DE102022206071A1 - Fügeeinrichtung für das Laser-Durchstrahlfügen eines thermoplastischen Bauteils mit einem glasartigen Bauteil - Google Patents

Fügeeinrichtung für das Laser-Durchstrahlfügen eines thermoplastischen Bauteils mit einem glasartigen Bauteil Download PDF

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Anna Kolossowski
Tobias Jaus
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Abstract

Eine Fügeeinrichtung für das Laser-Durchstrahlfügen eines thermoplastischen Bauteils (2) mit einem glasartigen Bauteil (3), umfasst- eine Aufnahme zur Lagerung des thermoplastischen Bauteils (2),- eine Spanneinrichtung (5) zur Halterung des glasartigen Bauteils (3) auf dem ersten Bauteil (2) und zur Beaufschlagung der beiden Bauteile (2, 3) mit einer Spannkraft (F), wobei in der Spanneinrichtung (5) ein für den Laserstrahl (9) transmissiver Fenstereinsatz (8) und im glasartigen Bauteil (3) in dessen Dickenrichtung durchgehende Kavitäten (10) zum Eindringen und Verankern von beim Fügeprozess geschmolzenen Thermoplast-Material (11) des thermoplastischen Bauteils (2) vorgesehen sind, und- eine der Spanneinrichtung (5) zugeordnete Unterdruck-Beaufschlagungseinrichtung (6) zur Erzeugung einer Saugwirkung auf das beim Fügeprozess geschmolzene Thermoplast-Materials (11) des thermoplastischen Bauteils (2) in die Kavitäten (10) des glasartigen Bauteils (3) hinein.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Fügeeinrichtung für das Durchstrahlfügen eines thermoplastischen Bauteils mit einem glasartigen Bauteil mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen.
  • Das Durchstrahlfügen oder auch -schweißen mit einem unteren Bauteil aus einem Laser-absorbierenden Material und einem oberen Bauteil aus einem Laser-transmissiven Material, wobei beide Materialien thermoplastisch sind, ist seit langem bekannt und wird für viele Anwendungen industriell eingesetzt. Dabei ist es insbesondere bei speziellen Bauteil-Geometrien bei Bedarf üblich, in dem das obere Bauteil gegen das untere Bauteil beaufschlagenden Spannstempel einen für die Laserstrahlung transmissiven Fenstereinsatz vorzusehen oder den oberen Spannstempel generell aus Glas zu fertigen.
  • Ein anderer Aspekt des Standes der Technik zielt darauf ab, dass in jüngerer Zeit intensive Bestrebungen herrschen, das Laser-Durchstrahlschweißen auch bei Bauteil-Materialpaarungen einzusetzen, bei denen ein Fügepartner nicht aus thermoplastischem Material besteht. Ein Fokus ist dabei auf die Verbindung thermoplastischer mit glasartigen Bauteilen gerichtet, wobei im glasartigen Bauteil in dessen Dickenrichtung durchgehende Kavitäten vorgesehen sind, in die im Fügeprozess geschmolzenes Thermoplast-Material des anderen Bauteils eindringt, erstarrt und damit für eine Verankerung sorgt. Dieser Prozess ist beispielsweise in der WO 2020/157155 A1 in Grundzügen beschrieben, allerdings zeigt diese Druckschrift keine praxistaugliche Fügeeinrichtung für diesen Zweck. Darüber hinaus sind grundsätzliche Probleme bei dieser Fügetechnik im Stand der Technik manifestiert, wie beispielsweise die unzureichende Befüllung der Kavitäten im Glas-Bauteil mit Polymerschmelze, eine thermische Degradation der Polymere des thermoplastischen Fügepartners aufgrund längerer Einwirkdauer der Laserenergie und fehlender Wärmeableitung, insbesondere wenn kein durchgehender direkter Kontakt der Schmelze mit der Oberfläche des Glas-Fügepartners besteht, sowie verlängerte Zykluszeiten wegen notwendigerweise hoher Energieeinträge.
  • Ein Thermoplast-Glas-Fügeprozess, bei dem versucht wird, mittels der Durchstrahl-Technik eine adhäsive Verbindung zwischen den Fügepartnern ohne die Verwendung von Kavitäten im Glas-Bauteil zu realisieren, ist in der DE 10 2012 220 285 A1 offenbart. In der Praxis hat sich dieser Fügeprozess wegen begrenzter Haftkräfte als wenig tauglich erwiesen.
  • Eine Laser-Durchstrahl-Schweißeinrichtung für Hohlkörper mit zu verschweißenden Randkanten ist in der DE 10 2012 216 664 A1 gezeigt. Dort dient zum Verspannen der beiden Bauteile eine über das obere Bauteil druckdicht gespannte, Laser-transmissive Folie, zwischen derer Bauteilzugewandter und Bauteil-abgewandter Oberfläche zur Erzeugung einer Spannkraft ein Differenzdruck erzeugt wird. Diese Spanntechnik ist für das Fügen eines thermoplastischen Bauteils mit einem insbesondere filigranen und damit bruchempfindlichen glasartigen Bauteil nicht geeignet.
  • Der Erfindung liegt ausgehend von der geschilderten Problematik des Standes der Technik die Aufgabe zugrunde, eine für das Durchstrahlfügen eines thermoplastischen Bauteils mit einem glasartigen Bauteil besonders geeignete Fügeeinrichtung anzugeben.
  • Diese Aufgabe wird laut Kennzeichnungsteil des Patentanspruches 1 durch eine der Spanneinrichtung der Fügeeinrichtung zugeordnete Unterdruck-Beaufschlagungseinrichtung zur Erzeugung einer Saugwirkung auf das beim Fügeprozess geschmolzene Thermoplast-Materials des thermoplastischen Bauteils in die Kavitäten des glasartigen Bauteils hinein gelöst.
  • Bei der Erfindungsentwicklung hat sich durch umfangreiche Versuche gezeigt, dass durch die Unterdruck-Unterstützung in der Spanneinrichtung letztere zum einen mit einer vergleichsweise geringen mechanischen Beaufschlagung der in der Regel empfindlichen Glas-Bauteile als oberer Fügepartner arbeiten kann, wobei zum anderen der angelegte Unterdruck nicht nur die Halterung der zu verschweißenden Bauteile aneinander während des Fügeprozesses unterstützt, sondern vor allem das Eindringen des geschmolzenen Thermoplast-Materials in die Kavitäten des glasartigen Bauteils durch die entsprechende Saugwirkung forciert. Damit kann eine wirksame, feste mechanische oder auch adhäsive Verbindung erzielt werden. Für Letztere wird eine Vorbehandlung des Glases beispielsweise durch eine Silanisierung vorgenommen.
  • Zusammenfassend garantiert die erfindungsgemäße Werkzeugtechnologie eine optimale, im Hinblick auf die Bruchempfindlichkeit des glasartigen Bauteils schonende Aufbringung der benötigten Spannkraft bei gleichzeitig optimalem Fließverhalten der Kunststoffschmelze in die Mikro-Strukturen der Kavitäten im glasartigen Bauteil hinein.
  • Bevorzugte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. So kann die Spanneinrichtung als Spannstempel mit einer Strahlöffnung ausgebildet sein, an der eine Saugleitung der Vakuum-Beaufschlagungseinrichtung angeschlossen ist. Dies stellt eine konstruktiv geschickte Realisierung für die Unterdruck-Beaufschlagung der Anordnung dar.
  • Für eine vorteilhafte Regelungsmöglichkeit des Unterdrucks kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform an der Strahlöffnung eine mit einem Druckregelventil versehene Belüftungsleitung angeschlossen sein. Damit ist es zusätzlich möglich, eine gleichmäßige Luftströmung in der Spanneinrichtung zu erzeugen, was die Bildung von Kontaminationen vermeidet und eine Kühlwirkung auf der dem aufschmelzenden Thermoplast-Bauteilabgewandten Seite der Anordnung erzielt. Dies verkürzt die Erstarrungszeit des Thermoplast-Materials in den Kavitäten und reduziert damit die Zykluszeit des Fügeprozesses.
  • Eine weitere vorzugsweise Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Befüllungsgrad der Kavitäten im glasartigen Bauteil mit geschmolzenem Thermoplast-Material beim Fügeprozess über den von der Unterdruck-Beaufschlagungseinrichtung erzeugten Unterdruck steuerbar ist. Die erfindungsgemäße Fügeeinrichtung ist damit variabel an unterschiedlichste Rahmenbedingungen beim Fügeprozess, wie die Dimension, Formgebung, Anordnungsdichte der Kavitäten oder thermische Empfindlichkeit des Polymermaterials anpassbar.
  • Für eine zuverlässige druckdichte Anbindung der Spanneinrichtung, also insbesondere eines entsprechenden Spannstempels, an das zweite glasartige Bauteil hat sich als vorteilhafte Weiterbildung eine flexible Dicht-Zwischenschicht zwischen der Spanneinrichtung und dem glasartigen Bauteil herausgestellt. Diese Dicht-Zwischenschicht kann vorzugsweise durch eine flexible Dicht-Matte gebildet sein, die aus einem flexiblen Silikonmaterial besteht.
  • Für eine definierte, zuverlässige Einstellung und Aufrechterhaltung des Unterdrucks in der Spanneinrichtung ist der Fenstereinsatz für den Durchlass der Laserstrahlung durch den Spannstempel vorzugsweise vakuum-dicht darin montiert.
  • Als bevorzugte Druckwerte bei der Unterdruck-Beaufschlagung der Spanneinrichtung hat sich ein Bereich zwischen 100 mbar und 1000 mbar herausgestellt.
  • Im Hinblick auf die sehr flexible Anwendbarkeit der erfindungsgemäßen Fügeeinrichtung kann diese in vorteilhafter Weise für das Fügen eines thermoplastischen Bauteils mit einem glasartigen Bauteil, das mit mikroskopischen Kavitäten zur Verankerung darin eindringenden geschmolzenen Thermoplast-Materials versehen ist, mit mindestens einem der folgenden Parameter ausgelegt sein:
    • - Durchmesser der Kavitäten im glasartigen Bauteil: 25 µm bis 250 µm,
    • - Flächendichte der Kavitäten im glasartigen Bauteil: 15/mm2 bis 300/mm2,
    • - Kavitäten im glasartigen Bauteil hergestellt durch ein Laserinduziertes Tiefenätzverfahren (LIDE-Verfahren),
    • - Dicke des glasartigen Bauteils: 0,1 mm bis 5,0 mm,
    • - Material des thermoplastischen Bauteils ausgewählt aus Polyacrylaten, Polyamide, Polyacrylonitrilen, Cycloolefin-Copolymeren, Polyester, Polyolefinen, Polycarbonaten oder Styrol-basierten Polymeren
    • - Material des glasartigen Bauteils ausgewählt aus anorganischen, nichtmetallischen Gläsern, wie z.B. Borosilikatgläser, Kalk-Natron-Gläser etc.
  • Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels einer Fügeeinrichtung anhand der beigefügten Zeichnung. Diese
    • 1 zeigt einen schematischen Vertikalschnitt durch eine Fügeeinrichtung.
  • Wie aus der Zeichnung hervorgeht, weist die Fügeeinrichtung eine untere Aufnahme 1 zur Lagerung eines thermoplastischen Bauteils 2 als ersten Fügepartner auf. Ein zweiter Fügepartner wird durch ein Glas-Bauteil 3 gebildet, das mit seiner Unterseite in der Fügezone auf der Oberseite des thermoplastischen Bauteils 2 aufliegt und dort mithilfe einer als Ganzes mit 5 bezeichneten Spanneinrichtung unter Aufbringung einer auf das Glas-Bauteil 3 wirkenden Spannkraft F fixiert wird. Die Spanneinrichtung 5 weist dazu einen Spannstempel 6 auf, der in nicht näher dargestellter Weise in Richtung der Spannkraft F durch eine entsprechende Stelleinrichtung beaufschlagt wird. Im Spannstempel 6 ist eine vertikal durchgehende Strahlöffnung 7 angelegt, die oben bezogen auf 1 durch einen hermetisch dicht in den Spannstempel 6 eingesetzten Fenstereinsatz 8 verschlossen ist. Über den Fenstereinsatz 8 und die Strahlöffnung 7 kann ein Laserstrahl 9 durch das für die Laserstrahlung transmissive Glas-Bauteil 3 auf das darunter angeordnete, für die Laserstrahlung absorbierende Thermoplast-Bauteil 2 geführt werden. Durch die Erhitzung dessen thermoplastischen Materials in der bestrahlten Zone des Thermoplast-Bauteils 2 findet ein Aufschmelzen statt, wobei das geschmolzene Material in die in der bestrahlten Zone in das Glas-Bauteil 3 eingebrachten Kavitäten 10 eindringt. Letztere sind mikroskopische Strukturen, die durch sogenanntes Laserinduziertes Tiefätzen (Laser induced deep etching = LIDE) in das Glas-Bauteil 3 eingearbeitet wurden. Wie in 1 schematisch angedeutet ist, gehen die Kavitäten 10 durch die Dicke des Glas-Bauteils 3 hindurch und erweitern sich zumindest teilweise in Richtung zur vom Thermoplast-Bauteil 2 abgewandten Seite des Glas-Bauteils 3 hin, womit die Kavitäten eine Art Hinterschneidung bilden. Dies kann durch das in der Zeichnung erkennbare V-Profil, aber beispielsweise auch durch eine uhrglasförmige Profilierung der Kavitäten erzielt werden. Durch diese Hinterschneidungen ist das in die Kavitäten 10 eingedrungene und dort erstarrte Schmelzematerial 11 mechanisch stabil verankert.
  • Um die Beaufschlagung der Bauteile 2, 3 zur mechanischen Verspannung und das Eindringen des während des Fügeprozesses geschmolzenen - Materials des Thermoplast-Bauteils 2 in die Kavitäten 10 des Glas-Bauteils 3 zu unterstützen, ist eine Unterdruck-Beaufschlagungseinrichtung 12 vorgesehen, die eine in die Strahlöffnung 7 mündende Saugleitung 13 aufweist. An die Saugleitung ist eine schematisch dargestellte Vakuumpumpe 14 über einen Anschlussstutzen 15 angeschlossen, sodass der Bereich der Strahlöffnung mit einem geeigneten Unterdruck von beispielsweise 500 mbar beaufschlagt ist. Ferner ist an die Strahlöffnung 7 eine durch den Spannstempel 6 hindurchgehende Belüftungsleitung 18 angeschlossen, die mit einem Druckregelventil 19 versehen ist. Damit lässt sich der oben angegebene Unterdruck zielgenau steuern.
  • Um den druckdichten Abschluss zwischen Spannstempel 6 und Glas-Bauteil 3 zu gewährleisten und das bruchempfindliche Glas-Bauteil 3 bei seiner Spannung für den Fügeprozess zu schonen, ist zwischen der Unterseite des Spannstempels 6 und der Oberseite des Glas-Bauteils 3 eine flexible Dicht-Matte 16 eingelegt, die beispielsweise aus einem geeigneten, nachgiebigen Silikon-Material besteht. Die Dicke der Dicht-Matte 16 kann beispielsweise 0,5 mm bis 3 mm betragen. In der vom Laserstrahl 9 beaufschlagten Zone der Fügepartner weist die Dicht-Matte 16 eine entsprechend große, mit der Strahlöffnung 7 fluchtende Zentralöffnung 17 auf.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 2020157155 A1 [0003]
    • DE 102012220285 A1 [0004]
    • DE 102012216664 A1 [0005]

Claims (10)

  1. Fügeeinrichtung für das Laser-Durchstrahlfügen eines thermoplastischen Bauteils (2) mit einem glasartigen Bauteil (3), umfassend - eine Aufnahme zur Lagerung des thermoplastischen Bauteils (2), und - eine Spanneinrichtung (5) zur Halterung des glasartigen Bauteils (3) auf dem ersten Bauteil (2) und zur Beaufschlagung der beiden Bauteile (2, 3) mit einer Spannkraft (F), wobei in der Spanneinrichtung (5) ein für den Laserstrahl (9) transmissiver Fenstereinsatz (8) und im glasartigen Bauteil (3) in dessen Dickenrichtung durchgehende Kavitäten (10) zum Eindringen und Verankern von beim Fügeprozess geschmolzenen Thermoplast-Material (11) des thermoplastischen Bauteils (2) vorgesehen sind, gekennzeichnet durch - eine der Spanneinrichtung (5) zugeordnete Unterdruck-Beaufschlagungseinrichtung (6) zur Erzeugung einer Saugwirkung auf das beim Fügeprozess geschmolzene Thermoplast-Materials (11) des thermoplastischen Bauteils (2) in die Kavitäten (10) des glasartigen Bauteils (3) hinein.
  2. Fügeeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spanneinrichtung (5) einen Spannstempel (6) mit einer Strahlöffnung (7) aufweist, an der eine Saugleitung (13) der Unterdruck-Beaufschlagungseinrichtung (12) angeschlossen ist.
  3. Fügeeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass an der Strahlöffnung (7) eine mit einem Druckregelventil (18) versehene Belüftungsleitung (17) angeschlossen ist.
  4. Fügeeinrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Befüllungsgrad der Kavitäten (10) im glasartigen Bauteil (3) mit geschmolzenem Thermoplast-Material (11) beim Fügeprozess über den von der Unterdruck-Beaufschlagungseinrichtung (12) erzeugten Unterdruck steuerbar ist.
  5. Fügeeinrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Unterdruck-dichten Anbindung der Spanneinrichtung (5) an das zweite, insbesondere glasartige Bauteil (3) eine flexible Dicht-Zwischenschicht zwischen der Spanneinrichtung (5) und dem zweiten, glasartigen Bauteil (3) vorgesehen ist.
  6. Fügeeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicht-Zwischenschicht durch eine flexible Dicht-Matte (16), eine Beschichtung, Ring-Dichtungen, flexibel umspritzte Elemente oder dergleichen gebildet ist.
  7. Fügeeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicht-Matte (16), Ring-Dichtungen, flexibel umspritzte Elemente oder dergleichen aus einem flexiblen Silikonmaterial besteht.
  8. Fügeeinrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Fenstereinsatz (8) Vakuum-dicht im Spannstempel (6) montiert ist.
  9. Fügeeinrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckwerte bei der Unterdruck-Beaufschlagung zwischen 100 mbar und 1500 mbar liegen.
  10. Fügeeinrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie ausgelegt ist für das Fügen eines thermoplastischen Bauteils mit einem glasartigen Bauteil mit mindestens einem der folgenden Parameter: - Durchmesser der Kavitäten (10) im glasartigen Bauteil: 25 µm bis 250 µm, - Flächendichte der Kavitäten (10) im glasartigen Bauteil: 15/mm2 bis 300/mm2, - Kavitäten (10) im glasartigen Bauteil hergestellt durch ein Laserinduziertes Tiefenätzverfahren (LIDE-Verfahren), - Dicke des glasartigen Bauteils (3): 0,1 mm bis 5,0 mm, - Material des thermoplastischen Bauteils (2) ausgewählt aus Polyacrylaten, Polyamide, Polyacrylonitrilen, Cyclonolefin-Copolymeren, Polyester, Polyolefinen, Polycarbonaten oder Styrol-basierten Polymeren - Material des glasartigen Bauteils (3) ausgewählt aus anorganischen, nichtmetallischen Gläsern, insbesondere Borosilikatgläsern oder Kalk- Natron-Gläsern.
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