DE102021120374A1

DE102021120374A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung eines Bauteilverbunds

Info

Publication number: DE102021120374A1
Application number: DE102021120374.0A
Authority: DE
Inventors: Sven Jacobi; Andreas Rabe
Original assignee: Rabe Design & Eng GmbH; Rabe Design & Engineering GmbH
Current assignee: Rabe Design & Eng GmbH; Rabe Design & Engineering GmbH
Priority date: 2021-08-05
Filing date: 2021-08-05
Publication date: 2023-02-09

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Herstellung eines Bauteilverbunds (50) mit zumindest einem VCSEL-Oberflächenemitter (2) zur Emission von Laserstrahlung (L), mit einer ersten Bauteilaufnahme (3) zur Aufnahme eines ersten Bauteils (51) mit einem zur Fügung mit einem zweiten Bauteil (52) vorgesehenen und zumindest abschnittsweise undurchlässig für die mittels des VCSEL-Oberflächenemitters (2) emittierte Laserstrahlung (L) ausgebildeten Fügebereich (TFB), mit einer zweiten Bauteilaufnahme (4) zur Aufnahme eines zweiten Bauteils (52) mit einem zur Fügung mit dem ersten Bauteil (52) vorgesehenen und durchlässig für die mittels des VCSEL-Oberflächenemitters (2) emittierte Laserstrahlung (L) ausgebildeten Fügebereich (AFB), mit zumindest einer aus einem für die von dem VCSEL-Oberflächenemitter (2) emittierte Laserstrahlung (L) undurchlässigen Material gebildeten Maske (5) mit zumindest einem für die Laserstrahlung (L) durchlässigen Abschnitt (5.1 bis 5.n), wobei der durchlässige Abschnitt (5.1 bis 5.n) zu einer Positionierung zwischen einer Emissionsseite des VCSEL-Oberflächenemitters (2) und dem Fügebereich (AFB) des zweiten Bauteils (52) ausgebildet ist.Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteilverbunds (50), einen Bauteilverbund (50) und Bauteile (51, 52) für einen solchen Bauteilverbund (50).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteilverbunds.
Die Erfindung betrifft weiterhin einen Bauteilverbund und Bauteile für einen solchen Bauteilverbund.
Aus dem Stand der Technik sind allgemein Vorrichtungen und Verfahren zur Herstellung von Bauteilverbunden und mittels dieser hergestellte Bauteilverbunde bekannt. Solche Bauteilverbunde sind beispielsweise Fahrzeugbauteile, zum Beispiel Innenverkleidungsteile. Bauteile dieser Bauteilverbunde selbst als auch Strukturen, an welchen diese befestigt werden sollen, zeichnen sich häufig durch dreidimensional geformte Oberflächen aus, welche bauartbedingt häufig nicht miteinander korrelieren. Zum Ausgleich von sich daraus ergebenden Abständen zwischen einer Rückseite eines jeweiligen Bauteils und einer Struktur und zur Befestigung des Bauteils an der Struktur sind an der Rückseite des Bauteils Anbauteile befestigt.
Diese Befestigung erfolgt durch Kleben, Hinterspritzen, Schweißen, wie Ultraschallschweißen, Reibschweißen oder Heißnieten, und Verschrauben. Bei wechselbaren Bauteilen kommen Clips- und Rastverbindungen sowie Schraubverbindungen zur Anwendung, wobei den Bauteilen entsprechende Aufnahmegeometrien, wie Haken, Klammeraufnahmen, Dome und Rippen, ausgebildet sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Bauteilverbunds sowie einen verbesserten Bauteilverbund und Bauteile für einen solchen Bauteilverbund anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch

- eine Vorrichtung, welche die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist,
- ein Verfahren, welches die im Anspruch 10 angegebenen Merkmale aufweist,
- einen Bauteilverbund, welcher die im Anspruch 12 angegebenen Merkmale aufweist,
- ein Bauteil für einen Bauteilverbund, welches die im Anspruch 13 angegebenen Merkmale aufweist, und
- ein weiteres Bauteil für einen Bauteilverbund, welches die im Anspruch 15 angegebenen Merkmale aufweist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteilverbunds umfasst zumindest einen VCSEL-Oberflächenemitter (englisch: VCSEL = vertical-cavity surface-emitting laser) zur Emission von Laserstrahlung. Weiterhin umfasst die Vorrichtung eine erste Bauteilaufnahme zur Aufnahme eines ersten Bauteils mit einem zur Fügung mit einem zweiten Bauteil vorgesehenen und zumindest abschnittsweise undurchlässig für die mittels des VCSEL-Oberflächenemitters emittierte Laserstrahlung ausgebildeten Fügebereich. Ferner umfasst die Vorrichtung eine zweite Bauteilaufnahme zur Aufnahme eines zweiten Bauteils mit einem zur Fügung mit dem ersten Bauteil vorgesehenen und durchlässig für die mittels des VCSEL-Oberflächenemitters emittierte Laserstrahlung ausgebildeten Fügebereich. Zusätzlich umfasst die Vorrichtung zumindest eine aus einem für die von dem VCSEL-Oberflächenemitter emittierte Laserstrahlung undurchlässigen Material gebildete Maske mit zumindest einem für die Laserstrahlung durchlässigen Abschnitt. Der durchlässige Abschnitt ist dabei zu einer Positionierung zwischen einer Emissionsseite des VCSEL-Oberflächenemitters und dem Fügebereich des zweiten Bauteils ausgebildet.
Die Vorrichtung ermöglicht in besonders vorteilhafter Weise ein Fügen mehrerer Bauteile zu einem Bauteilverbund mittels eines mittels des VCSEL-Oberflächenemitters und der Maske durchgeführten Laserdurchstrahlschweißens. Hierbei wird in kurzer Zeit eine mechanisch sehr stabile, beständige und dauerhafte Verbindung erzeugt, so dass Relativbewegungen der Bauteile zueinander nicht möglich sind. Die Verbindung wird aufgrund der Verwendung des VCSEL-Oberflächenemitters und der Maske mit besonders geringer Eindringtiefe und somit besonders geringer Erwärmung innerhalb zumindest eines der Bauteile realisiert. Dadurch wird eine aufgrund hoher Erwärmung hervorgerufene Verformung und Beschädigung der Bauteile sicher vermieden, so dass diese auch in ihren Fügebereichen mit besonders geringer Dicke ausgebildet sein können. Beispielsweise kann das erste Bauteil im Fügebereich eine Dicke bzw. Wandstärke von 0,1 mm bis 5 mm aufweisen. Beispielsweise kann das zweite Bauteil im Fügebereich eine Dicke bzw. Wandstärke von 0,1 mm bis 10 mm aufweisen. Hierdurch können eine signifikante Materialeinsparung und daraus folgend Gewichts- und Kosteneinsparung realisiert werden. Weiterhin kann auch eine Fläche der Fügebereiche beider Bauteile signifikant verkleinert werden, woraus eine weitere Material-, Gewichts- und Kosteneinsparung resultieren. Beispielsweise beträgt eine Breite einer erzeugten Fügenaht 0,1 mm bis 10 mm. Auch kann aufgrund der kurzen Einwirkung der Laserstrahlung auf die Fügebereiche eine besonders geringe Taktzeit erreicht werden. Beispielsweise kann eine Materialeinsparung des zweiten Bauteils im Bereich der Fügestelle 50 % gegenüber anderen Fügeverfahren betragen. Beispielsweise kann die Reduzierung der Taktzeit gegenüber anderen Fügeverfahren, beispielsweise Klebeverfahren, um 50 % verringert werden.
Auch ist während der Verschweißung beider Bauteile keine Bewegung des VCSEL-Oberflächenemitters erforderlich, was gegenüber herkömmlichen Laserdurchstrahlschweißverfahren einen besonders geringen Steuerungsaufwand bei der Fügung der Bauteile und einen besonders einfachen und somit kostengünstigen Aufbau der Vorrichtung ermöglicht. Auch resultiert hieraus eine besonders einfach durchführbare Nachrüstung bestehender Fügeanlagen mit einer solchen Vorrichtung. Dadurch sind Einschränkungen von Geometrien der Bauteile im Fügebereich minimiert, was wiederum eine Herstellung der Bauteile mit einer Vielzahl von Geometrien, beispielsweise in einem Spritzgussverfahren, ermöglicht.
In einer möglichen Ausgestaltung der Vorrichtung ist der durchlässige Abschnitt der Maske einfach oder mehrfach von für die Laserstrahlung undurchlässigen Abschnitten unterbrochen. Somit können unterbrochene Fügenähte erzeugt werden, wobei eine Unterbrechung beispielsweise eine Länge von 0,1 mm bis 1000 mm aufweisen kann.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Vorrichtung umfasst diese zumindest eine Anpressanordnung, welche zur Erzeugung zumindest eines Anpressdrucks zumindest in zur Aufnahme der Fügebereiche der Bauteile vorgesehenen Bereichen der Bauteilaufnahmen ausgebildet ist. Somit kann beispielsweise unmittelbar neben den Fügebereichen eine Kraft in die Bauteile eingeführt werden, welche eine Verpressung dieser in den Fügebereichen bewirkt. Beispielsweise umfasst die Anpressanordnung hierzu konturparallel zu zumindest einem Bauteil verlaufende Druckstücke. Mittels der Anpressanordnung sind dabei in besonders vorteilhafter Geometrietoleranzen beider Bauteile ausgleichbar, wobei die Geometrietoleranzen beispielsweise im Bereich von 0,005 mm bis 3 mm liegen. Die Verpressung der Bauteile ermöglicht in den Fügebereichen einen vollflächigen Kontakt derselben und somit eine die Erzeugung einer besonders zuverlässigen, mechanisch stabilen und vollflächig im gewünschten Bereich ausgebildeten Fügenaht. Beispielsweise können auch mittels einer Anpressanordnung oder mehrerer Anpressanordnungen mehrere Anpressdrücke mit unterschiedlicher Größe erzeugt werden.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Vorrichtung umfasst diese eine Kühlvorrichtung, welche zur Kühlung von zur Aufnahme der Fügebereiche der Bauteile vorgesehenen Bereichen ausgebildet ist. Dies ermöglicht eine schnellere Abkühlung der Bauteile in den Fügebereichen und somit eine weitere Verkürzung der Taktzeit. Auch kann die Dicke der Fügebereiche der Bauteile aufgrund einer dadurch verringerten Eindringtiefe der Wärme in die Fügebereiche weiter verringert werden und Abzeichnungen der Fügenähte auf einer Sichtseite zumindest eines der Bauteile können vermieden werden.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Vorrichtung sind mehrere Masken auf einer gemeinsamen für die von dem VCSEL-Oberflächenemitter emittierte Laserstrahlung durchlässigen Trägeranordnung angeordnet. Dies ermöglicht einen schnellen Wechsel einer Maske für ein anderes Bauteil. Auch hierdurch wird eine weitere Verringerung der Taktzeit ermöglicht. Auch ermöglicht die Verwendung einer durchlässigen Trägeranordnung eine einfache Ausbildung von Masken mit durchgängigen, das heißt nicht unterbrochenen, für die emittierte Laserstrahlung durchlässigen Abschnitten zur Erzeugung durchgängiger Fügenähte.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Vorrichtung kann auch eine Maske einer für die von dem VCSEL-Oberflächenemitter emittierte Laserstrahlung durchlässigen Trägeranordnung angeordnet sein, um in einfacher Weise die Ausbildung von durchgängigen, für die emittierte Laserstrahlung durchlässigen Abschnitten zur Erzeugung durchgängiger Fügenähte zu ermöglichen.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Vorrichtung ist die Maske dreidimensional geformt. Dies ermöglicht eine Anordnung der Maske mit konstantem Abstand zum zweiten Bauteil und dem Fügebereich, eine einfache Handhabung derselben und der Bauteile während einer Vorbereitung der Verbindung eines Verbindungsprozesses und eine optimierte Erzeugung der zumindest einen Fügenaht.
Alternativ oder zusätzlich können auch mehrere zweidimensional oder dreidimensional ausgebildeten Masken oder Maskenabschnitte vorgesehen sein, welche eine Gesamtmaske bilden.
In einer möglichen Ausgestaltung der Vorrichtung ist die zweite Bauteilaufnahme mehrteilig ausgebildet. Dies ermöglicht eine Anordnung einer mehrteiligen Maske, mittels welcher eine durchgängige Fügenaht erzeugt wird.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Vorrichtung bildet die Maske die zweite Bauteilaufnahme. Dies ermöglicht eine Verringerung einer Teileanzahl und somit einer Komplexität der Vorrichtung. Auch ist eine Handhabung der Vorrichtung und der Bauteile dadurch vereinfacht.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Vorrichtung umfassen/umfasst die Maske und/oder die zweite Bauteilaufnahme zumindest ein Leitelement zur Führung der von dem VCSEL-Oberflächenemitter emittierten Laserstrahlung in Richtung der Fügebereiche. Somit kann die Laserstrahlung in einfacher Weise auch an Positionen geführt werden, welche sonst nur schwierig vom VCSEL-Oberflächenemitter erfassbar sind. Auch ermöglicht das Leitelement je nach Ausgestaltung eine Bündelung oder Streuung der Laserstrahlung, so dass eine Einstellung einer in den Fügebereichen wirksamen Energie möglich ist. Zur Sammlung der Laserstrahlung kann das Leitelement, welches beispielsweise kanalförmig ausgebildet ist, einen Öffnungswinkel von 0 ° bis 45 ° aufweisen. Zur Minimierung von Verlusten kann eine Innenseite des Leitelements derart ausgebildet sein, dass es die mittels des VCSEL-Oberflächenemitters emittierte Laserstrahlung reflektiert. Dabei ist das Leitelement derart ausgebildet, dass eine Reflexion der Laserstrahlung zurück zum VCSEL-Oberflächenemitter ausgeschlossen ist, um eine Beschädigung desselben zu vermeiden. Beispielsweise ist das Leitelement kanalförmig ausgebildet, wobei zumindest eine Innenwandung des Kanals aus poliertem Metall oder einer reflektierenden Kunststoffoberfläche gebildet ist.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Vorrichtung sind in einer Wandung des Leitelements Lufteinschlüsse ausgebildet, so dass eine Erwärmung der Wandung minimiert wird.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Vorrichtung ist der zumindest eine VCSEL-Oberflächenemitter mit einer Positionierungsanordnung gekoppelt, welche zu einer mehrdimensionalen Variation einer Position und/oder Ausrichtung des VCSEL-Oberflächenemitters ausgebildet ist. Die Veränderung der Position ist dabei durch eine Längsverschiebung entlang zumindest einer Achse und/oder eine Drehung um zumindest eine Achse möglich. Auch sind unterschiedliche und mehrdimensionale Bahnbewegungen während der Positionierung des VCSEL-Oberflächenemitters möglich. Dies ermöglicht eine optimierte Ausrichtung des VCSEL-Oberflächenemitters relativ zu den Fügebereichen und der Maske und somit eine optimierte Erzeugung der Fügung der Bauteile.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Vorrichtung ist die Maske aus Stahl, Aluminium und/oder Kunststoff gebildet. Unabhängig von einer Materialwahl für die Maske ist diese für die Laserstrahlung nicht reflektierend, um eine Beschädigung desselben durch reflektierte Laserstrahlung zu vermeiden.
In einer möglichen Ausgestaltung einer Vorrichtungsanordnung umfasst diese die erfindungsgemäße Vorrichtung oder mögliche Ausgestaltungen dieser sowie das erste Bauteil und das zweite Bauteil, welche jeweils im nicht miteinander gefügten Zustand in ihrer zugehörigen Bauteilaufnahme angeordnet sind.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Bauteilverbunds wird ein erstes Bauteil, umfassend einen zur Fügung mit einem zweiten Bauteil vorgesehenen Fügebereich, in eine erste Bauteilaufnahme eingelegt. Weiterhin wird ein zweites Bauteil, umfassend einen zur Fügung mit dem ersten Bauteil vorgesehenen Fügebereich, in eine zweite Bauteilaufnahme eingelegt und zu einer Maske derart ausgerichtet, dass ein für mittels eines VCSEL-Oberflächenemitters emittierte Laserstrahlung durchlässiger Abschnitt einer ansonsten aus einem für die Laserstrahlung undurchlässigen Material gebildeten Maske zwischen einer Emissionsseite des VCSEL-Oberflächenemitters und dem Fügebereich des zweiten Bauteils angeordnet wird. Ferner wird mittels des VCSEL-Oberflächenemitters Laserstrahlung für einen vorgegebenen Zeitraum in Richtung der Maske emittiert, wobei mittels der Laserstrahlung der zumindest abschnittsweise undurchlässig für die mittels des VCSEL-Oberflächenemitters emittierte Laserstrahlung ausgebildete Fügebereich des ersten Bauteils erwärmt wird. Durch die Erwärmung wird ein jeweils in den Fügebereichen angeordneter thermoplastischer Werkstoff geschmolzen und mittels anschließender Abkühlung des thermoplastischen Werkstoffs werden die Bauteile an den Fügebereichen stoffschlüssig miteinander verbunden.
Das Verfahren ermöglicht in besonders vorteilhafter Weise ein Fügen mehrerer Bauteile zu einem Bauteilverbund mittels eines mittels des VCSEL-Oberflächenemitters und der Maske durchgeführten Laserdurchstrahlschweißens. Hierbei wird in kurzer Zeit eine mechanisch sehr stabile, beständige und dauerhafte Verbindung erzeugt, wobei diese aufgrund der Verwendung des VCSEL-Oberflächenemitters und der Maske mit besonders geringer Eindringtiefe und somit besonders geringer Erwärmung innerhalb des ersten Bauteils realisiert wird. Dadurch wird eine aufgrund hoher Erwärmung hervorgerufene Verformung und Beschädigung der Bauteile sicher vermieden, so dass diese auch in ihren Fügebereichen mit besonders geringer Dicke ausgebildet sein können. Hierdurch können eine signifikante Materialeinsparung und daraus folgend Gewichts- und Kosteneinsparung realisiert werden. Weiterhin kann auch eine Fläche der Fügebereiche beider Bauteile signifikant verkleinert werden, woraus eine weitere Material-, Gewichts- und Kosteneinsparung resultieren. Auch kann aufgrund der kurzen Einwirkung der Laserstrahlung auf die Fügebereiche eine besonders geringe Taktzeit erreicht werden.
Auch ist während der Verschweißung beider Bauteile keine Bewegung des VCSEL-Oberflächenemitters erforderlich, was gegenüber herkömmlichen Laserdurchstrahlschweißverfahren einen besonders geringen Steuerungsaufwand bei der Fügung der Bauteile ermöglicht.
In einer möglichen Ausgestaltung des Verfahrens werden das erste Bauteil und das zweite Bauteil an ihren Fügebereichen zumindest ab einem Zeitpunkt, an dem die thermoplastischen Werkstoffe geschmolzen sind, bis zu einem Zeitpunkt eines Erhärtens der Werkstoffe miteinander verpresst. Somit kann beispielsweise unmittelbar neben den Fügebereichen eine Kraft in die Bauteile eingeführt werden, welche eine Verpressung dieser in den Fügebereichen bewirkt. Durch die Verpressung können Geometrietoleranzen beider Bauteile ausgeglichen werden, wobei die Geometrietoleranzen beispielsweise im Bereich von 0,005 mm bis 3 mm liegen. Die Verpressung der Bauteile ermöglicht in den Fügebereichen einen vollflächigen Kontakt derselben und somit eine die Erzeugung einer besonders zuverlässigen, mechanisch stabilen und vollflächig im gewünschten Bereich ausgebildeten Fügenaht.
Der erfindungsgemäße Bauteilverbund, hergestellt in dem erfindungsgemäßen Verfahren oder einer möglichen Ausgestaltung desselben, umfasst zumindest ein erstes Bauteil und zumindest ein stoffschlüssig mit dem ersten Bauteil in einem Fügebereich verbundenes zweites Bauteil. Der Bauteilverbund zeichnet sich in besonders vorteilhafter Weise durch eine mechanisch sehr stabile, beständige und dauerhafte Verbindung zwischen den Bauteilen aus. Aufgrund der Fügung der Bauteile mittels des VCSEL-Oberflächenemitters und der Maske mit besonders geringer Eindringtiefe und somit besonders geringer Erwärmung innerhalb des ersten Bauteils weist insbesondere das erste Bauteil eine besonders große Oberflächengüte bei gleichzeitig besonders geringer Bauteildicke und daraus folgend besonders geringem Gewicht auf. Auch ist der Bauteilverbund besonders kostengünstig.
Beispielsweise umfasst der Bauteilverbund, welcher auch eine Bauteilgruppe bilden kann und beispielsweise für eine Fahrzeuganwendung in einem Fahrzeuginnenraum vorgesehen ist, ein als Trägerbauteil ausgebildetes Bauteil und zumindest ein daran befestigtes und als Anbauteil ausgebildetes Bauteil. Die Anbauteile können zumindest teilweise auch tragende Funktionen übernehmen. Die Trägerbauteile sind beispielsweise aus Spritzgussmaterial, wie Polypropylen, Polycarbonat, Polyamid, Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymeren oder Polyethylen, gebildet. Alternativ sind die Trägerbauteile aus Naturfasermaterial, beispielsweise thermoplastischem naturfaserverstärktem Polypropylen oder Holzfaserformstoff mit einer duroplastischen Bindematrix aus Phenolharz, Acrylharz, o. ä. gebildet. Auch ist eine Ausbildung der Trägerbauteile aus Sandwichmaterialien möglich, basierend auf Naturfaser-Polyurethan, Naturfaser-Thermoplasten, carbonfaserverstärktem Kunststoff (kurz: CFK) oder glasfaserverstärktem Kunststoff (kurz: GFK) oder Kombinationen daraus. Die Fasermaterialien bestehen dabei insbesondere aus Kurzfasern, Langfasern oder einer Mischung dieser.
Die Anbauteile bestehen beispielsweise aus thermoplastischem Kunststoff, wie zum Beispiel Polypropylen, Polycarbonat, Polyamid, Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymeren oder Polyethylen, Polymethylmethacrylat, Polyoxymethylen, o. ä. Dabei können die thermoplastischen Kunststoffe mit Natur,- Glas oder Carbonfasern gefüllt sein.
Auch kann die Materialauswahl für die Trägerbauteile und Anbauteile umgekehrt ausgebildet sein.
Die Anbauteile und/oder die Trägerbauteile können auf einer Sichtseite mit Dekoroberflächen, wie beispielsweise Leder, Folie, Textil, Schaum, Lack, Blech, Gitterstrukturen, optischen Effekte, Narbung, Beleuchtung usw. versehen sein. Aufgrund der geringen Eindringtiefe der Wärme bei der Fügung wird eine Beschädigung der Dekoroberflächen während des Fügens sicher vermieden. Hieraus resultieren eine signifikante Vereinfachung eines Ablaufs der Herstellung des Bauteilverbunds und eine vereinfachte Handhabung der Bauteile während dieser Herstellung.
Der Bauteilverbund ist beispielsweise zu einer Verwendung im Fahrzeuginneren vorgesehen, und bildet beispielsweise zumindest Abschnitte einer Instrumententafel, eines Handschuhkastens, einer Mittelkonsole, einer Armlehne, einer Türverkleidung, einer Seitenverkleidung, einer Säulenverkleidung, einer Sitzverkleidung, einer Sitzlehnenverkleidung, einer Dachverkleidung, einer Schwellerverkleidung, einer Fondverkleidung, einer Hutablage, einer Kofferraumverkleidung und/oder eines Teppichs.
Das erfindungsgemäße Bauteil für den Bauteilverbund umfasst einen für die mittels des VCSEL-Oberflächenemitters emittierte Laserstrahlung undurchlässigen Faserverbundwerkstoff mit einer thermoplastischen Bindematrix. Alternativ umfasst das Bauteil einen für die mittels des VCSEL-Oberflächenemitters emittierte Laserstrahlung undurchlässigen Faserverbundwerkstoff mit einer thermoplastischen Bindematrix und einer zumindest im Fügebereich angeordneten und aus einem thermoplastischen Material gebildeten Deckschicht. Alternativ umfasst das Bauteil einen für die mittels des VCSEL-Oberflächenemitters emittierte Laserstrahlung undurchlässigen Faserverbundwerkstoff mit einer duroplastischen Bindematrix und einer zumindest im Fügebereich angeordneten und aus einem thermoplastischen Material gebildeten Deckschicht. Alternativ umfasst das Bauteil einen für die mittels des VCSEL-Oberflächenemitters emittierte Laserstrahlung undurchlässigen thermoplastischen Werkstoff.
Eine solche Ausbildung des Bauteils ermöglicht eine sichere und zuverlässige Durchführung des beschriebenen Verfahrens zur Herstellung des Bauteilverbunds. Weiterhin ist ein derart ausgebildetes Bauteil beispielsweise zur Verwendung als erstes Bauteil in dem Bauteilverbund und dem Verfahren zur Herstellung des Bauteilverbunds verwendbar.
In einer möglichen Ausgestaltung des Bauteils umfasst der Faserverbundwerkstoff Naturfasern und/oder Kunstfasern und ist somit mechanisch besonders stabil bei geringer möglicher Materialdicke ausgebildet.
Beispielsweise sind die Naturfasern Holzfasern und/oder Sisalfasern. Zur Herstellung des Bauteils werden diese Naturfasern beispielsweise mit einem kalten Binder, beispielsweise einem duroplastischen Werkstoff, in einer Form, welche das zu erzeugende Bauteil abbildet, erhitzt und anschließend wieder abgekühlt. Auch können die Naturfasern mit einem thermoplastischen Werkstoff vermischt und anschließend zur Bildung des Bauteils in eine Form gegebenen und in dieser abgekühlt werden.
Das Bauteil kann in einer weiteren möglichen Ausgestaltung ein zuvor genanntes Trägerbauteil oder Anbauteil des ebenfalls zuvor genannten Bauteilverbunds bilden.
Um eine definierte Menge an aufgeschmolzenem Material während des Fügeprozesses zu realisieren, verfügt das Anbauteil in einer weiteren möglichen Ausgestaltung über eine mehrdimensional gestaltete, beispielsweise einer Freiformgeometrie des anderen Bauteils als Offsetkontur folgende Abschmelzgeometrie im Fügebereich. Die Abschmelzgeometrie kann dabei einen rechteckigen, prismatischen, runden, ovalen, dreieckigen oder aus Kombinationen dieser gebildeten Querschnitt aufweisen.
Ein weiteres erfindungsgemäßes Bauteil für den Bauteilverbund umfasst einen zumindest im Fügebereich angeordneten und für die mittels des VCSEL-Oberflächenemitters emittierte Laserstrahlung durchlässigen thermoplastischen Werkstoff. Eine solche Ausbildung des Bauteils ermöglicht eine sichere und zuverlässige Durchführung des beschriebenen Verfahrens zur Herstellung des Bauteilverbunds. Weiterhin ist ein derart ausgebildetes Bauteil beispielsweise zur Verwendung als zweites Bauteil in dem Bauteilverbund und dem Verfahren zur Herstellung des Bauteilverbunds verwendbar.
Auch das weitere Bauteil kann in einer möglichen Ausgestaltung ein zuvor genanntes Trägerbauteil oder Anbauteil des ebenfalls zuvor genannten Bauteilverbunds bilden.
Um eine definierte Menge an aufgeschmolzenem Material während des Fügeprozesses zu realisieren, verfügt das Anbauteil in einer weiteren möglichen Ausgestaltung über eine mehrdimensional gestaltete, beispielsweise einer Freiformgeometrie des anderen Bauteils als Offsetkontur folgende Abschmelzgeometrie im Fügebereich. Die Abschmelzgeometrie kann dabei einen rechteckigen, prismatischen, runden, ovalen, dreieckigen oder aus Kombinationen dieser gebildeten Querschnitt aufweisen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Darin zeigen:

1 schematisch eine perspektivische Ansicht eines Teils einer Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteilverbunds mit in dieser angeordneten Bauteilen,
2 schematisch eine Schnittdarstellung des Teils der Vorrichtung mit den Bauteilen gemäß 1,
3 schematisch einen vergrößerten Ausschnitt der Schnittdarstellung gemäß 2 während einer Verbindung der Bauteile zu dem Bauteilverbund,
4 schematisch einen weiteren vergrößerten Ausschnitt der Schnittdarstellung gemäß 2 während einer Verbindung der Bauteile zu dem Bauteilverbund,
5 schematisch eine perspektivische Ansicht eines Teils einer Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteilverbunds mit in dieser angeordneten Bauteilen,
6 schematisch eine Schnittdarstellung des Teils der Vorrichtung gemäß 5,
7 schematisch eine perspektivische Ansicht eines Teils einer Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteilverbunds,
8 schematisch eine Draufsicht eines Ausschnitts eines Bauteilverbunds,
9 schematisch eine perspektivische Ansicht eines Ausschnitts des Bauteilverbunds gemäß 8,
10 schematisch eine perspektivische Ansicht eines als Anbauteil ausgebildeten Bauteils für einen Bauteilverbund,
11 schematisch eine Draufsicht eines vergrößerten Ausschnitts des Bauteilverbunds gemäß 8 in einer ersten Ausgestaltung,
12 schematisch eine Schnittdarstellung eines Ausschnitts des Bauteilverbunds gemäß 11,
13 schematisch eine Draufsicht eines vergrößerten Ausschnitts des Bauteilverbunds gemäß 8 in einer zweiten Ausgestaltung und
14 schematisch eine Schnittdarstellung eines Ausschnitts des Bauteilverbunds gemäß 13.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Teils einer Vorrichtung 1 zur Herstellung eines beispielsweise in 8 dargestellten Bauteilverbunds 50 mit in dieser angeordneten Bauteilen 51, 52. 2 zeigt eine Schnittdarstellung des Teils der Vorrichtung 1 mit den Bauteilen 51, 52 gemäß 1. In 3 ist ein vergrößerter Ausschnitt der Schnittdarstellung gemäß 2 während einer Verbindung der Bauteile 51, 52 zu dem Bauteilverbund 50 dargestellt. 4 zeigt einen weiteren vergrößerten Ausschnitt der Schnittdarstellung gemäß 2 während einer Verbindung der Bauteile 51, 52 zu dem Bauteilverbund 50.
Der Bauteilverbund 50 ist beispielsweise zu einer Verwendung als Fahrzeugbauteil zur Anwendung in einem Fahrzeuginterieur und/oder Fahrzeugexterieur vorgesehen.
Beispielsweise bildet der Bauteilverbund 50 zumindest teilweise eine Instrumententafel, eine Mittelkonsole, eine Türverkleidung, eine Seitenverkleidung, eine Säulenverkleidung, eine Fondverkleidung, eine Schwellerverkleidung, eine Sitzverkleidung, eine Sitzlehnenverkleidung, eine Kofferraumverkleidung, eine Hutablage, eine Dachhimmelverkleidung, eine Teppichverkleidung, einen Stoßfänger, einen Spoiler, ein Batteriegehäuse und/oder andere Fahrzeugbauteile.
Zur Erzeugung des Bauteilverbunds 50 wird zumindest ein als Trägerbauteil ausgebildetes Bauteil 51 mittels der Vorrichtung 1 mit zumindest einem als Anbauteil ausgebildeten Bauteil 52 durch den Einsatz des Fügeverfahrens „Laserdurchstrahlschweißen“ unlösbar verbunden. Der Fügeprozess kann dabei zeitlich ein- oder mehrstufig erfolgen.
Hierbei kann das als Trägerbauteil ausgebildete Bauteil 51 aus einem Faserverbundstoff, einem thermoplastischen Kunststoff mit oder ohne Füllmaterial oder einem mit einer thermoplastischen, Laserstrahlung absorbierenden Oberfläche versehenen duroplastischen Werkstoff gebildet sein. Das Trägerbauteil kann auf einer Sichtseite bereits vor dem Fügen mit dem Anbauteil eine Endproduktqualität aufweisen. Beispielsweis ist das Trägerbauteil aus einem Spritzgussmaterial, wie Polypropylen, Polycarbonat, Polyamid, Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymeren oder Polyethylen, gebildet. Alternativ kann das Trägerbauteil aus Naturfasermaterial, beispielsweise thermoplastischem naturfaserverstärktem Polypropylen oder Holzfaserformstoff mit einer duroplastischen Bindematrix aus Phenolharz, Acrylharz, o. ä. gebildet sein. Auch ist eine Ausbildung der Trägerbauteile aus Sandwichmaterialien möglich, basierend auf Naturfaser-Polyurethan, carbonfaserverstärktem Kunststoff (kurz: CFK) oder glasfaserverstärktem Kunststoff (kurz: GFK). Die Fasermaterialien bestehen dabei insbesondere aus Kurzfasern, Langfasern oder einer Mischung dieser.
Das als Anbauteil ausgebildete Bauteil 52 ist bei einer solchen Ausbildung des Trägerbauteils insbesondere aus einem lasertransparenten thermoplastischen Kunststoff, zum Beispiel Polypropylen, Polycarbonat, Polyamid, Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymeren oder Polyethylen, Polymethylmethacrylat, Polyoxymethylen, o. ä. gebildet. Dabei können die thermoplastischen Kunststoffe mit Natur,- Glas oder Carbonfasern gefüllt sein.
In einer möglichen Ausgestaltung kann auch das als Anbauteil ausgebildete Bauteil 52 aus einem Faserverbundstoff, einem thermoplastischen Kunststoff mit oder ohne Füllmaterial oder einem mit einer thermoplastischen, Laserstrahlung absorbierenden Oberfläche versehenen duroplastischen Werkstoff gebildet sein. In diesem Fall ist dann das als Trägerbauteil ausgebildete Bauteil 51 insbesondere aus einem lasertransparenten thermoplastischen Kunststoff gebildet.
Zur Herstellung des Bauteilverbunds 50 umfasst die Vorrichtung 1 zumindest einen VCSEL-Oberflächenemitter 2 zur Emission von Laserstrahlung L.
Weiterhin umfasst die Vorrichtung 1 eine erste Bauteilaufnahme 3 zur Aufnahme des als Trägerbauteil ausgebildeten Bauteils 51 und eine zweite Bauteilaufnahme 4 zur Aufnahme des als Anbauteil ausgebildeten Bauteils 52. Die Bauteilaufnahmen 3, 4 können dabei einteilig oder mehrteilig ausgebildet sein.
Ferner umfasst die Vorrichtung 1 zumindest eine aus einem für die von dem VCSEL-Oberflächenemitter 2 emittierte Laserstrahlung L undurchlässigen Material gebildete Maske 5 mit zumindest einem für die Laserstrahlung L durchlässigen Abschnitt 5.1 bis 5.n, wobei der zumindest eine Abschnitt 5.1 bis 5.n beispielsweise als Materialaussparung ausgebildet ist. Mittels der Maske 5 sind dabei geschlossene, unterbrochene und umlaufend geschlossene, in 11 näher dargestellte Fügenähte FN erzeugbar.
Das als Trägerbauteil ausgebildete Bauteil 51 weist zur Fügung mit dem weiteren Bauteil 52 vorgesehene und zumindest abschnittsweise undurchlässig für die mittels des VCSEL-Oberflächenemitters 2 emittierte Laserstrahlung L ausgebildete Fügebereiche TFB auf. Das als Anbauteil ausgebildete weitere Bauteil 52 weist zumindest einen zur Fügung mit dem ersten Bauteil 51 vorgesehenen und durchlässig für die mittels des VCSEL-Oberflächenemitters 2 emittierte Laserstrahlung L ausgebildeten Fügebereich AFB auf. Die Durchlässigkeit ist dabei beispielsweise für Laserstrahlung L in einem Wellenlängenbereich zwischen 600 nm und 2000 nm ausgebildet. Eine Breite des Fügebereichs AFB beträgt beispielsweise 0,1 mm bis 10 mm.
Zu Erzeugung einer Verbindung der Bauteile 51, 52 in den Fügebereichen AFB, TFB ist die Maske 5 derart ausgebildet, angeordnet und ausgerichtet, dass der zumindest eine durchlässige Abschnitt 5.1 bis 5.n zwischen einer Emissionsseite des VCSEL-Oberflächenemitters 2 und dem Fügebereich AFB des als Anbauteil ausgebildeten Bauteils 52 positioniert ist.
Um eine beliebige Ausbildung der Maske 5 zu erzielen, insbesondere um auch durchgängige durchlässige Abschnitte 5.1 bis 5.n realisieren zu können, kann die Maske 5 mehrteilig ausgebildet sein und auf einer für die Laserstrahlung L transparenten, beispielsweise aus Glas gebildeten, Trägeranordnung 6 angeordnet sein.
Beide Bauteile 51, 52 können dabei beliebige mehrdimensionale Formen aufweisen, beispielsweise auch in den Fügebereichen AFB, TFB eine Freiformgeometrie, so dass beispielsweise zwischen verschiedenen Fügebereichen AFB, TFB ein Höhenunterschied Δh auftreten kann. Beispielsweise beträgt der Höhenunterschied Δh in Schweißrichtung 0,1 mm bis 300 mm. Um diesen Höhenunterschied Δh bei der Einbringung von Lichtenergie mittels der Laserstrahlung L in die Fügebereiche AFB, TFB zu berücksichtigen, umfasst die Bauteilaufnahme 4 ein kanalförmiges Leitelement 7.
Das Leitelement 7 ist zur Führung der von dem VCSEL-Oberflächenemitter 2 emittierten Laserstrahlung L in Richtung der Fügebereiche AFB, TFB ausgebildet. Somit kann die Laserstrahlung L in einfacher Weise auch an Positionen geführt werden, welche sonst nur schwierig vom VCSEL-Oberflächenemitter 2 erfassbar sind. Auch kann eine Bündelung oder Streuung der Laserstrahlung L erzielt werden, so dass eine Einstellung einer in den Fügebereichen AFB, TFB wirksamen Energie möglich ist. Zur Sammlung der Laserstrahlung L kann das Leitelement 7 beispielsweise einen Öffnungswinkel von 0 ° bis 45 ° aufweisen. Zur Minimierung von Verlusten kann eine Innenseite des Leitelements 7 derart ausgebildet sein, dass es die Laserstrahlung L reflektiert. Dabei das Leitelement 7, wie auch die Maske 5 selbst, derart ausgebildet, dass eine Reflexion der Laserstrahlung L zurück zum VCSEL-Oberflächenemitter 2 ausgeschlossen ist. Beispielsweise ist eine Innenwandung des Leitelements 7 aus poliertem Metall oder einem reflektierenden Kunststoff gebildet.
Auch ist es möglich, dass das als Anbauteil ausgebildete Bauteil 52 in dessen Fügebereich AFB eine in Schweißrichtung unterschiedlich starke Materialdicke aufweist.
Um eine definierte Menge an aufgeschmolzenem Material während des Fügeprozesses am als Anbauteil ausgebildeten Bauteil 52 zu realisieren, verfügt dieses in einer möglichen Ausgestaltung über eine mehrdimensional gestaltete, beispielsweise einer Freiformgeometrie des anderen Bauteils 51 als Offsetkontur folgende Abschmelzgeometrie 52.1 im Fügebereich AFB. Die Abschmelzgeometrie 52.1 kann dabei einen rechteckigen, prismatischen, runden, ovalen, dreieckigen oder aus Kombinationen dieser gebildeten Querschnitt aufweisen.
Um eine sichere Fügung beider Bauteile 51, 52 sicherzustellen, weist die erste Bauteilaufnahme 3 im Fügebereich TFB eine Anpressanordnung 8, welche zur Erzeugung eines Anpressdrucks F 1 zumindest in zur Aufnahme der Fügebereiche AFB, TFB der Bauteile 51, 52 vorgesehenen Bereichen der Bauteilaufnahmen 3, 4 ausgebildet ist. Der erzeugte Anpressdruck F1 kann dabei gleichmäßig oder ungleichmäßig verteilt sein und/oder konturparallel zum Trägerbauteil wirken. Beispielsweise umfasst die Anpressanordnung 8 hierzu konturparallel zu zumindest einem Bauteil 51, 52 verlaufende Druckstücke, welche beispielsweise Geometrietoleranzen des Trägerbauteils im Bereich von beispielsweise 0,005 mm bis 3 mm ausgleichen können.
Weiterhin weist die erste Bauteilaufnahme 3 im Fügebereich TFB eine Kühlvorrichtung 9 auf, welche zur Kühlung von zur Aufnahme der Fügebereiche AFB, TFB der Bauteile 51, 52 vorgesehenen Bereichen ausgebildet ist.
Weiterhin kann auch die zweite Bauteilaufnahme 4 eine Anpressanordnung 10 aufweisen, welche zur Erzeugung eines Anpressdrucks F2 zumindest in zur Aufnahme der Fügebereiche AFB, TFB der Bauteile 51, 52 vorgesehenen Bereichen der Bauteilaufnahmen 3, 4 ausgebildet ist.
Die zweite Bauteilaufnahme 4 ist in einer nicht näher dargestellten Ausgestaltung gleichzeitig die Maske 5 bzw. Bauteilaufnahme 4 und Maske 5 bilden eine gemeinsame Einheit. Alternativ ist die zweite Bauteilaufnahme 4 in fester oder lösbarer Verbindung mit zumindest einer ein- oder mehrdimensional gestalteten Maske 5, welche gegebenenfalls auf einer Trägeranordnung 6 angeordnet ist, verbunden.
Die zweite Bauteilaufnahme 4 kann dabei einen Höhenunterschied Δh in Schweißrichtung SR zwischen verschiedenen Fügebereichen AFB von beispielsweise 0,1 mm bis 500 mm aufweisen. Auch kann die zweite Bauteilaufnahme 4 einen Höhenunterschied Δh in Schweißrichtung SR innerhalb eines Fügebereichs AFB von beispielsweise 0,1 mm bis 500 mm aufweisen.
Beispielsweise ist die zweite Bauteilaufnahme 4 ausgebildet, ein mehrdimensional, auch mit einer Freiformgeometrie ausgebildetes Anbauteil aufzunehmen und lagerichtig zu fixieren.
Beispielsweise ist die zweite Bauteilaufnahme 4 aus einem laserstrahlungsabsorbierenden Material gebildet.
Beispielsweise weist die zweite Bauteilaufnahme 4 in einem Bereich neben dem Fügebereich AFB einen Auflagebereich AB von beispielsweise 0,1 mm bis 10 mm zur Auflage des Anbauteils auf.
Beispielsweise weist die zweite Bauteilaufnahme 4 in einem Bereich neben dem Fügebereich AFB einen Energieabschirmbereich E von 0,1 mm bis 20 mm zum Anbauteil und Trägerbauteil auf.
Die Vorrichtung 1 ist insbesondere ausgebildet, dass diese einen oder mehrere VCSEL-Oberflächenemitter 2 gleicher oder unterschiedlicher Art aufweisen kann. Dieser zumindest eine VCSEL-Oberflächenemitter 2 kann mehrdimensional verstellt werden. Auch können mehrere VCSEL-Oberflächenemitter 2 unabhängig voneinander mehrdimensional verstellt werden. Ferner ist es möglich, dass der zumindest eine VCSEL-Oberflächenemitter 2 während des Fügevorgangs, beispielsweise durch Ausführen einer mehrdimensionalen Bahnbewegung, in seiner Position verändert werden kann.
Mittels der Vorrichtung 1 ist es beispielsweise möglich, ein mehrdimensional geformtes, als Trägerbauteil ausgebildetes Bauteil 51 mittels des VCSEL-Oberflächenemitters 2 derart mit einem ebenfalls mehrdimensional geformten, als Anbauteil ausgebildeten Bauteil 52 zu fügen, dass ein mehrdimensional geformtes Trägerbauteil mittels eines Oberflächenemitters (VCSEL) mit einem mehrdimensional geformten Anbauteil gefügt wird, derart dass

- ein Airbag-Schusskanal an ein Trägerbauteil gefügt wird,
- ein Luftführungskanal an ein Trägerbauteil gefügt wird,
- Clips- und/oder Klammeraufnahmen an ein Trägerbauteil gefügt werden,
- Schraub- und/oder Schweißdome an ein Trägerbauteil gefügt werden,
- eine Blende an ein Trägerbauteil gefügt wird, wobei
- - die Blende eine Wandstärke von 0,1 mm bis 5 mm aufweisen kann und/oder
- - die Blende eine lackierte Oberfläche auf einer Nichtfügeseite aufweisen kann und/oder
- - die Blende eine mit Dekormaterial versehene Oberfläche auf der Nichtfügeseite aufweisen kann,
- ein gefügtes Anbauteil selbst Trägerbauteil für andere Anbauteile sein kann,
- der Fügevorgang mit einem positionshaltenden VCSEL-Oberflächenemitter 2durchgeführt wird,
- der Fügevorgang mit einem mehrdimensional in seiner Position verstellbaren VCSEL-Oberflächenemitter 2 durchgeführt wird und/oder
- der Fügevorgang mit einer gleichmäßigen oder unterschiedlichen Verfahrgeschwindigkeit des VCSEL-Oberflächenemitters 2 während des Fügevorgangs durchgeführt wird.

5 zeigt schematisch eine perspektivische Ansicht eines Teils einer Vorrichtung 1 zur Herstellung eines Bauteilverbunds 50 mit in dieser angeordneten Bauteilen 51, 52. In 6 ist schematisch eine Schnittdarstellung des Teils der Vorrichtung 1 gemäß 5 dargestellt.
Im Vergleich zu dem in den 1 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Funktionsweise der Vorrichtung 1 derart verändert, dass das als Trägerbauteil ausgebildete Bauteil 51 laserstrahlungsdurchlässig ist und das als Anbauteil ausgebildete Bauteil 52 laserstrahlunsabsorbierend wirkt.
7 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Teils einer Vorrichtung 1 zur Herstellung eines Bauteilverbunds 50.
Die Vorrichtung 1 umfasst einen in mehrere Richtungen X, Y, Z längs verschiebbaren und um eine in Richtung Z verlaufende Hochachse drehbaren VCSEL-Oberflächenemitter 2 sowie einen Auszug 11, welcher in Richtung X ausziehbar ist und die erste Bauteilaufnahme 3 mit einem als Trägerbauteil ausgebildeten Bauteil 51 trägt. Somit ist eine Verstellung des Oberflächenemitters 2 relativ zu den Bauteilen 51, 52 in fünf Richtungen möglich.
In 8 ist eine Draufsicht eines Ausschnitts eines Bauteilverbunds 50 dargestellt. 9 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Ausschnitts des Bauteilverbunds 50 gemäß 8.
Dabei umfasst der Bauteilverbund 50 ein als Trägerteil ausgebildetes erstes Bauteil 51 und ein als Anbauteil ausgebildetes zweites Bauteil 52, wobei die beiden Bauteile 51, 52 gemäß der Beschreibung zu den 1 bis 4 miteinander gefügt sind.
Beide Bauteile 51, 52 können im Bereich ihres Fügebereichs AFB, TFB zumindest abschnittsweise eine Freiformgeometrie aufweisen.
In 10 ist eine perspektivische Ansicht des als Anbauteil ausgebildeten Bauteils 52 gemäß den 8 und 9 dargestellt.
11 zeigt eine Draufsicht eines vergrößerten Ausschnitts des Bauteilverbunds 50 gemäß 8 in einer ersten Ausgestaltung. In 12 ist eine Schnittdarstellung eines Ausschnitts des Bauteilverbunds 50 gemäß 11 dargestellt.
Dabei sind die beiden Bauteile 51, 52 mittels einer unterbrochenen Fügenaht FN miteinander verbunden, wobei eine Länge einer Unterbrechung U beispielsweise 0,1 mm bis 1000 mm aufweisen kann.
Ein Höhenunterschied Δh zwischen den Fügebereichen AFB, TFB kann dabei in Schweißrichtung SR 0,1 mm bis 500 mm betragen.
13 zeigt eine Draufsicht eines vergrößerten Ausschnitts des Bauteilverbunds 50 gemäß 8 in einer zweiten Ausgestaltung. In 14 ist eine Schnittdarstellung eines Ausschnitts des Bauteilverbunds 50 gemäß 13 dargestellt.
Im Unterschied zu der in den 11 und 12 dargestellten ersten Ausgestaltung sind die beiden Bauteile 51, 52 mittels einer umlaufend geschlossenen Fügenaht FN ohne Unterbrechung U miteinander verbunden.
Dabei weist das zweite Bauteil 52 in Schweißrichtung SR eine unterschiedliche Dicke auf, welche bei der Ausführung des Fügeprozesses durch Steuerung einer Einwirkzeit und/oder Einwirkleistung der Laserstrahlung L berücksichtigt wird. Beispielsweise erfolgt in den Bereichen mit höherer Dicke eine Bündelung der Laserstrahlung L mittels eines Leitelements 7.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: VCSEL-Oberflächenemitter
3: erste Bauteilaufnahme
4: zweite Bauteilaufnahme
5: Maske
5.1 bis 5.n: Abschnitt
6: Trägeranordnung
7: Leitelement
8: Anpressanordnung
9: Kühlvorrichtung
10: Anpressanordnung
11: Auszug
50: Bauteilverbund
51: Bauteil
52: Bauteil
52.1: Abschmelzgeometrie
AB: Auflagebereich
AFB: Fügebereich
E: Energieabschirmbereich
F1, F2: Anpressdruck
FN: Fügenaht
L: Laserstrahlung
SR: Schweißrichtung
TFB: Fügebereich
U: Unterbrechung
X: Richtung
Y: Richtung
Z: Richtung
Δh: Höhenunterschied

Claims

Vorrichtung (1) zur Herstellung eines Bauteilverbunds (50) - mit zumindest einem VCSEL-Oberflächenemitter (2) zur Emission von Laserstrahlung (L), - mit einer ersten Bauteilaufnahme (3) zur Aufnahme eines ersten Bauteils (51) mit einem zur Fügung mit einem zweiten Bauteil (52) vorgesehenen und zumindest abschnittsweise undurchlässig für die mittels des VCSEL-Oberflächenemitters (2) emittierte Laserstrahlung (L) ausgebildeten Fügebereich (TFB), - mit einer zweiten Bauteilaufnahme (4) zur Aufnahme eines zweiten Bauteils (52) mit einem zur Fügung mit dem ersten Bauteil (52) vorgesehenen und durchlässig für die mittels des VCSEL-Oberflächenemitters (2) emittierte Laserstrahlung (L) ausgebildeten Fügebereich (AFB), - mit zumindest einer aus einem für die von dem VCSEL-Oberflächenemitter (2) emittierte Laserstrahlung (L) undurchlässigen Material gebildeten Maske (5) mit zumindest einem für die Laserstrahlung (L) durchlässigen Abschnitt (5.1 bis 5.n), - wobei der durchlässige Abschnitt (5.1 bis 5.n) zu einer Positionierung zwischen einer Emissionsseite des VCSEL-Oberflächenemitters (2) und dem Fügebereich (AFB) des zweiten Bauteils (52) ausgebildet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei der durchlässige Abschnitt (5.1 bis 5.n) der Maske (5) einfach oder mehrfach von für die Laserstrahlung (L) undurchlässigen Abschnitten unterbrochen ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Maske (5) eine zweidimensionale Oberflächengeometrie oder eine dreidimensionale Freiformgeometrie aufweist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend zumindest eine Anpressanordnung (8, 10), welche zur Erzeugung zumindest eines Anpressdrucks (F 1, F2) zumindest in zur Aufnahme der Fügebereiche (AFB, TFB) der Bauteile (51, 52) vorgesehenen Bereichen der Bauteilaufnahmen (3, 4) ausgebildet ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine Kühlvorrichtung (9), welche zur Kühlung von zur Aufnahme der Fügebereiche (AFB, TFB) der Bauteile (51, 52) vorgesehenen Bereichen ausgebildet ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mehrere Masken (5) auf einer gemeinsamen für die von dem VCSEL-Oberflächenemitter (2) emittierte Laserstrahlung (L) durchlässigen Trägeranordnung (6) angeordnet sind.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Maske (5) die zweite Bauteilaufnahme (4) bildet.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Maske (5) und/oder die zweite Bauteilaufnahme (4) zumindest ein Leitelement (7) zur Führung der von dem VCSEL-Oberflächenemitter (2) emittierten Laserstrahlung (L) in Richtung der Fügebereiche (AFB, TFB) umfassen/umfasst.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - der zumindest eine VCSEL-Oberflächenemitter (2) mit einer Positionierungsanordnung gekoppelt ist und - die Positionierungsanordnung zu einer mehrdimensionalen Variation einer Position und/oder Ausrichtung des VCSEL-Oberflächenemitters (2) ausgebildet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Bauteilverbunds (50), wobei - ein erstes Bauteil (51), umfassend einen zur Fügung mit einem zweiten Bauteil (52) vorgesehenen Fügebereich (TFB), in eine erste Bauteilaufnahme (3) eingelegt wird, - ein zweites Bauteil (52), umfassend einen zur Fügung mit dem ersten Bauteil (51) vorgesehenen Fügebereich (AFB), in eine zweite Bauteilaufnahme (4) eingelegt wird und zu einer Maske (5) derart ausgerichtet wird, dass ein für mittels eines VCSEL-Oberflächenemitters (2) emittierte Laserstrahlung (L) durchlässiger Abschnitt (5.1 bis 5.n) einer ansonsten aus einem für die Laserstrahlung (L) undurchlässigen Material gebildeten Maske (5) zwischen einer Emissionsseite des VCSEL-Oberflächenemitters (2) und dem Fügebereich (AFB) des zweiten Bauteils (52) angeordnet wird, und - mittels des VCSEL-Oberflächenemitters (2) Laserstrahlung (L) für einen vorgegebenen Zeitraum in Richtung der Maske (5) emittiert wird, - mittels der Laserstrahlung (L) der zumindest abschnittsweise undurchlässig für die mittels des VCSEL-Oberflächenemitters (2) emittierte Laserstrahlung (L) ausgebildete Fügebereich (TFB) des ersten Bauteils (51) erwärmt wird, - durch die Erwärmung ein jeweils in den Fügebereichen (AFB, TFB) angeordneter thermoplastischer Werkstoff geschmolzen wird und - mittels anschließender Abkühlung des thermoplastischen Werkstoffs die Bauteile (51, 52) an den Fügebereichen (AFB, TFB) stoffschlüssig miteinander verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das erste Bauteil (51) und das zweite Bauteil (52) an ihren Fügebereichen (AFB, TFB) zumindest ab einem Zeitpunkt, an dem die thermoplastischen Werkstoffe geschmolzen sind, bis zu einem Zeitpunkt eines Erhärtens der Werkstoffe miteinander verpresst werden.
Bauteilverbund (50), hergestellt in einem Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, umfassend - zumindest ein erstes Bauteil (51) und - zumindest ein stoffschlüssig mit dem ersten Bauteil (51) in einem Fügebereich (AFB, TFB) verbundenes zweites Bauteil (52).
Bauteil (51, 52) für einen Bauteilverbund (50) gemäß Anspruch 12, umfassend - einen für die mittels des VCSEL-Oberflächenemitters (2) emittierte Laserstrahlung (L) undurchlässigen Faserverbundwerkstoff mit einer thermoplastischen Bindematrix oder - einen für die mittels des VCSEL-Oberflächenemitters (2) emittierte Laserstrahlung (L)undurchlässigen Faserverbundwerkstoff mit einer thermoplastischen Bindematrix und einer zumindest im Fügebereich (TFB) angeordneten und aus einem thermoplastischen Material gebildeten Deckschicht oder - einen für die mittels des VCSEL-Oberflächenemitters (2) emittierte Laserstrahlung (L) undurchlässigen Faserverbundwerkstoff mit einer duroplastischen Bindematrix und einer zumindest im Fügebereich (TFB) angeordneten und aus einem thermoplastischen Material gebildeten Deckschicht oder - einen für die mittels des VCSEL-Oberflächenemitters (2) emittierte Laserstrahlung (L) undurchlässigen thermoplastischen Werkstoff.
Bauteil (51, 52) nach Anspruch 13, wobei der Faserverbundwerkstoff Naturfasern und/oder Kunstfasern umfasst.
Bauteil (51, 52) für einen Bauteilverbund (50) gemäß Anspruch 12, umfassend einen zumindest im Fügebereich (TFB) angeordneten und für die mittels des VCSEL-Oberflächenemitters (2) emittierte Laserstrahlung (L) durchlässigen thermoplastischen Werkstoff.