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Die Erfindung betrifft eine Klebeverbindung von mindestens zwei Fügepartnern, die unterschiedliche Materialien umfassen, wobei zwischen den Fügepartnern eine Klebeschicht vorgesehen ist, die aus zwei Komponenten variierter Zusammensetzung zusammengesetzt ist.
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Das Fügeverfahren Kleben hat bei der Herstellung von Kraftfahrzeugen seinen festen Stellenwert eingenommen. Kleben ist ein dabei ein Fügeverfahren zur Herstellung einer festen, nicht lösbaren Verbindung zweier Fügepartner. Das Kleben ermöglicht ein Fügen auch nicht schweißbarer Werkstoffe ohne Verwendung von mechanischen Verbindungen, beispielsweise Nieten und/oder Schrauben.
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Das Kleben wird insbesondere angewendet beim Verbinden von Metallen mit Nichtmetallen, beispielsweise Holz, Kunststoff, Gummi, Glas oder Porzellan. Ferner wird es angewendet in den Fällen, in denen die zu fügenden Werksstoffe durch eine Schweißung nachteilige Veränderungen ihrer mechanisch-technologischen Eigenschaften erfahren, beispielsweise ausgehärtetes Duralumin. Vor allem dünne Werkstücke, die sich nur unter großem Aufwand oder gar nicht nieten oder schweißen lassen, können durch Kleben miteinander gefügt werden. Überdies bietet das Metallkleben im Großreihenbau fertigungstechnische und wirtschaftliche Vorteile.
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Die Bindung erfolgt unter Adhäsion, d. h. durch physikalisch-chemische Bindekräfte im Molekularbereich der beiden Oberflächen. Der mechanischen Haftung infolge mechanischer Verankerung wird weitaus geringere Bedeutung zugemessen. Zur Herstellung einwandfreier Metallklebungen müssen die nachfolgenden Bedingungen erfüllt werden: Gute und gleichmäßige Benetzbarkeit der Klebeflächen durch den Klebstoff und möglichst geringe innere Spannung nach dem Abbinden des Klebstoffs, d. h. geringe Neigung zum Schrumpfen beim Abbinden. Eigenspannungen können zu einer Verminderung der Bindefestigkeit führen, besonders wenn noch eine ungenügende Benetzbarkeit vorliegt. Weitere Bedingungen sind das Fehlen von Gas- oder. Lufteinschlüssen in der Klebeschicht und klebgerechte Sauberkeit der zu fügenden Partner, also die Freiheit von Schmutz, Fett und anderen Verunreinigungen.
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Gerade bei der Fügung von einem Metall mit einem Nichtmetall führen deutlich unterschiedliche Wärmekoeffizienten der Fügepartner zu größerer Scherweg ausgeglichen werden, desto größer die Schichtdicke ist. Der zweite Lösungsansatz variiert. Insbesondere bei großen Fügepartnern mit einer entsprechend ausgedehnten Klebeschicht treten aufgrund der inneren Spannungen große Scherkräfte an den Außenbereichen der Klebeverbindung auf. Dies kann zu einer Verwerfung oder Verformung des nichtmetallischen Fügepartners bis hin zu einem Lösen der Klebeverbindung führen.
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Die gattungsbildende
DE 197 39 580 A1 offenbart eine Klebeverbindung von mindestens zwei Fügepartnern, die unterschiedliche Materialien umfassen, wobei zwischen den Fügepartnern eine Klebeschicht vorgesehen ist, die aus zwei Komponenten variierter Zusammensetzung zusammengesetzt ist. Insbesondere werden zwei verschiedene Klebeschichten beschrieben, nämlich eine Fixier-Klebeschicht mit einem schnell aushärtbaren Klebstoff, der auch aus einem Zweikomponentenkleber bestehen kann, sowie eine die Endfestigkeit der Verbindung erzeugende Klebeschicht, die unter normalen Umgebungstemperaturen langsam aushärtet.
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Ferner beziehen sich die
DE 41 39 437 A1 sowie die
DE 197 39 580 A1 jeweils auf den Gedanken eines Klebespalts mit variabler Dicke, nämlich mit einem dünnen Bereich und mit einem dicken Bereich.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Klebeverbindung von mindestens zwei Fügepartnern auszuführen, die unterschiedliche Materialien umfassen.
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Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Klebeverbindung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist also eine Klebeverbindung von mindestens zwei Fügepartnern vorgesehen, bei der die Zusammensetzung der Komponenten von einem Bereich der Klebeverbindung mit harter Klebeschicht zu einem Bereich mit weicher Klebeschicht variiert, wobei die Zusammensetzung der Komponenten der Klebeschicht entlang des Verlaufs von einem Bereich zu einem anderen Bereich variiert und wobei die zweite Komponente ein Härter ist, der eine Vernetzungsreaktion einleitet.
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Um einen Ausgleich der auftretenden inneren Spannung aufgrund von Scherkräften bereit zu stellen, ist zwischen den Fügepartnern eine Klebeschicht mit variierter Schichtdicke vorgesehen. Alternativ oder zusätzlich kann die Zusammensetzung der Komponenten der Klebeschicht variiert werden. Die Klebeschicht mit einer größeren Schichtdicke kann den Scherweg zwischen den beiden Fügepartnern ausgleichen. Dabei kann ein umso größerer Scherweg ausgeglichen werden, desto größer die Schichtdicke ist. Der zweite Lösungsansatz variiert die Zusammensetzung der Komponenten der Klebeschicht, denn eine weichere Klebeschicht kann bei gleichbleibender Schichtdicke ebenfalls einen größeren Scherweg ausgleichen als eine harte Klebeschicht. Die Kombination beider Ausgleichsprinzipien, also Variation der Schichtdicke und Variation der Zusammensetzungen, verbindet die Funktion beider Lösungsansätze in vorteilhafter Weise.
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Die Klebeverbindung weist dabei eine Klebeschicht auf, die aus zwei Komponenten zusammengesetzt ist, wobei die zweite Komponente ein Härter ist, der eine Vernetzungsreaktion einleitet. Die Härtung bzw. Vernetzung erfolgt unter Einwirkung von Temperatur und/oder Zeit als Polymerisation, Polykondensation bzw. Polyaddition. Hierdurch entstehen räumlich vernetzte Makromoleküle. Zusätzlich kann dem Härter als weitere Komponente ein Beschleuniger zugeführt werden.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Klebeverbindung nimmt die Schichtdicke von einem Bereich der Klebeverbindung mit dünner Schichtdicke zu einem Bereich mit größerer Schichtdicke zu. Besonders vorteilhaft ist dabei eine kontinuierliche bzw. gleichmäßige Zunahme, um durch den stetig vergrößerten Ausgleich die Scherspannungen aufzunehmen.
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Besonders bevorzugt erfolgt die Abnahme der Härte der Klebeverbindung kontinuierlich bzw. gleichmäßig, um einen stetigen Ausgleich der auftretenden Scherkräfte bereit zu stellen.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Klebeverbindung sind im Bereich der dünnen Schichtdicke und/oder der harten Klebeschicht zusätzlich mechanische Verbindungen zwischen den Fügepartnern vorgesehen. Dies können Kombinationen von Kleben mit Punktschweißen, Nieten sowie Schrauben sein. Dabei verhindert die Klebeverbindung ein vorzeitiges Aufwölben der Fügepartner zwischen den mechanisch verbundenen Punkten. Ferner lassen sich Spannungsspitzen an den Verbindungspunkträndern abbauen und die Zahl der Verbindungspunkte reduzieren. Bei dynamisch beanspruchten Konstruktionen erhöhen sich die dynamische Festigkeit, Steifigkeit sowie die Dämpfung. Bei punktgeschweißten Verbindungen wird bevorzugt geschweißt, wenn die Klebeschicht noch in viskoser Form vorliegt. Anderenfalls wirkt die Klebeverbindung isolierend.
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Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in den Zeichnungen dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigen in
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in einer schematischen Skizze, bei dem ein Dach eines Kraftfahrzeuges an einer Fahrzeugkarosserie geklebt ist;
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2 eine Querschnittsansicht durch die Linie A–A in 1;
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3 eine Querschnittsansicht durch die Linie B–B in 1;
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4 eine zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in einer schematischen Skizze, bei dem die Klebeschicht in einer Türfuge vorgesehen ist.
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1 zeigt in vereinfachter Skizze schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Klebeverbindung, die einen ersten Fügepartner 1 mit einem zweiten Fügepartner 2 verbindet. In dem Beispiel der Figur ist als erster Fügepartner eine Dachaußenhaut 1 dargestellt, die auf einem Klebeflansch 2 eines Dachrahmens einer Kraftfahrzeugkarosserie (nicht gezeigt) als zweiten Fügepartner befestigt ist.
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Zwischen der Dachaußenhaut 1 und dem Klebeflansch 2 ist die erfindungsgemäße Klebeschicht 3 angeordnet, die durch Schrägstriche angedeutet wird. In etwa der Mitte der längeren Seite des Verbindungsumfangs befindet sich ein Bereich 4 der Klebeschicht 3 mit einer dünnen Klebeschicht 3. In diesem Bereich liegt die Schnittlinie A-A, die nachfolgend in der 2 detaillierter beschrieben wird. Die Schichtdicke der Klebeschicht 3 nimmt von dem Bereich 4 ausgehend zu den Bereichen 5 zu, die an der Stirnseite der Dachaußenhaut 1 angeordnet sind. In dem Bereich 5 ist der Schnitt B-B durch eine gestrichelte Linie angedeutet und dieser Schnitt wird in der 3 detaillierter dargestellt.
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Obwohl in dieser Darstellung nur eine Variation der Schichtdicke dargestellt wird, ist es offensichtlich, dass auch die Zusammensetzung der Komponenten der Klebeschicht 3 entlang des Verlaufs von dem Bereich 4 zu dem Bereich 5 variiert wird. Dabei ist erfindungsgemäß der Klebstoff im Bereich 4 härter und durch Variation der Komponenten im Bereich 5 weicher.
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Durch die Pfeile 6 wird die Richtung einer Verschiebung der Fügepartner 1 und 2 zueinander aufgrund der Wärmeausdehnung dargestellt. Dabei ist es klar, dass aufgrund der unterschiedlichen Materialien, beispielsweise besteht das Dach 1 aus Kunststoff und die Karosserie des Kraftfahrzeugs aus Metall, die beiden Fügepartner 1, 2 sich unterschiedlich ausdehnen. Durch Veränderung beider Parameter, der Schichtdicke und der Härte, kann die Klebeschicht 3 den im Bereich 5 aufgrund der Aufsummierung der Verschiebungen zu den Stirnseiten hin größeren Scherweg ausgleichen.
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In der 2 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A aus der 1 dargestellt. Sie zeigt die Dachaußenhaut 1, die auf einer Klebeschicht 3 aufliegt. Mittels der Klebeschicht 3 ist die Dachaußenhaut 1 auf einem Klebeflansch 2 eines seitlichen Dachrahmens 7 befestigt.
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3 zeigt eine zur 2 entsprechende Querschnittsansicht der Fahrzeugkonstruktion, allerdings entlang der Linie B-B aus der 1. Der Unterschied zwischen den Darstellungen in den beiden 2 und 3 besteht in der Schichtdicke der Klebeschicht 3. Diese ist in 3 größer, also dicker, ausgebildet, um die in dem Bereich 5 im Vergleich zu dem Bereich 4 (aus 1) größeren Scherspannungen auszugleichen.
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Durch die feste Verklebung aufgrund dünnerer Klebeschicht 3 und aufgrund eines härteren Klebstoffs im Bereich 4 wird die Gesamtkonstruktion durch die Beplankung mittels des Daches 1 steifer und stabiler. Dennoch wird durch die Ausgleichsmöglichkeit in dem Bereich 5 und weiter in Bereich der Stirnflächen eine unterschiedliche Wärmeausdehnung der verklebten Fügepartner 1, 2 zugelassen. Dadurch wird eine Verformung und/oder Verwölbung der Dachfläche 1 verhindert.
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Die Schichtdicke und die Zusammensetzung der Klebeschicht 3 kann durch eine einstellbare Düsengeometrie der Klebstoff auftragenden Roboter erfolgen. Ferner sind zur Einstellung der Schichtdicke und der Zusammensetzung eine Variation der Auftragsgeschwindigkeit und eine Steuerung der Durchflussmengen der Klebstoffkomponenten während des Vorgangs der Klebschichtauftragung sinnvoll.
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In der 4 ist ein zweites Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Klebeverbindung gezeigt. In der 4 ist eine Beplankung 8 gezeigt, die mittels einer Klebeschicht 9 an der Kraftfahrzeugkarosserie 10 befestigt ist. Der Einsatz des zweiten Beispiels erfolgt in einem Karosseriebereich, an dem ein Verschieben der Beplankung 8 an der Karosserie 10 möglichst verhindert werden soll, beispielsweise an einer Türfuge 10. In unmittelbarer Nähe zur Türfuge 10 ist die Klebeschicht 9 dünn und/oder hart. Die Schichtdicke und die Zusammensetzung der Klebeschicht 9 wird nun mit wachsender Entfernung zu der Türfuge 10 verändert, d. h. die Schichtdicke der Klebeschicht 8 wird größer und der Klebstoff selber immer weicher. Dies wird in der 4 durch den Pfeil 11 angedeutet. Hier wird ähnlich wie im ersten Beispiel der Ausgleich zwischen den beiden Fügepartnern 8 und 10 durch Variation der Klebeschicht 9 ermöglicht und den momentanen Anforderungen angepasst.
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An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass alle oben beschriebenen Teile für sich alleine gesehen und in jeder Kombination, insbesondere die in der Zeichnung dargestellten Details, als erfindungswesentlich beansprucht werden. Abänderungen hiervon sind dem Fachmann geläufig.
