen elektrischen Widerstand und/oder eine relativ geringe Neigung zur Oxidation aufweisen. Das elektrische Leitermaterial kann dazu dienen, elektrische Leistung in Wärme umzuwandeln. Das elektrische Leitermaterial kann aus einem Metall und/oder aus Kohlenstoff hergestellt sein. Das elektrische Leitermaterial kann zumindest abschnittsweise für plastifizierten Kunststoff durchlässig sein. Das elektrische Leitermaterial kann Öffnungen aufweisen. Das elektrische Leitermaterial kann gitterartig oder gewebeartig ausgeführt sein. Das elektrische Leitermaterial kann aus Drähten und/oder Fasern hergestellt sein. Das wenigstens eine Widerstandsschweißelement kann wenigstens einen elektrischen Kontaktabschnitt aufweisen. Der wenigstens eine elektrische Kontaktabschnitt kann mithilfe von Elektroden elektrisch kontaktierbar sein. Der wenigstens eine elektrische Kontaktabschnitt kann außerhalb des Fügeabschnitts angeordnet sein.
Das wenigstens eine Widerstandsschweißelement kann zwischen gemeinsamen Fügekontaktflächen der Kunststoffbauteile über den Fügeabschnitt hinausragend und/oder in wenigstens einen an den Fügeabschnitt angrenzenden Fügezonenrandabschnitt hineinragend eingelegt werden/sein. Der wenigstens eine Fügezonenrandabschnitt kann unmittelbar an den Fügeabschnitt angrenzen. Der wenigstens eine Fügezonenrandabschnitt und der Fügeabschnitt können durch eine Bauteilkante eines Kunststoffbauteils voneinander abgegrenzt sein. Der wenigstens eine Fügezonenrandabschnitt kann sich ausgehend von dem Fügeabschnitt in ein Kunststoffbauteil erstrecken. Der wenigstens eine Fügezonenrandabschnitt kann sich entlang des Fügeabschnitts erstrecken. Der wenigstens eine Fügezonenrandabschnitt kann sich in einer Längsrichtung und in einer Querrichtung erstrecken. Die Längsrichtung des wenigstens einen Fügezonenrandabschnitts kann entlang des Fügeabschnitts verlaufen. Die Querrichtung kann ausgehend von dem Fügeabschnitt senkrecht in ein Kunststoffbauteil verlaufen. Der wenigstens eine Fügezonenrandabschnitt kann sich in Erstreckungsrichtung der x-Achse und/oder in Erstreckungsrichtung der y-Achse erstrecken.
Zwischen dem wenigstens einen Widerstandsschweißelement und einem Kunststoffbauteil kann eine elektrische Isolierung angeordnet werden/sein. Die elektrische Isolierung kann eine vorgegebene Mindestwärmebeständigkeit aufweisen. Die elektrische Isolierung kann bis zu einer Temperatur von ca. 100°C, bis zu einer Temperatur von ca. 150°C, bis zu einer Temperatur von ca. 200°C, bis zu einer Temperatur von ca. 250°C und/oder bis zu einer Temperatur von ca. 300° wärmebeständig sein. Die elektrische Isolierung kann eine Folie sein. Die elektrische Isolierung kann selbstklebend sein. Die elektrische Isolierung kann aus Polyimid hergestellt sein.
Zum Zusammenpressen der Kunststoffbauteile kann das wenigstens eine Druckwerkzeug mit seinem ersten Bauteilkontaktabschnitt an dem Fügeabschnitt und mit seinem zweiten Bauteilkontaktabschnitt an dem wenigstens einen Fügezonenrandabschnitt angelegt werden/sein. Zum Zusammenpressen der Kunststoffbauteile kann das wenigstens eine Druckwerkzeug mit seiner Grenzlinie zumindest annähernd an einer Grenze zwischen dem Fügeabschnitt und dem wenigstens einen Fügezonenrandabschnitt angelegt werden/sein.
Die Kunststoffbauteile können nach dem Anordnen der Kunststoffbauteil und Bilden des Fügeabschnitts mit Einlegen des wenigstens eines elektrischen Widerstandsschweißelements zusammengepresst werden. Die Kunststoffbauteile können während dem Plastifizieren der Kunststoffbauteile an den Fügekontaktflächen und Herstellen der Schweißverbindung zusammengepresst werden. Die Kunststoffbauteile können während dem Verfestigen der Schweißverbindung zusammengepresst werden. Während dem Zusammenpressen können/kann eine Druckkraft, insbesondere ein Druckkraftverlauf, und/oder eine Temperatur, insbesondere ein Temperaturverlauf, des wenigstens einen Druckwerkzeugs kontrolliert werden.
Die Druckkraft, insbesondere der Druckkraftverlauf, und/oder die Temperatur, insbesondere der Temperaturverlauf, des wenigstens einen Druckwerkzeugs und eine Temperatur, insbesondere ein Temperaturverlauf, und/oder eine elektrische Beaufschlagung, insbesondere ein Beaufschlagungsverlauf, des wenigstens einen Widerstandsschweißelements können aufeinander abgestimmt kontrolliert werden.
Während dem Durchführen des Verfahrens können Informationen über die Druckkraft, insbesondere über den Druckkraftverlauf, und/oder über die Temperatur, insbesondere über den Temperaturverlauf, erfasst, überwacht, dokumentiert und/oder gespeichert werden.
Zusammenfassend und mit anderen Worten dargestellt ergibt sich somit durch die Erfindung unter anderem eine Druckwerkzeug-Vorrichtung für das elektrische Widerstandsschweißen. Eine Fügeverbindung bei anwendungsorientierten Bauteilmaßstäben und -geometrien kann durch Einsatz der Druckwerkzeug-Vorrichtung, die eine Kombination von Metall, vorzugsweise Invar, einen hitzebeständigen Einleger, etwa aus Silikon und Folienisolierung, sowie eine integrierte elektrische Heizung und mehrere Thermofühler-Einheiten aufweist, sowie eine passende Prozessführung gelöst werden.
Die Druckwerkzeug-Vorrichtung kann folgende Merkmale aufweisen: Zweiteilige (über und unter einer Fügezone), metallische Druckwerkzeuge mit Halbzeug-Oberfläche-folgenden, seitlich offenen Kontaktflächen zur flächig gleichmäßigen Übertragung von prozessseitig einstellbaren, in der Regel pneumatisch erzeugten Druckkräfte (Schweiß- und Kühldruck); Zu einem jeweils offenen Rand einer Schweißzonen (bei für Laminaten typischen Single-Lap-Verbindungen oben auf der einen Seite und unten auf der anderen Seite) und mit dem seitlich bündig oder wenige Millimeter überstehenden Schweißelement abschließende, flexibel ausgelegte Druckzone unter Verwendung eines flexiblen Druck-Einlegers (etwa wärmebeständiges Silikon) zur Ausprägung eines definierten Randbereichs, z.B. mit den Querschnitts-Abmessungen von 3x1 Omm (abhängig von Halbzeug-Dicke und Werkzeug-Nut-Breite), eingebracht in vorgesehener Nut der metallischen Komponente; Zweiseitige Zugänglichkeit für eine Einleitung von elektrischem Strom in das in der Fügezone eingelegte Schweißelement; Isolierung des metallischen Druckwerkzeugs durch elektrisch durchschlagsichere Folie mit hoher Wärmebeständigkeit, vorzugsweise selbstklebende Polyimid-Folie; Thermische Isolierung der Druckwerkzeug-Vorrichtung zur Umgebung (z.B. untenseitig zur Versuchsanlagen-Tisch und obenseitig zum Pneumatik-Zylinder); Mit integrierter, regelbarer und vorzugsweise elektrischer Temperierung (z.B. elektrische Heizpatronen oder -wendel oder Induktionsheizung) des gesamten Druckwerkzeugs; Je nach Fügezonengröße und Geometrie mehrfach eingebrachte Sensorik zur Temperaturüberwachung (Gleichmäßigkeit der Temperatur über der gesamten Kontaktfläche und Erfassung der Temperaturänderung während der Schweiß- und Kühlzeit) und Weiterleitung an das Prozessüberwachungssystem.
Die Verfahrenstechnologie kann neben einer grundlegenden Schweißprozessführung folgende Merkmale aufweisen: Über den Kontaktflächen gleichmäßige Temperierung der Druckwerkzeug-Vorrichtung auf die prozessseitig erforderliche, gleichbleibende Temperatur von z.B. 150°C; Gleichmäßig verteilte Übertragung der prozessseitigen Druckkräfte auf die zu verschweißende Fläche; Aufbringung einer resultierenden, definierten Druckkraft auf den Schweißelement-Randbereich mit dem flexiblen Einleger zur Ausprägung seitlicher, definierter Schweißnahtabschlüsse und ausreichender Wärmeabfuhr in den Randbereichen während der Schweißzeit; Hohe Prozesssicherheit durch die erforderliche, vollflächige Wärmeabfuhr in allen Bereichen der Schweißelements; Kontinuierliche Erfassung der Temperaturverhältnisse währende der Prozessführung
Die Schweißverbindung kann folgende Merkmale aufweisen: Ausprägung der Schweißnaht nach max. gleichverteilter Druck- und Temperatureinwirkung über der Fügezone mit möglichst kompaktem und durch hohe Kristallinität gekennzeichnetem Gefüge; Schweißnahtrandbereich mit definiert ausgeformtem und vollständig angebundenem Schweißwulst, ohne scharfkantige oder gekerbte Oberflächenbeschaffenheiten; Aus der Ausprägung und Geometrie resultierende, erhöhte mechanische Belastbarkeit der Verbindung durch eine vollflächige Anbindung und stark reduzierte Neigung einer Riss-Initiierung im Randbereich.
Mit der Erfindung wird eine Temperaturverteilung beim Schweißen verbessert. Lokale Störungen der Verbindung, wie Luftspalte, insbesondere in einem Randbereich einer Fügezone, werden vermieden. Eine kontrollierte Prozessführung wird ermöglicht oder verbessert. Eine verbesserte Verbindung zwischen Kunststoffbauteilen ermöglicht. Ein automatisiertes, prozesssicheres, reproduzierbares und/oder rückverfolgbares Schweißen von Kunststoffbauteilen wird ermöglicht. Ein Aufwand, wie Arbeits- und/oder Kostenaufwand, wird reduziert.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf Figuren näher beschrieben, dabei zeigen schematisch und beispielhaft:

1 ein Druckwerkzeug zum Aufbringen einer Druckkraft beim Schweißen von Kunststoffbauteilen mit einem metallischen ersten Bauteilkontaktabschnitt in Schnittansicht,
2 ein Druckwerkzeug zum Aufbringen einer Druckkraft beim Schweißen von Kunststoffbauteilen mit einem metallischen ersten Bauteilkontaktabschnitt in Frontansicht,
3 ein Druckwerkzeug zum Aufbringen einer Druckkraft beim Schweißen von Kunststoffbauteilen mit einem metallischen ersten Bauteilkontaktabschnitt in Draufsicht,
4 ein Druckwerkzeug zum Aufbringen einer Druckkraft beim Schweißen von Kunststoffbauteilen mit einem metallischen ersten Bauteilkontaktabschnitt in Seitenansicht und
5 ein Schweißen von Kunststoffbauteilen mithilfe einer Pressvorrichtung mit zwei Druckwerkzeugen.

1 zeigt ein Druckwerkzeug 100 zum Aufbringen einer Druckkraft beim Schweißen von Kunststoffbauteilen mit einem metallischen ersten Bauteilkontaktabschnitt 102 in Schnittansicht. 2 zeigt das Druckwerkzeug 100 in Frontansicht. 3 zeigt das Druckwerkzeug 100 in Draufsicht. 4 zeigt das Druckwerkzeug 100 in Seitenansicht.
Das Druckwerkzeug ist mit dem ersten Bauteilkontaktabschnitt 102 stoffschlüssig einteilig ausgebildet und aus einer Eisen-Nickel-Legierung mit einem Masseanteil Eisen ca. 64 % und einem Masseanteil ca. Nickel 36 % hergestellt, die eine besondere Invarianz einer Dehnung bezüglich einer Temperaturänderung aufweist.
Das Druckwerkzeug 100 weist eine leistenartige Form mit einer sich entlang einer x-Achse erstreckenden Länge, einer sich entlang einer y-Achse erstreckenden Breite, einer sich entlang einer z-Achse erstreckenden Höhe, einer Arbeitsseite 104 und einer Rückseite 106 auf. Der erste Bauteilkontaktabschnitt 102 ist an der Arbeitsseite 104 angeordnet und als ebene Fläche ausgeführt.
Das Druckwerkzeug 100 weist Durchgangslöcher, wie 108, und Sacklöcher, wie 110, zur Aufnahme von elektrischen Heizelementen und Temperatursensoren auf, mit deren Hilfe das Druckwerkzeug 100, insbesondere der erste Bauteilkontaktabschnitt 102, thermisch kontrollierbar ist.
Das Druckwerkzeug 100 weist einen gegenüber dem ersten Bauteilkontaktabschnitt 102 zurückgesetzten, in Erstreckungsrichtung der x-Achse verlaufenden, nutartigen Aufnahmeabschnitt 112 auf. Der Aufnahmeabschnitt 112 dient zur Aufnahme eines aus einem hitzebeständigen Silikonkautschuk hergestellten, strangartigen, elastisch verformbaren Elements, das einen zweiten Bauteilkontaktabschnitt des Druckwerkzeugs 100 bildet. Das elastisch verformbare Element steht in einem unverformten Zustand gegenüber dem ersten Bauteilkontaktabschnitt 102 über und ist unter Druckbelastung in den Aufnahmeabschnitt 112 hinein verformbar.
5 zeigt ein Schweißen von Kunststoffbauteilen 200, 202 mithilfe einer Pressvorrichtung 204 mit zwei Druckwerkzeugen 206, 208. Zu den Druckwerkzeugen 206, 208 wird ergänzende insbesondere auf 1 bis 4 und die zugehörige Beschreibung verwiesen. Die Kunststoffbauteile 200, 202 sind Faser-Kunststoff-Verbund-Bauteile mit in einem thermoplastischen Matrixmaterial eingebetteten Kohlenstofffasern und mit ihren gemeinsamen Fügekontaktflächen in einfacher Überlappung angeordnet, wobei ein Fügeabschnitt 210 gebildet ist. Zwischen den Fügekontaktflächen der Kunststoffbauteile 200, 202 ist ein elektrische Widerstandsschweißelement 212 angeordnet. Das elektrische Widerstandsschweißelement 212 ragt über den Fügeabschnitt 210 hinaus in Fügezonen randabschnitte.
Zum Verschweißen der Kunststoffbauteile 200, 202 werden die Druckwerkzeuge 206, 208 an einander gegenüberliegenden Seiten des Fügeabschnitts 210 jeweils mit ihrem ersten Bauteilkontaktabschnitt 214, 216 an dem Fügeabschnitt 210 und mit ihrem zweiten Bauteilkontaktabschnitt 218, 220 an dem Fügezonenrandabschnitt angelegt und es wird eine Druckkraft aufgebracht, sodass die Kunststoffbauteile 200, 202 an dem Fügeabschnitt 210 zwischen den Druckwerkzeuge 206, 208 zusammengepresst werden. Dabei werden die die zweiten Bauteilkontaktabschnitte 218, 220 bildenden elastisch verformbare Elemente in die Aufnahmeabschnitte der Druckwerkzeuge 206, 208 hinein verformt und liegen jeweils elastisch an einem über den Fügeabschnitt 210 hinausragenden Rand des elektrischen Widerstandsschweißelements 212, an einer Oberfläche eines der Kunststoffbauteile 200, 202 und an einer Bauteilkante des anderen Kunststoffbauteils 202, 200 an. Anschließend wird das Widerstandsschweißelement 212 elektrisch beaufschlagt, sodass die Kunststoffbauteile 200, 202 an ihren gemeinsamen Fügekontaktflächen plastifiziert und miteinander stoffschlüssig verbunden werden. Nach einem ausreichenden Verfestigen der Schweißverbindung wird die Pressvorrichtung 204 entfernt. Während dem Zusammenpressen der Kunststoffbauteile 200, 202 werden ein Druckkraftverlauf und ein Temperaturverlauf kontrolliert.
Mit „kann“ sind insbesondere optionale Merkmale der Erfindung bezeichnet. Demzufolge gibt es auch Weiterbildungen und/oder Ausführungsbeispiele der Erfindung, die zusätzlich oder alternativ das jeweilige Merkmal oder die jeweiligen Merkmale aufweisen.
Aus den vorliegend offenbarten Merkmalskombinationen können bedarfsweise auch isolierte Merkmale herausgegriffen und unter Auflösung eines zwischen den Merkmalen gegebenenfalls bestehenden strukturellen und/oder funktionellen Zusammenhangs in Kombination mit anderen Merkmalen zur Abgrenzung des Anspruchsgegenstands verwendet werden.
Bezugszeichenliste

100: Druckwerkzeug
102: erster Bauteilkontaktabschnitt
104: Arbeitsseite
106: Rückseite
108: Durchgangsloch
110: Sackloch
112: Aufnahmeabschnitt
200: Kunststoffbauteil
202: Kunststoffbauteil
204: Pressvorrichtung
206: Druckwerkzeug
208: Druckwerkzeug
210: Fügeabschnitt
212: Widerstandsschweißelement
214: erster Bauteilkontaktabschnitt
216: erster Bauteilkontaktabschnitt
218: zweiter Bauteilkontaktabschnitt
220: zweiter Bauteilkontaktabschnitt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009047671 A1 [0002]
DE 102020111497 [0003]

Claims

Druckwerkzeug (100, 203, 208) zum Aufbringen einer Druckkraft beim Schweißen von Kunststoffbauteilen (200, 202), das Druckwerkzeug (100, 203, 208) aufweisend wenigstens einen metallischen ersten Bauteilkontaktabschnitt (102, 214, 216), dadurch gekennzeichnet, dass das Druckwerkzeug (100, 203, 208) wenigstens einen elastisch verformbaren zweiten Bauteilkontaktabschnitt (218, 220) aufweist und thermisch kontrollierbar ist.
Druckwerkzeug (100, 203, 208) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine erste Bauteilkontaktabschnitt (102, 214, 216) und der wenigstens eine zweite Bauteilkontaktabschnitt (218, 220) entlang einer Grenzlinie aneinander angrenzend angeordnet sind.
Druckwerkzeug (100, 203, 208) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckwerkzeug (100, 203, 208) einen Randabschnitt aufweist und der wenigstens eine zweite Bauteilkontaktabschnitt (218, 220) an dem Randabschnitt angeordnet ist.
Druckwerkzeug (100, 203, 208) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckwerkzeug (100, 203, 208) mit dem wenigstens einen ersten Bauteilkontaktabschnitt (102, 214, 216) strukturell integriert ausgebildet ist, wenigstens einen gegenüber dem wenigstens einen ersten Bauteilkontaktabschnitt (102, 214, 216) zurückgesetzten Aufnahmeabschnitt (112) aufweist und der wenigstens eine zweite Bauteilkontaktabschnitt (218, 220) an dem wenigstens einen Aufnahmeabschnitt (112) aufgenommen ist.
Druckwerkzeug (100, 203, 208) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine zweite Bauteilkontaktabschnitt (218, 220) in einem unverformten Zustand gegenüber dem wenigstens einen ersten Bauteilkontaktabschnitt (102, 214, 216) übersteht und unter Druckbelastung in den Aufnahmeabschnitt (112) verformbar ist.
Druckwerkzeug (100, 203, 208) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckwerkzeug (100, 203, 208) wenigstens eine Heiz- und/oder Kühlvorrichtung und/oder wenigstens einen Temperatursensor aufweist.
Pressvorrichtung (204) zum Zusammenpressen von Kunststoffbauteilen (200, 202) beim Schweißen, dadurch gekennzeichnet, dass die Pressvorrichtung (204) wenigstens ein Druckwerkzeug (100, 203, 208) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.
Pressvorrichtung (204) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Pressvorrichtung (204) eine Kontrolleinrichtung zum Kontrollieren einer Druckkraft, insbesondere eines Druckkraftverlaufs, und/oder einer Temperatur, insbesondere eines Temperaturverlaufs, aufweist.
Verfahren zum Schweißen von Kunststoffbauteilen (200, 202), dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mithilfe einer Pressvorrichtung (204) nach wenigstens einem der Ansprüche 7 bis 8 durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass folgende Schritte ausgeführt werden: Anordnen eines ersten und eines zweiten miteinander zu verschweißenden Kunststoffbauteils (200, 202), sodass ein Fügeabschnitt (210) gebildet wird, dabei Einlegen wenigstens eines elektrischen Widerstandsschweißelements (212) zwischen gemeinsamen Fügekontaktflächen der Kunststoffbauteile (200, 202); Zusammenpressen der Kunststoffbauteile (200, 202) mithilfe der Pressvorrichtung (204); Plastifizieren der Kunststoffbauteile (200, 202) an den Fügekontaktflächen mithilfe des wenigstens einen Widerstandsschweißelements (212), um eine Schweißverbindung herzustellen; Verfestigen der Schweißverbindung; Entfernen der Pressvorrichtung (204).
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 9 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Widerstandsschweißelement (212) zwischen gemeinsamen Fügekontaktflächen der Kunststoffbauteile (200, 202) über den Fügeabschnitt (210) hinausragend und/oder in wenigstens einen an den Fügeabschnitt (210) angrenzenden Fügezonenrandabschnitt hineinragend eingelegt wird.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zum Zusammenpressen der Kunststoffbauteile (200, 202) das wenigstens eine Druckwerkzeug (100, 203, 208) mit seinem ersten Bauteilkontaktabschnitt (102, 214, 216) an dem Fügeabschnitt (210) und mit seinem zweiten Bauteilkontaktabschnitt (218, 220) an dem wenigstens einen Fügezonenrandabschnitt angelegt wird.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass während dem Zusammenpressen eine Druckkraft, insbesondere ein Druckkraftverlauf, und/oder eine Temperatur, insbesondere ein Temperaturverlauf, des wenigstens einen Druckwerkzeugs (100, 203, 208) kontrolliert werden/wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckkraft, insbesondere der Druckkraftverlauf, und/oder die Temperatur, insbesondere der Temperaturverlauf, des wenigstens einen Druckwerkzeugs (100, 203, 208) und eine Temperatur, insbesondere ein Temperaturverlauf, und/oder eine elektrische Beaufschlagung, insbesondere ein Beaufschlagungsverlauf, des wenigstens einen Widerstandsschweißelements (212) aufeinander abgestimmt kontrolliert werden.
Kunststoffmodul mit wenigstens zwei miteinander verschweißten Kunststoffbauteilen (200, 202), dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Kunststoffbauteile (200, 202) gemäß einem Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 9 bis 14 verschweißt sind.