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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
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Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der Internationalen Anmeldung Nr.
PCT/CN2014/074945 , eingereicht am 9. April 2014, mit dem Titel "Systems and Methods for Reinforced Adhesive Bonding" (Systeme und Verfahren zum verstärkten Kleben), wobei die Anmeldung in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme hier mit aufgenommen ist.
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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Technologie betrifft Klebung für Substratmaterialien. Genauer bietet die Technologie verstärkte Klebung auf verschiedene Weisen durch die Verwendung von Lotmaterial.
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HINTERGRUND
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Konstruktionsklebstoffe ersetzen in vielen Anwendungen Schweißungen und mechanische Befestigungselemente, weil Konstruktionsklebstoffe Ermüdung und Versagen vermindern, die um Schweißungen und Befestigungselemente herum üblicherweise zu finden sind. Konstruktionsklebstoffe können auch an Schweißungen und mechanischen Befestigungselementen dort bevorzugt sein, wo eine Beständigkeit gegenüber Biegung und Schwingung erwünscht ist.
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Kleben ("adhesive bonding") verwendet Konstruktionsklebstoffe, um eine Substratfläche aus einem Material mit einer anderen Substratfläche aus dem gleichen Material oder einem anderen Material zu verbinden. Kleben wird weitläufig in Anwendungen verwendet, bei welchen ein Fügen von unähnlichen Materialien erforderlich ist, oder in Anwendungen, die das Fehlen von elektrischer Spannung und Strom erfordern. Zusätzlich kann Kleben helfen, durch Beseitigen eines Substratmaterialkontakts mit Befestigungselementen und anderen korrosiven Elementen die Korrosionsbeständigkeit zu verbessern.
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Wenn Konstruktionsklebstoffe auf Substratflächen aufgetragen werden, bildet sich am Ort des Zusammentreffens der Substratflächen eine Verbindungslinie. Eine Gleichmäßigkeit innerhalb der Verbindungslinie ist ein wichtiger Faktor für ein optimales Klebeleistungsvermögen, womit vorgegeben wird, dass die Dicke der Verbindungslinie beim Entwurf einer Verbindungsnaht entscheidend ist.
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Wenn beträchtliche Kräfte vorhanden sind, können Konstruktionsklebstoffe, die beim Kleben verwendet werden, belastet sein (1) normal zu der Verbindungslinie, was einen Schäleffekt erzeugt, der bewirkt, dass Substratmaterialien sich auf unterschiedlichen Ebenen befinden (d.h. Schälbruch), oder (2) senkrecht zur Vorderkante eines Bruchs, ob in der Ebene oder außerhalb der Ebene, was einen Schereffekt erzeugt, bei welchem Substratmaterialien auf der gleichen Ebene verbleiben (d.h. Scherbruch). Obgleich Brechen in der Regel vermieden wird, ist dann, wenn Brechen erfolgt, ein Scherbruch gegenüber einem Schälbruch bevorzugt, weil ein Scherbruch zum Hervorrufen eines Versagens eine größere äußere Belastung als die bei einem Schälbruch erfordert.
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Manchen Konstruktionsklebstoffen können Glasperlen hinzugefügt werden, um eine Gleichmäßigkeit der Verbindungslinie für eine angemessene Verbindungsliniendickensteuerung sicherzustellen. Die Verwendung von Glasperlen kann jedoch Festigkeitsprobleme innerhalb des Konstruktionsklebstoffes hervorrufen, weil Glasperlen sich nicht mit Substratmaterialien verbinden.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Es besteht ein Bedarf für einen Konstruktionsklebstoff, der eine Verbindungsliniengleichmäßigkeit erzeugt und eine Bruchausbreitung entlang einer Bruchstrecke fördert, die den größten Betrag an Bruchenergie erfordert. Die vorliegende Offenbarung betrifft Systeme und Verfahren zum Herstellen eines Konstruktionsklebstoffes, der Verbindungsliniengleichmäßigkeit erzeugt und die Klebnahtfestigkeit verbessert, indem eine Bruchstrecke mit dem größten Betrag an Bruchenergie ermöglicht wird.
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Gemäß einem Aspekt umfasst die vorliegende Technologie ein Verbindungssystem, umfassend (i) einen Klebstoff in Kontakt mit einer ersten Kontaktfläche eines ersten Substrats und einer zweiten Kontaktfläche eines zweiten Substrats, und (ii) ein Lotnetz, das zumindest teilweise in dem Klebstoff angeordnet ist, wobei zumindest ein Abschnitt des Lotnetzes mit der ersten Kontaktfläche in Kontakt steht.
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In manchen Ausführungsformen ist das Lotnetz in einer Verteilung angeordnet, die (i) eine Rissausbreitung beendet oder (ii) eine Rissausbreitung entlang einer Strecke fördert, die in zumindest einem Teilstück des Systems einen größten Betrag an Bruchenergie erfordert.
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In manchen Ausführungsformen umfasst das Lot eine Beschichtung, die ausgestaltet ist, um (i) eine Rissausbreitung in dem Klebstoff zu beenden oder (ii) eine Rissausbreitung umzulenken und somit ein Versagen in einer Scherrichtung durch den Klebstoff hindurch benachbart zu zumindest einem Abschnitt des Lotnetzes zu fördern.
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In manchen Ausführungsformen ist das Lotnetz ferner in Kontakt mit der zweiten Kontaktfläche angeordnet.
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Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst die vorliegende Technologie ein Verfahren zum Herstellen einer lotverstärkten Klebung, die ein erstes Substrat und ein zweites Substrat fügt, umfassend (i) Auftragen eines Klebstoffes auf einer ersten Kontaktfläche des ersten Substrats, (ii) Anordnen eines Lotnetzes zumindest teilweise in dem Klebstoff, so dass das Lotnetz mit der ersten Kontaktfläche in Kontakt steht, (iii) Verbinden einer zweiten Kontaktfläche des zweiten Substrats mit einem Abschnitt des Klebstoffes gegenüber der ersten Kontaktfläche; und (iv) Anwenden von Wärme auf die erste Kontaktfläche, so dass zumindest ein Abschnitt des Lotnetzes eine Lotverbindungstemperatur erreicht.
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In manchen Ausführungsformen ist das Lotnetz in einer Verteilung angeordnet, die (i) eine Rissausbreitung beendet oder (ii) eine Rissausbreitung entlang einer Strecke fördert, die in zumindest einem Teilstück der Verbindung einen größten Betrag an Bruchenergie erfordert.
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In manchen Ausführungsformen umfasst das Lot eine Beschichtung, die ausgestaltet ist, um (i) eine Rissausbreitung in dem Klebstoff zu beenden oder (ii) eine Rissausbreitung umzulenken und somit ein Versagen in einer Scherrichtung durch den Klebstoff hindurch benachbart zu zumindest einem Abschnitt des Lotnetzes zu fördern.
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In manchen Ausführungsformen ist das Lotnetz ferner in Kontakt mit der zweiten Kontaktfläche angeordnet.
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Manche Ausführungsformen umfassen ferner ein Anwenden von Wärme auf die zweite Kontaktfläche, so dass der zumindest eine Abschnitt des Lotnetzes die Lotverbindungstemperatur erreicht.
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Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst die vorliegende Technologie ein Verfahren zum Herstellen einer lotverstärkten Klebung, die ein erstes Substrat und ein zweites Substrat fügt, umfassend (i) Anordnen einer ersten Fläche eines Lotnetzes in Kontakt mit der ersten Kontaktfläche des ersten Substrats, (ii) Auftragen eines Klebstoffes auf einer zweiten Fläche des Lotnetzes entgegengesetzt zu der ersten Fläche des Lotnetzes, (iii) Verbinden einer zweiten Kontaktfläche des zweiten Substrats mit einem Abschnitt des Klebstoffes gegenüber der ersten Kontaktfläche, und (iv) Anwenden von Wärme auf die erste Kontaktfläche, so dass zumindest ein Abschnitt des Lotnetzes ein e Lotverbindungstemperatur erreicht.
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In manchen Ausführungsformen ist das Lotnetz in einer Verteilung angeordnet, die (i) eine Rissausbreitung beendet oder (ii) eine Rissausbreitung entlang einer Strecke fördert, die in zumindest einem Teilstück der Verbindung den größten Betrag an Bruchenergie erfordert.
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In manchen Ausführungsformen umfasst das Lotnetz eine Beschichtung, die ausgestaltet ist, um (i) eine Rissausbreitung in dem Klebstoff zu beenden oder (ii) eine Rissausbreitung umzulenken und somit ein Versagen in einer Scherrichtung durch den Klebstoff hindurch benachbart zu dem zumindest einen Abschnitt des Lotnetzes zu fördern.
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In manchen Ausführungsformen sind darüber hinaus eine oder mehrere der Mehrzahl von Lotpartikeln in Kontakt mit der zweiten Kontaktfläche angeordnet.
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Manche Ausführungsformen umfassen ferner ein Anwenden von Wärme auf die zweite Kontaktfläche, so dass der zumindest eine Abschnitt des Lotnetzes die Lotverbindungstemperatur erreicht.
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Weitere Aspekte der vorliegenden Technologie werden zum Teil deutlich sein und zum Teil nachstehend herausgestellt werden.
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BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 veranschaulicht eine Seitenansicht einer beispielhaften Ausführungsform eines Verbindungssystems.
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2 veranschaulicht eine Seitenansicht einer alternativen Ausführungsform des Verbindungssystems von 1.
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3 veranschaulicht eine Seitenansicht einer alternativen Ausführungsform des Verbindungssystems von 1.
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4 ist ein Graph, der Last und Verschiebung von Klebstoffen (i) ohne Lotkugeln, (ii) mit Lotkugeln in Kontakt mit einer Substratfläche von 2, und (iii) mit Lotkugeln in Kontakt mit beiden Substratflächen von 1 veranschaulicht.
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5 veranschaulicht eine Explosionsperspektivansicht einer beispielhaften Ausführungsform des Verbindungssystems, das Lotkugeln mit einer gesammelten Verteilung und einem verringerten Klebstoffvolumen enthält.
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6 ist ein Graph, der Energieabsorption von Klebstoffen veranschaulicht, die (i) keine Lotkugeln, (ii) die Lotkugelkonfiguration der 1 und 2, und (iii) die Lotkugelkonfiguration mit einer verringerten Klebstoffverbindungsliniendicke von 4 enthalten.
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7 veranschaulicht eine Explosionsperspektivansicht der beispielhaften Ausführungsform des Verbindungssystems, das Lotkugeln mit einer zufälligen Verteilung und einer Lotkugelbeschichtung enthält.
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8 ist ein Graph, der Last und Verschiebung von (i) der Ausführungsform von 1, die Lotkugeln ohne Beschichtung enthält, und (ii) der Ausführungsform von 6, die Lotkugeln mit Beschichtung enthält, veranschaulicht.
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9 veranschaulicht eine Draufsicht einer Ausführungsform des Verbindungssystems, das Lotkugeln mit einer linearen Verteilung enthält.
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10 veranschaulicht eine alternative Ausführungsform des Verbindungssystems, das Lotkugeln mit einer mäandernden Verteilung enthält.
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11 veranschaulicht Last und Verschiebung von Klebstoffen (i) ohne Lotkugeln (ii) mit Lotkugeln, die eine zufällige Verteilung von 6 enthalten, (iii) mit Lotkugeln, die eine lineare Verteilung von 8 enthalten, und (iv) Lotkugeln, die eine mäandernde Verteilung von 9 enthalten.
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12 ist eine graphische Darstellung, die die Festigkeit von Klebstoffen, die (i) thermoplastisches Material und (ii) thermoplastisches Material einschließlich das Lotmaterial enthalten.
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13 veranschaulicht eine Explosionsperspektivansicht der beispielhaften Ausführungsform des Verbindungssystems, das ein Lotnetz enthält.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Wie erforderlich, sind hierin detailliert dargelegte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung offenbart. Die offenbarten Ausführungsformen sind lediglich Beispiele, die in verschiedenen und alternativen Formen und Kombinationen davon verkörpert sein können. Wie es hierin verwendet wird, beziehen sich zum Beispiel, beispielhaft, veranschaulichend und ähnliche Begriffe weitreichend auf Ausführungsformen, die als eine Veranschaulichung, Probe, Modell oder Muster dienen.
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Die Beschreibungen sind innerhalb des Gedankens der Beschreibung breit aufzufassen. Zum Beispiel sollen Verweise auf Verbindungen zwischen irgendwelchen zwei Teilen hierin miteinschließen, dass die zwei Teile direkt oder indirekt miteinander verbunden sind. Als ein anderes Beispiel soll eine einzelne hierin beschriebene Komponente, wie etwa in Verbindung mit einer oder mehreren Funktionen, so interpretiert werden, dass sie Ausführungsformen abdeckt, in welchen mehr als eine Komponente verwendet wird, anstatt die Funktion/Funktionen zu erfüllen. Umgekehrt – d.h. Beschreibungen von mehreren Verbindungen, die hierin in Verbindung mit einer oder mehreren Funktionen beschrieben sind, sind derart zu interpretieren, dass sie Ausführungsformen abdecken, in welchen eine einzelne Komponente die Funktion/Funktionen erfüllt.
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In manchen Fällen sind allgemein bekannte Komponenten, Systeme, Materialien oder Verfahren nicht im Detail beschrieben worden, um keine Unklarheiten bei der vorliegenden Offenbarung zu schaffen. Spezifische konstruktive und funktionelle Details, die hierin offenbart sind, sollen daher nicht als einschränkend interpretiert werden, sondern lediglich als eine Basis für die Ansprüche und als eine repräsentative Basis, um den Fachmann zu lehren, die vorliegende Offenbarung anzuwenden.
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Obgleich die vorliegende Technologie primär in Verbindung mit Herstellungskomponenten eines Fahrzeugs in der Form eines Automobils beschrieben ist, ist in Betracht zu ziehen, dass die Technologie in Verbindung mit Herstellungskomponenten von anderen Fahrzeugen, wie etwa Wasserfahrzeugen und Luftfahrzeugen, und keine Fahrzeuge betreffenden Vorrichtungen, implementiert werden kann.
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I. Verbindungssystem
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Nun den Figuren zugewandt und speziell der ersten Figur, veranschaulicht 1 die Schnittansicht eines Verbindungssystems, das mit Bezugszeichen 100 identifiziert ist. Das Verbindungssystem 100 umfasst einen Konstruktionsklebstoff 200 und Lotmaterial 300, die verwendet werden, um ein erstes Substrat 110 an ein zweites Substrat 120 zu fügen.
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Die Substrate 110, 120 sind die Materialien, die miteinander verbunden werden sollen. Die Substrate 110, 120 können aus der gleichen oder unterschiedlichen Materialzusammensetzungen zusammengesetzt sein. Typische Substratmaterialien umfassen Aluminium, Stahl, Magnesium, Verbundstoff oder dergleichen.
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Der Klebstoff 200 ist ein Konstruktionsmaterial, das verwendet wird, um eine Kontaktfläche 115 des ersten Substrats 110 mit einer Kontaktfläche 125 des zweiten Substrats 120 zu verbinden. Der Klebstoff 200 bildet einen Verbindungsbereich (häufiger als eine Verbindungslinie 210 bezeichnet, in einer Schnittansicht zu sehen) zwischen den Kontaktflächen 115, 125. In den 1 und 2 erstreckt sich die Verbindungslinie 210 seitlich zwischen den Substraten 110, 120 und weist eine Dicke 212 auf.
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Die Verbindungslinie 210 bildet sich, wenn Wärme und/oder Druck auf das zumindest eine der Substrate 110, 120 aufgebracht wird. Alternativ kann sich die Verbindungslinie 210 dadurch bilden, dass das System 100 erwärmt wird, ohne ein Heizelement in direkten Kontakt mit einem der Substrate zu bringen, z.B. das System 100 in einen Ofen gestellt wird.
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Wie oben festgestellt wurde, ist die Verbindungsliniengleichmäßigkeit entscheidend bei dem Entwurf einer Verbindungsfuge, da die Gleichmäßigkeit innerhalb der Verbindungslinie bezüglich eines Optimums für die Leistungsfähigkeit eines Klebstoffes wichtig ist. Manche Literatur zieht in Betracht, dass dünne Verbindungslinien gegenüber dicken Verbindungslinien bevorzugt sind, weil die Spannungskonzentration an einer Fugenecke in dünnen Verbindungslinien kleiner ist. Zusätzlich ist eine Luftraumkonzentration in dünnen Verbindungslinien im Vergleich mit dicken Verbindungslinien vermindert, weil das Volumen des Klebstoffes in dünnen Verbindungslinien weniger Raum dafür lässt, dass sich Lufthohlräume bilden.
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In der vorliegenden Offenbarung beträgt die Dicke 212 ungefähr zwischen etwa 0,05 bis etwa 0,3 Millimeter (mm). Wenn die Kontaktflächen 105, 115 relativ flach sind, kann als ein Beispiel die Verbindungslinie 210 eine Dicke 212 von ungefähr 0,2 mm aufweisen, um für eine optimale Scher- und Zugfestigkeit zu sorgen.
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In manchen Ausführungsformen ist es erwünscht, dass verbundene Substrate 110, 120 nach der Montage trennbar sind. Um eine Reversibilität in der Verbindung zuzulassen, kann die Zusammensetzung des Klebstoffes 200 Materialien umfassen, deren Festigkeit bei Aufbringung einer Auslöseenergie, wie etwa Wärme, abnimmt.
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Klebstoffe auf der Basis von thermoplastischen Polymeren (nachstehend als thermoplastischer Klebstoff bezeichnet) sind in Szenarien zweckmäßig, wo eine Demontage von verbundenen Komponenten, z.B. System 100, erwünscht ist, da thermoplastische Klebstoffe weich werden, wenn sie über eine Schwellentemperatur erwärmt werden. Trennbare thermoplastische Klebstoffe beseitigen traditionelle mechanische Befestigungselemente (z.B. Schrauben, Muttern) und vereinfachen die Konstruktion bei hermetisch abgedichteten Baugruppen, die einen nachträglichen Zugriff auf Komponenten nach der Montage erfordern.
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Thermoplastische Klebstoffe werden weich, wenn sie erwärmt werden, um die Demontage zu erleichtern. Ein Erwärmen desselben thermoplastischen Klebstoffes nach der Demontage lässt zu, dass sich der thermoplastische Klebstoff wieder verbindet, wodurch zugelassen wird, dass derselbe Klebstoff während mehrerer Montage-Demontage-Zyklen wiederverwendet werden kann. Jedoch nimmt die Festigkeit thermoplastischer Klebstoffe aufgrund der leichten Formbarkeit bei mäßig hohen Temperaturen ab.
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In manchen Ausführungsformen umfasst der Klebstoff 200 das thermoplastische Material, um eine Demontage und eine erneute Montage des Systems 100 zuzulassen, sowie das Lotmaterial 300, um zum Beispiel die Festigkeit des thermoplastischen Klebstoffes unter Umgebungstemperatur und erhöhter Temperatur zu erhöhen. In Ausführungsformen mit thermoplastischem Material können die Lotkugeln 300 in einem Temperaturbereich schmelzen und fest werden, der ähnlich demjenigen ist, in welchem das thermoplastische Material weich wird und sich verfestigt. Zum Beispiel kann das System 100, wenn es mit dem trennbaren thermoplastischen Klebstoff verbunden wird, in Szenarien, in welchen eine Reparatur notwendig ist, auf einem Montageband demontiert, nachgearbeitet und erneut montiert werden.
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Weitere Ausführungsformen und Anordnungen des Klebstoffes 200 sind nachstehend in Verbindung mit den 1–4 und 12 beschrieben.
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Das Lotmaterial 300 wird in Verbindung mit dem Klebstoff 200 verwendet, um eine Brücke zwischen den Substraten 110, 120 zu bilden. Anders als der Stand der Technik, der Glasperlen innerhalb von Konstruktionsklebstoffen enthalten kann, fördert die vorliegende Technologie die Verbindung der Substrate 110, 120 unter Verwendung des Klebstoffes 200 mit dem Lotmaterial 300.
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Das Lotmaterial 300 hat die Fähigkeit, sich während des Herstellungsprozesses (z.B. eines Aushärtungsprozesses) mit zumindest einem der Substrate 110, 120 zu verbinden. Die Verwendung von Lotmaterial 300 ermöglicht es, dass sich ein Riss 220 entlang einer Bruchstrecke 222, 224 oder 226, nachstehend beschrieben, ausbreitet, welche mehr Bruchenergie zur Rissausbreitung in dem Klebstoff 200 erfordert und die Energieabsorptionsfähigkeit des Systems 100 erhöht.
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Das Lotmaterial 300 kann mit einer Schicht Klebstoff 200 bedeckt sein, so dass das Lotmaterial 300 nach der Montage nicht mit einer oder beiden Kontaktflächen 115, 125 in direktem Kontakt steht. Jedoch wird der Klebstoff 200 während nachfolgender Herstellungsprozesse (z.B. Erwärmen und Pressen) geschmeidig und verschiebt sich, um zuzulassen, dass das Lotmaterial 300 einen Kontakt mit einer oder beiden Kontaktflächen 115, 125 herstellen kann.
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Das Einarbeiten von Lotmaterial 300 in den Klebstoff 200 verbessert auch die Bruchfestigkeit einer Verbindung, die Substrate 110, 120 fügt. Als ein Beispiel kann ein Bruchschwellenwert in einem Klebstoff ohne Lotmaterial ungefähr in der Nähe von 1,8 Newton/Millimeter (N/mm) auftreten, wohingegen der gleiche Bruch in Klebstoff, der Lotmaterial enthält, bei ungefähr in der Nähe von 11,5 N/mm auftreten kann.
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Die hierin angeführten Ausführungsformen und Beispiele veranschaulichen und beschreiben das Lotmaterial 300 als kugelförmig (z.B. Lotkugeln), was eine gleichmäßige Verteilung des Lotmaterials 300 von benachbartem Lotmaterial 300 durch den gesamten Klebstoff 200 hindurch fördert. Jedoch kann das Lotmaterial 300 andere Formen umfassen, wie etwa, aber nicht darauf beschränkt, Zylinder, Rechtecke und dergleichen. Die Verwendung geformten Lotmaterials 300 kann bei Anwendungen vorteilhaft sein, zum Beispiel (1) wo ein gewünschter Kontakt des Lotmaterials 300 nur zu einer der Kontaktflächen 115, 125 vorliegt, (2) das Lotmaterial 300 spezifisch auf den Substraten 110, 120 platziert ist (z.B. durch einen Herstellungsprozess – d.h. Heiß-/Kaltspritzen) oder (3) das Lotmaterial 300 strategisch innerhalb des Klebstoffes 200 platziert ist (z.B. durch einen Herstellungsprozess – z.B. Heiß-/Kaltspritzen).
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In manchen Ausführungsformen kann das Lotmaterial 300 vor dem Verbinden der zweiten Kontaktfläche 125 mit Klebstoff 200 kombiniert werden. Zum Beispiel können der Klebstoff 200 und das Lotmaterial 300 ein Klebstoff-Lot-Gemisch erzeugen, das gelagert werden kann, bis das Gemisch auf die erste Kontaktfläche 115 abgegeben wird. Als ein anderes Beispiel können der Klebstoff 200 und das Lotmaterial 300 ein Klebstoff-Lot-Band erzeugen, wobei der Klebstoff 200 in der Form eines doppelseitigen Klebebandes vorliegt, wobei das Lotmaterial 300 in dem Band eingebettet ist. Um das Verbinden zu ermöglichen, kann das Lot-Klebstoff-Band auf die erste Kontaktfläche 115 gelegt werden, bevor die zweite Kontaktfläche 125 verbunden wird.
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Das Lotmaterial 300 sollte von einer Abmessung sein, die zulässt, dass es mit zumindest einem der Substrate 110, 120 Kontakt hat. Wenn ein Kontakt mit beiden Substraten 110, 120 erwünscht ist, kann das Lotmaterial 300 derart ausgestaltet sein, dass es eine Abmessung geringfügig größer als die Verbindungslinie 210 aufweist.
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Wenn zum Beispiel die Verbindungslinie 210 eine Dicke 212 von 0,2 mm aufweist, kann das Lotmaterial 300 eine Lotkugel mit einer Abmessung von ungefähr in der Nähe von 0,2 mm oder größer sein, um eine Kompression des Lotmaterials 300 während des Verbindens sicherzustellen, was ein angemessenes Fügen mit den Kontaktflächen 115, 125 sicherstellen wird.
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Wenn ein Kontakt nur an einem der Substrate 110 oder 120 erwünscht ist, kann es erwünscht sein, dass das Lotmaterial 300 eine Abmessung geringfügig kleiner als die Verbindungslinie 210 aufweist. Wenn als ein Beispiel die Verbindungsliniendicke 212 ungefähr 0,2 mm beträgt, kann das Lotmaterial 300 eine Lotkugel mit einer Abmessung von ungefähr 0,1 mm sein, um sicherzustellen, dass das Lotmaterial 300 nicht groß genug ist, dass es während des Verbindens mit beiden Flächen 115, 125 in Kontakt gelangt. Das Lotmaterial 300 kann zum Beispiel während eines Herstellungsprozesses an der zweiten Kontaktfläche 125 (in 2 zu sehen) befestigt werden, so dass dann, wenn der Klebstoff 200 aufgetragen wird, dass Lotmaterial 300 nur mit der Kontaktfläche 125 in Kontakt steht und nur der Klebstoff 200 mit der ersten Kontaktfläche 115 in Kontakt steht.
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Das Lotmaterial 300 kann aus irgendeinem im Handel erhältlichen Material oder einer kundenspezifischen Zusammensetzung zusammengesetzt sein. Wenn zumindest eines der Substrate 110, 120 zumindest teilweise aus Metall und/oder Metallverbundstoffen zusammengesetzt ist, können Verbundstoffmaterialien das Lotmaterials 300 Materialien, wie etwa Zinn (Sn), Blei (Pb), Silber (Au), Kupfer (Cu), Zink (Zn), Wismut (Bi) und/oder dergleichen, umfassen. Wenn zumindest eines der Substrate 110, 120 zumindest teilweise aus Polymer und/oder Polymerverbundstoffen zusammengesetzt ist, kann die Zusammensetzung des Lotmaterials 300 auch Polymermaterialien umfassen, wie etwa Polycarbonat (PC), Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Divinylbenzol (DVB) und/oder dergleichen.
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Erwünschte Charakteristiken des Lotmaterials 300 umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt, (1) eine Dichte, die sich zum Verbinden eignet, (2) eine Temperatur, die sich zum Verbinden eignet, und (3) eine erhöhte Zugfestigkeit gegenüber dem Stand der Technik.
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Die Dichte sollte derart sein, dass das Lotmaterial 300 seine Struktur beibehält, wenn es vor dem Verbinden in den Klebstoff 200 eingearbeitet wird. Die Dichte des Lotmaterials 300 kann ungefähr zwischen etwa 2,50 und etwa 15,00 g/cm3 betragen. Zum Beispiel kann eine Lotkugel, die Zinn-Blei (Sn-Pb) oder Zinn-Silber-Kupfer (Sb-Ag-Cu oder SAC) enthält, eine Dichte ungefähr in der Nähe von 7,5 g/cm3 aufweisen, was für eine angemessene Dichte zum Verbinden sorgt, wenn zumindest eines der Substrate 110, 120 zumindest teilweise aus Metall und/oder Metallverbundstoffen zusammengesetzt ist. Als ein anderes Beispiel kann eine Lotkugel, die Ethenylbenzol oder Divinylbenzol (DVB) enthält, eine Dichte ungefähr in der Nähe von 0,9 g/cm3 aufweisen.
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Die Temperatur sollte derart sein, dass sich das Lotmaterial 300 verbindet, ohne Verbundstoffmaterialien des Substrats 110, 120 zu beeinträchtigen (z.B. zu verformen). Die Verbindungstemperaturen des Lotmaterials 300 können ungefähr zwischen etwa 0,7 und 1,0 einer Schmelztemperatur des Lotmaterials 300 betragen. In manchen Ausführungsformen ist es erwünscht, ein Lotmaterial einzuschließen, das einen Schmelzpunkt von weniger als 200°C aufweist, um ein Ablösen (z.B. einen Bruch) des Lotmaterials 300 von den Kontaktflächen 115, 125 zu verhindern.
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Die Zugfestigkeit sollte die Festigkeit des Systems 100 unter Zugkräften im Vergleich mit einem Klebstoff ohne Füllmaterial oder einem Klebstoff, der nicht verbindendes Füllmaterial enthält, erhöhen. Wenn zum Beispiel Lotmaterial 300 in Verbindung mit dem Klebstoff 200 verwendet wird, kann das Gesamtsystem 100 eine Zugfestigkeit von ungefähr zwischen etwa 50 MPa und 150 MPa aufweisen, wohingegen ein Automobilklebstoff alleine eine Zugfestigkeit von ungefähr zwischen etwa 15 MPa und 35 MPa aufweisen kann und ein Automobilklebstoff mit Glasperlen eine Zugfestigkeit von ungefähr zwischen etwa 15 MPa und 35 MPa aufweisen kann.
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In manchen Ausführungsformen kann das Lotmaterial 300 in der Form eines Netzes 310 aus Lotmaterial vorliegen (wie es in 13 zu sehen ist). Die Verwendung des Netzes 310 kann in Anwendungen vorteilhaft sein, wo der Klebstoff 200 zum Beispiel thermoplastische Polymermaterialien enthält.
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Das Netz 310 kann teilweise aus irgendeiner Kombination aus Lotmaterial zusammengesetzt sein, wie etwa, jedoch nicht darauf begrenzt, Lotdraht, Lotkugeln, Lotscheiben und dergleichen. Das Netz 310 kann ein kontinuierliches Netz oder Gitter aus Lotmaterial sein, zum Beispiel, ein Lotdrahtnetz, das Lotkugeln enthält, oder eine alternative Form. In manchen Ausführungsformen kann das Netz 310 Nicht-Lotmaterialien umfassen, wie etwa Polymere oder Thermoplaste, um die Struktur des Netzes zu unterstützen oder beim Verbinden des Netzes 310 und des Klebstoffes mit den Substraten 110, 120 zu helfen.
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Das Netz 310 sollte eine Dicke 315 aufweisen, die das Verbinden der Kombination aus dem Klebstoff 200 und dem Netz 310 mit zumindest einem der Substrate 110, 120 ermöglicht. Die Dicke 315 kann bis zu einem Punkt zunehmen, dass das Netz 310 eine Verbindung zwischen den beiden Substraten 110, 120 ermöglichen kann.
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Das Lotmaterial 300 kann gemäß irgendeiner der hierin beschriebenen verschiedenen Ausführungsformen konfiguriert und angeordnet sein, einschließlich in Verbindung mit den 6–10 und 13 nachstehend.
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II. Ausführungsformen des Konstruktionsklebstoffes – Fig. 1 bis Fig. 6
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In manchen Ausführungsformen ist die Verbindungsliniendicke 212 derart, dass das Lotmaterial 300 sich an beide Kontaktflächen 115, 125 fügen kann (in 1 zu sehen). Das Fügen des Lotmaterials 300 an beide Kontaktflächen 115, 125 hat Vorzüge, die umfassen, dass ein Riss 220 gefördert wird, der sich in dem Klebstoff 200 ungefähr in der Nähe des Lotmaterials 300 gemäß einer Bruchstrecke ausbreitet, die den größten Betrag an Bruchenergie erfordert (d.h. den Betrag an Energie, der erforderlich ist, um einen Bruch zu beginnen – z.B. Riss 220). Der Riss 220 kann sich (i) entlang einer im Voraus identifizierten Bruchstrecke 222 ausbreiten (als eine Reihe von kurzen durchgezogenen Pfeilen in 1 dargestellt), (ii) entlang einer im Voraus identifizierten Bruchstrecke 224 ausbreiten (als eine Reihe von gestrichelten Pfeilen in 1 dargestellt), (iii) entlang einer im Voraus identifizierten Bruchstrecke 226 ausbreiten (als eine Reihe von langen durchgezogenen Pfeilen in 1 dargestellt), oder (iv) an der Grenzfläche des Klebstoffes 200 und des Lotmaterials 300 enden.
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Die Bruchstrecken 222, 224, 226 korrelieren im Allgemeinen mit einer Strecke des größten Widerstandes für irgendeinen Bruch. Weil der Klebstoff 200 im Allgemeinen schwächer ist als die Substrate 110, 120 und das Lotmaterial 300, können sich die Bruchstrecken durch den Klebstoff 200 hindurch, wie es durch die Bruchstrecken 222, 224 veranschaulicht ist, oder entlang einer der Kontaktflächen, wie es durch die Bruchstrecke 226 veranschaulicht ist, erstrecken.
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Wenn sich der Riss 220 um jegliches Lotmaterial 300 herum ausbreitet, wird die Bruchstrecke 222 entlang von einer der Kontaktflächen 115, 125 gebildet, wie es in 1 gezeigt ist. Obwohl 1 die Bruchstrecke 222 derart zeigt, dass sie sich um jegliches Lotmaterial 300 herum zu der ersten Kontaktfläche 115 hin erstreckt, könnte sich alternativ die Bruchstrecke 222 um irgendeines oder mehrere Stücke des Lotmaterials 300 zu der zweiten Kontaktfläche 125 hin erstrecken. Obwohl 1 die Bruchstrecke derart zeigt, dass sie sich um jegliches aufeinanderfolgendes Lotmaterial 300 herum fortsetzt, kann tatsächlich, wenn sich die Bruchstrecke 222 jeglichem nachfolgenden Lotmaterial 300 annähert, die Bruchstrecke 222 (i) um das Lotmaterial 300 herumwandern, (ii) durch das Lotmaterial 300 hindurchwandern, (iii) einer der Kontaktflächen 115, 125 entlangwandern oder (iv) an der Grenzfläche des Klebstoffes 200 und des Lotmaterials 300 enden.
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Die Bruchstrecke 224 wird gebildet, wenn sich der Riss 220 durch das Lotmaterial 300 hindurch und dann in den Klebstoff 200 hinein ausbreitet, bevor er das nachfolgende Lotmaterial 300 erreicht. Ähnlich wie die Bruchstrecke 222, wenn die Bruchstrecke 224 jegliches nachfolgende Lotmaterial 300 erreicht, kann die Bruchstrecke 224 (i) um das Lotmaterial 300 herumwandern, (ii) durch das Lotmaterial 300 hindurchwandern, oder (iii) einer der Kontaktflächen 115, 125 entlangwandern, oder (iv) an der Grenzfläche des Klebstoffes 200 und des Lotmaterials 300 enden.
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Die Bruchstrecke 226 wird gebildet, wenn sich der Riss 220 um das Lotmaterial 300 herum und entlang einer der Kontaktflächen 115, 125 ausbreitet. Anders als die Bruchstrecken 222, 224, wenn die Bruchstrecke 226 gebildet wird, fährt der Riss 220 fort, sich entlang der Kontaktfläche 115, 125 auszubreiten, wo der Riss 220 begann.
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Alternativ kann der Riss 220 an jeder Grenzfläche des Klebstoffes 200 und des Lotmaterials 300 entlang der Strecken 222, 224, 226 enden. Ein Enden des Risses 220 kann innerhalb des Systems 100 hoch erwünscht sein, weil eine verringerte oder beseitigte Ausbreitung des Risses 220 ein Versagen des Systems 100 aufgrund von Bruch verhindern kann.
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In manchen Ausführungsformen ist die Verbindungsliniendicke 212 derart, dass sich das Lotmaterial 300 an nur eine der Kontaktflächen 115, 125 fügt (in 2 zu sehen). Ein Vorzug eines Beschränkens darauf, dass das Lotmaterial 300 mit einer Kontaktfläche 115 oder 125 in Kontakt steht, ist die Fähigkeit, unähnliche Substratmaterialien zu fügen (z.B. Metallmaterial mit einem Verbundstoffmaterial – z.B. Polymerverbundstoff gefügt), ohne die Unversehrtheit von einem der Substrate 110, 120 zu beeinträchtigen.
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Zusätzlich lässt ein Fügen des Lotmaterials 300 an eine der Kontaktflächen 115, 125 einen Riss 230 innerhalb des Klebstoffes 200 ungefähr in der Nähe des Lotmaterials 300 entlang einer Bruchstrecke ausbreiten, die die meiste Bruchenergie erfordert (z.B. den Betrag an Energie, der erforderlich ist, um den Riss 230 zu beginnen). Der Riss 230 kann sich (i) entlang einer im Voraus identifizierten Bruchstrecke 232 ausbreiten (als eine Reihe von durchgezogenen Pfeilen in 2 gezeigt), (ii) entlang einer im Voraus identifizierten Bruchstrecke 234 ausbreiten (als eine Reihe von gestrichelten Pfeilen in 2 gezeigt), oder (iii) an der Grenzfläche des Klebstoffes 200 und des Lotmaterials 300 enden, wie es nachstehend beschrieben ist.
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In manchen Ausführungsformen ist es erwünscht, das Volumen des Konstruktionsklebstoffes 200, der bei dem Verbindungsprozess verwendet wird, zu verringern. Ein Verringern des Volumens des Klebstoffes 200 kann vorteilhaft sein, indem es zu einer dünneren Verbindungslinie 210 führt. Ein Verringern des Volumens des Klebstoffes 200 führt zusätzlich zu Klebstoffmaterialeinsparungen. Andere Vorzüge der Verwendung weniger Klebstoffes können rationalisierte Herstellungsprozesse und das Zulassen umfassen, dass der Klebstoff auf einem größeren Oberflächenbetrag verwendet werden kann.
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In manchen Ausführungsformen kann die Menge des Klebstoffes 200 durch die Anwesenheit einer Substratoberflächenanpassung – z.B. eines Vorsprungs, eines Vorstands, eines Höckers oder einer Erhebung 130 (in 2 gezeigt), verringert werden. Die Erhebung 130 kann an zumindest einer der Kontaktflächen 115, 125 angeordnet sein, um die Menge des aufgetragenen Klebstoffes 200 zu verringern. Die Erhebung 130, die in 2 veranschaulicht ist, kann während eines Herstellungsprozesses an die Substrate 110, 120 geklebt werden, oder im Fall von Blech kann die Erhebung 130 während eines Blechumformprozesses thermisch gepresst oder auf andere Weise zu der Erhebung 130 ausgebildet werden.
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Die Erhebung 130 fördert die Scherbelastung im Allgemeinen in einer Richtung, die in den Substraten 110, 120 eingeschlossen ist, für den Klebstoff 200 in einer Übergangszone 235, die nachstehend beschrieben ist, um eine Rissausbreitung in dem Klebstoff 200 zu beenden und die Energieabsorptionsfähigkeit des Systems 100 zu erhöhen. Eine Bruchstreckenausbreitung aufgrund der Anwesenheit von Erhebungen 130 wird nachstehend ebenfalls beschrieben.
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Wenn das erste Substrat 110 eine andere Zusammensetzung als das zweite Substrat 120 aufweist, kann das Verbinden der Substrate 110, 120 gemäß der vorliegenden Technologie einen zusätzlichen Vorzug einer verbesserten Festigkeit an der Verbindungslinie 210 im Vergleich mit dem Stand der Technik haben. Genauer ist zum Beispiel die Verbindungslinie 210 durch das Einarbeiten von Lotmaterial 300 stärker, weil die Energie, die erforderlich ist, um eine Bruchstreckenausbreitung um das Lotmaterial 300 herum einzuleiten, höher ist als die Energie, die für eine Bruchstreckenausbreitung in dem Klebstoff alleine oder entlang einer Klebstoff/Metall-Grenzfläche erforderlich ist.
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Wie oben erwähnt wurde, kann sich der Riss 230 entlang der Bruchstrecke 232 ausbreiten. Die Bruchstrecke 232 kann sich um jegliches Lotmaterial 300 sowie jegliche Erhebungen 130 herum entlang einer der Kontaktflächen 115, 125 ausbreiten. Ein Zwingen der Bruchstrecke 232, Richtungen entlang der Kontaktfläche 115 zu wechseln, bildet eine Übergangszone 235, die ein Bereich zwischen der oberen Fläche der Erhebungen 130/Lotkugeln 300 und der gegenüberliegenden Kontaktfläche (d.h. der ersten Kontaktfläche 115 in dem Beispiel von 2) ist. Diese Übergangszone 235 erzwingt eine Rissausbreitung in der Form eines Scherbruches, weil die Strecke des geringsten Widerstandes für jeglichen Bruch endet, wobei er um das Lotmaterial 300 und durch den Klebstoff hindurch anstatt durch das Lotmaterial 300 hindurch erfolgt. Obwohl 2 die Bruchstrecke 232 derart zeigt, dass sie sich um jegliches nachfolgende Lotmaterial 300 oder die Erhebung 130 herum fortsetzt, kann sich tatsächlich, wenn die Bruchstrecke 232 sich jeglichem nachfolgenden Lotmaterial 300 annähert, die Bruchstrecke 232 (i) um das Lotmaterial 300 herumwandern, (ii) durch das Lotmaterial 300 hindurchwandern, oder (iii) an der Grenzfläche des Klebstoffes 200 und des Lotmaterials 300 enden.
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Der Riss 230 kann sich alternativ entlang einer Bruchstrecke 234 ausbreiten, wobei die Ausbreitung durch das Lotmaterial 300 hindurch aber um die Erhebungen 130 herum erfolgt. Wenn sich der Riss 230 durch ein Lotmaterial 300 hindurch ausbreitet, wird die Bruchstrecke 234 der Übergangszone 235 nicht wie bei der Bruchstrecke 232 erzeugt. Jedoch wird die Übergangszone 235 erzeugt, wenn die Bruchstrecke 234 auf die Erhebung 130 trifft und somit die Richtung entlang der Kontaktfläche 115 ändern muss.
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Alternativ kann der Riss 230 an jeder Grenzfläche des Klebstoffes 200 und des Lotmaterials 300 entlang der Strecken 232, 234 enden. Das Enden des Risses 230 kann innerhalb des Systems 100 hoch erwünscht sein, weil eine verringerte oder beseitigte Ausbreitung des Risses 230 ein Versagen des Systems 100 aufgrund von Bruch verhindern kann.
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In manchen Ausführungsformen kann es erwünscht sein, eine Verzerrungsverformung während des Verbindens zu verringern. Eine Verzerrungsverformung kann auftreten, z.B. wenn Substrate 110, 120 unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Der Unterschied der Wärmeausdehnungsrate kann eine Verzerrung im Inneren eines jeden der Substrate 110, 120 hervorrufen, was zu einem Ablösen (z.B. Bruch) der Verbindungslinie 210 führen kann.
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In manchen Ausführungsformen kann die Flächenanpassung eine Nut 140 umfassen (in 3 gezeigt). Die Nut 140 kann in jedes der Substrate 110, 120 während eines Herstellungsprozesses eingeprägt werden. In dem Fall eines Blechs kann die Nut 140 während eines Blechumformprozesses thermisch gepresst oder auf andere Weise in den Substraten 110, 120 ausgebildet werden.
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Ähnlich wie die Erhebung 130 ändert die Nut 140 die Belastungsbedingung der Baugruppe 100 zwischen dem ersten Substrat 110 und dem zweiten Substrat 120, gegenüber einer Schälbruchbedingung zu einer Scherbruchbedingung, da sich der Riss entlang der Verbindungslinie 210 ausbreitet. Jedoch kann die Kombination aus der Nut 140 und den Lotkugeln 300 ausreichend sein, um zu verhindern, dass sich ein Riss bildet und/oder durch den Klebstoff 200 hindurch ausbreitet, da das Lotmaterial 300 duktiler als der Klebstoff 200 ist.
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Die Nut 140 kann im Allgemeinen durch eine Form an einem oder beiden der Substrate 110, 120 definiert sein. Die Nut 140 kann rechtwinklig oder rund sein (wie es in 3 gezeigt ist) oder eine andere geometrische Form, und ihr kann eine Tiefe 145 zugeordnet sein, um eine Verzerrung innerhalb Substrate 110, 120 zu verringern.
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Wenn die Nut 140 gerundet ist, definiert die Form eine konkave Nut, im Allgemeinen wie es in 3 gezeigt ist. Es ist jedoch festzustellen, dass die Nut 140 auch eine im Allgemeinen konvexe Nut definieren kann. Die Tiefe 145, die einer gerundeten Nut zugeordnet ist, kann einen Wert haben, so dass die Substrate 110, 120 während des Verbindens nicht verzerrt werden. Eine annehmbare Tiefe 145 für eine gerundete Nut ist in manchen Ausführungsformen ein Bruchwert der Dicke des Substrats 110, 120 bis zu einem Wert, der ein Vielfaches der Dicke des Substrats 110, 120 beträgt. Zum Beispiel kann die Nut 140 zwischen ungefähr 0,05 mm und ungefähr 10 mm betragen, gemessen von der Basis der Nut 140 aus.
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Wenn die Nut 140 rechtwinklig ist, definiert die Form im Allgemeinen eine rechtwinklige Nut mit gerundeter Kante, wie es in 3 gezeigt ist. Es ist jedoch festzustellen, dass die Nut 140 auch eine rechtwinklige Nut mit anderen Übergangskanten definieren kann – z.B. rechtwinklig, gerade oder dergleichen. Die Tiefe 145, die einer rechtwinkligen Nut zugeordnet ist, kann einen solchen Wert haben, dass die Substrate 110, 120 während des Verbindens nicht verzerrt werden. Eine annehmbare Tiefe 145 für eine rechtwinklige Nut ist in manchen Ausführungsformen ein Bruchwert der Dicke des Substrats 110, 120 bis zu einem Wert, der ein Vielfaches der Dicke des Substrats 110, 120 beträgt. Zum Beispiel kann die Nut 140 zwischen ungefähr 0,05 mm und ungefähr 10 mm betragen, gemessen von der Basis der Nut 140 aus.
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Es ist festzustellen, dass eines oder beide der Substrate 110, 120 mehrere Flächenanpassungen (z.B. Erhebung 130 und Nut 140) in intermittierenden Intervallen (z.B. Abstand 147 in 3 gesehen) entlang einer Längsachse umfassen kann/können. Ein intermittierendes Intervall, wie etwa Abstand 147, sollte derart sein, dass eine Nut 140 angemessen von einer nachfolgenden Nut 140 beabstandet ist. Ein annehmbarer Abstand 147 kann ein Wert zwischen ungefähr 10 mm und ungefähr 100 mm sein.
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Obwohl die Nuten 140 entworfen sind, um eine Verformung zu verhindern und ein sicheres Verbinden der Substrate 110, 120 zu ermöglichen, um einen Bruch zu verhindern, kann sich ein Riss, wenn ein Bruch auftritt, entlang von Bruchstrecken ausbreiten, wie es oben beschrieben wurde. Wenn das Lotmaterial 300 mit beiden Substraten 110, 120 in Kontakt steht, wie es in 1 gezeigt ist, wären genauer die Bruchstrecken ähnlich wie die Bruchstrecken 222, 224 und/oder 226, die in Verbindung mit 1 beschrieben wurden. Wenn jedoch das Lotmaterial 300 mit nur einem der Substrate 110, 120 in Kontakt steht, wie es in 2 zu sehen ist, wären die Bruchstrecken ähnlich wie die Bruchstrecken 232 und/oder 234, die in Verbindung mit 2 beschrieben wurden.
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4 veranschaulicht Last, γ (N/mm) [y-Achse], über Verschiebung, δ (mm) [x-Achse], von (i) einem Klebstoff ohne Lotkugeln (durch eine erste Datenzeile 312 dargestellt), (ii) einem Klebstoff, der Lotkugeln in Kontakt mit einer Substratfläche enthält (durch eine zweite Datenzeile 314 dargestellt), und (iii) einem Klebstoff, der Lotkugeln in Kontakt mit beiden Substratflächen enthält (durch eine dritte Datenzeile 316 dargestellt). Wie es zu sehen ist, weist die erste Datenzeile 312 allgemein eine Oberflächenspannung auf, die unterhalb derjenigen der zweiten und dritten Datenzeilen 314 und 316 liegt, was den Klebstoff gegen Bruch anfällig macht, im Vergleich mit den Klebstoffen, die Lotkugeln enthalten. Die Oberflächenspannung der zweiten und dritten Datenzeilen 314 und 316 variiert abhängig von der Verschiebung des Klebstoffes, was die Wahl von Lotkugeln mit einem einzigen Kontakt oder Lotkugeln mit doppeltem Kontakt als eine Präferenz möglich macht, die sich aus der Anwendung und dem Gebrauch des Klebstoffes ableitet.
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In manchen Ausführungsformen kann eine Verringerung der verwendeten Menge an Klebstoff 200 auch mit der Schaffung von Leerräumen, wie etwa Hohlräumen 240 (in 5 gezeigt), einhergehen. Jeder Hohlraum 240 kann ein Leerraum, innerhalb von Klebstoff 200, mit irgendeiner Anzahl von Formen oder Größen sein. 5 veranschaulicht auch eine Ausführungsform des Systems 100, die Lotmaterial 300 enthält, das gemäß einer gesammelten Verteilung angeordnet ist.
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Die gesammelte Verteilung von Lotmaterial 300 kann bei Anwendungen vorteilhaft sein, bei denen der Klebstoff 200 in einem Flächenbereich (und somit Volumen) aufgrund des Vorhandenseins eines Leerraums innerhalb des Klebstoffes 200, wie etwa des oben erwähnten Hohlraums 240 verringert ist. Das Volumen des Klebstoffes 200 ist aufgrund einer Verringerung einer Verbindungslinienbreite 214 in im Voraus identifizierten Bereichen innerhalb des Klebstoffes 200 verringert. Die Verteilungsdichte des Lotmaterials 300 nimmt zu, wo die Breite 214 am schmalsten ist (z.B. zwischen den Hohlräumen 240).
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Die Verteilungsdichte kann zum Beispiel durch eine Abgabeeinrichtung bewerkstelligt werden, die die Verteilung des Lotmaterials 300 steuert. Eine derartige Abgabeeinrichtung kann eine Verteilungsdüse ausfahren, um eine höhere Verteilungsdichte von Lotmaterial 300 in Bereichen zu erzeugen, bei denen die Breite 214 schmal ist, und die Verteilungsdüse zurückziehen, um eine niedrigere Verteilungsdichte von Lotmaterial 300 in verbleibenden Bereichen zu erzeugen. Die Abgabeeinrichtung kann auch eine Selbststeuerungsfunktion umfassen, um die Einrichtungsdüse zu öffnen oder zu schließen. Um die Verteilungsdüse auszufahren und zurückzuziehen, kann die Abgabeeinrichtung Gegenstände umfassen, wie etwa, aber nicht darauf beschränkt, eine elektromagnetische Einrichtung/elektromagnetische Einrichtungen, Ventile und andere mechanische Komponenten.
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Ein Erhöhen der Verteilungsdichte verstärkt empfindliche Bruchbereiche (z.B. in der Nähe der Hohlräume 240). Durch strategisches Verteilen einer größeren Menge an Lotmaterial 300 in Bereichen der verringerten Verbindungslinienbreite 214 verringert die gesammelte Verteilung das Volumen des Klebstoffes 200, während ein Scherbruch entlang einer Strecke gefördert wird, die den größten Betrag an Bruchenergie erfordert.
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6 veranschaulicht Niveaus von Energieabsorption für Vorrichtungen mit (i) einem Klebstoff ohne Lotkugeln (Stand der Technik, durch einen ersten Datenblock 252 dargestellt), (ii) einen Klebstoff, der Lotkugeln enthält (durch einen zweiten Datenblock 254 dargestellt), und (iii) einen Klebstoff, der Lotkugeln mit einer verringerten Klebstoffverbindungslinienbreite 214 enthält (durch einen dritten Datenblock 256 dargestellt).
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Jeder der Datenblöcke 252, 254, 256 misst die Energieabsorption, in Joule (J), eines jeden Klebstoffes, der einen Flächenbereich von 100·25 mm2 bedeckt. Die y-Achse ist in Inkrementen von 5 J markiert.
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Wie gezeigt ist, absorbiert der erste Datenblock 252 Energie von ungefähr beinahe 15 J je Flächenbereich. Wenn Lotkugeln einem Klebstoff hinzugefügt sind (zweiter Datenblock 254), ist die Energieabsorption viel höher, ungefähr beinahe 24 J für den gleichen Flächenbereich, eine Zunahme von nahezu 60 %.
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Wenn Lotkugeln hinzugefügt sind und die Verbindungslinienbreite 214 zumindest in manchen Bereichen verringert ist (z.B. um die Hohlräume 240 herum), ist die Energieabsorption im Allgemeinen gleich wie bei dem Klebstoff ohne Lotkugeln, d.h. Datenblock 252. Jedoch ist das Klebstoffvolumen, das in diesem letzteren Fall verwendet wird, um etwa 40 % verringert. Vorzüge der Verwendung von weniger Material sind oben beschrieben.
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12 ist eine graphische Darstellung, die eine Festigkeit, gemessen in Megapascal (MPa) über Temperatur, gemessen in °C, eines Klebstoffs veranschaulicht, der enthält (i) thermoplastisches Material (durch eine erste Datenzeile 392 dargestellt, und (ii) thermoplastisches Material, das das Lotmaterial 300 umfasst (durch eine erste Datenzeile 394 dargestellt).
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Wie in 12 zu sehen ist, beginnt der thermoplastische Klebstoff, der in Datenzeile 392 zu sehen ist, nahe bei 80°C Festigkeit verlieren, und nahe bei 90 °C verliert der thermoplastische Klebstoff einen Großteil der Festigkeit. Der thermoplastische Klebstoff, der das Lotmaterial 300 enthält, in Datenzeile 394 zu sehen, beginnt ebenfalls, nahe bei 80°C Festigkeit zu verlieren. Jedoch verhindert das Lotmaterial 300 bis zu Temperaturen von ungefähr 120°C, dass die Festigkeit der Klebung schlechter wird. Die Festigkeit der Klebung könnte bis zu 300°C schlechter werden, abhängig von der Schmelztemperatur der Zusammensetzung der Lotlegierung.
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III. Ausführungsformen des Lotmaterials – Fig. 7 bis Fig. 11 und Fig. 13
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In manchen Ausführungsformen enthält die Außenfläche des Lotmaterials 300 eine teilweise oder vollständige Beschichtung 320, in 7 gezeigt, wie etwa ein Flussmittel. Die Beschichtung 320 ist gewählt und wird angewandt, um die Verbindungs- und/oder die kontrollierte Bruchcharakteristik des Systems zu verbessern. Die Beschichtung 320 macht dies in manchen Fällen durch verbesserte Verbindung der Grenzfläche zwischen dem Lotmaterial 300 und den Kontaktflächen 115, 125, wobei die verbesserte Verbindung die Risse 220, 230 dazu zwingt, die Strecke des Bruchs entweder zu verändern oder die Ausbreitung zu beenden, wie es oben beschrieben wurde.
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Wenn das Lotmaterial 300 in der Form des Netzes 310 vorliegt, und eine obere Fläche besitzt, die dafür vorgesehen ist, mit der ersten Kontaktfläche 115 in Kontakt zu stehen, und eine untere Fläche, die dafür vorgesehen ist, mit der zweiten Kontaktfläche 125, in Kontakt zu stehen, können unterschiedliche Beschichtungen auf das Lotmaterial 300 auf einer oder beiden seiner durchgehenden Oberflächen des Netzes 310 aufgebracht werden. Beschichtungen können vorteilhaft sein, wenn das Material der Substrate 110, 120 unähnlich ist oder beide Substrate 110, 120 Nutzen aus der Grenzfläche ziehen, die zwischen den Lotkugeln 300 und den Beschichtungen geschaffen wird.
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Die Beschichtung 320 kann auch benutzt werden, um die Bruchausbreitung durch den Klebstoff 20 hindurch zu beenden (d.h. zu stoppen). Alternativ kann die Beschichtung 320 die Bruchausbreitung zu einem anderen Merkmal, das innerhalb des Klebstoffes 200 enthalten ist, umlenken (z.B. Lotmaterial 300 oder Erhebung 130), um ein Versagen im Schermodus durch den Klebstoff 200 hindurch benachbart zu dem Lotmaterial 300 zu fördern.
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In manchen Ausführungsformen verbessert die Beschichtung 320 die Grenzfläche zwischen dem Lotmaterial 300 und den Substraten 110, 120 durch Beseitigen von Fremdstoffen an der Stelle der Verbindung (z.B. Schmutz, Öl oder Oxidation). Die verbesserte Grenzfläche fördert die Rissausbreitung um Lotmaterial 300 herum zusätzlich zu der Förderung der Bruchstrecken, die bereits durch die allgemeine Konstruktion auftritt (z.B. Bruchstrecken 222, 224, 226 in 1 und Bruchstrecken 232, 234 in 2).
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Die Beschichtung 320 kann ein Reinigungsmittel sein, das ein Weichlöten, Hartlöten oder Schweißen durch Beseitigen von Oxidation von den zu fügenden Metallen fördert. Materialien die dafür geeignet sind, umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt, Ammoniumchlorid, Harz (natürliches oder chemisch modifiziertes), Salzsäure, Zinkchlorid und Borax.
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8 veranschaulicht Last, γ (N/mm) [y-Achse], über Verschiebung, δ (mm) [x-Achse], von (i) einem Klebstoff, der Lotkugeln ohne Flussmittel enthält (durch eine erste Datenzeile 332 dargestellt), und (ii) einem Klebstoff, der Lotkugeln mit Flussmittel enthält (durch eine zweite Datenzeile 334 dargestellt). Wie es zu sehen ist, weist die erste Datenzeile 332 allgemein eine Oberflächenspannung auf, die unter der der zweiten Datenzeile 334 liegt, was zeigt, dass eine Verbindung einer stärkeren Kraft vor dem Bruch standhalten kann, wenn eine Beschichtung, wie etwa die Beschichtung 320, vor dem Verbinden verwendet wird.
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In manchen Ausführungsformen kann das Lotmaterial 300, ob beschichtet oder nicht, in Mustern und Entwürfen verteilt sein, die die Funktion haben können, die Verbindung der Substrate 110, 120 zu verstärken, indem Spannungskonzentrationen innerhalb des Verbindungssystems 100 verringert werden. Spannungskonzentrationen können dort gebildet werden, wo Lotmaterial 300 im gleichen Bereich des Klebstoffes 200 Gruppen bildet. Ein Erzeugen von Mustern mit dem Lotmaterial 300 kann durch überlegte Platzierung jeglichen Lotmaterials 300 verhindern, dass sich Gruppen von Lotmaterial 300 bilden.
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Eine Verteilung des Lotmaterials 300 kann in Verbindung mit neuen oder vorhandenen Herstellungs- oder Montageprozessen erfolgen, die Klebstoffe, Beschichtungen, Wachse oder dergleichen spritzen. Spritzprozesse, wie etwa heiß/kalt und dergleichen, können verwendet werden, um das Lotmaterial 300 zu Mustern auf Substraten 110, 120 oder innerhalb des Klebstoffes 200 zu verteilen. Zusätzlich kann das Lotmaterial 300, das Muster enthält, auch die oben beschriebene Beschichtung 320 enthalten, um eine Entfernung von Fremdstoffen zu ermöglichen.
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9 veranschaulicht eine Draufsicht einer Ausführungsform des Systems 100, das Lotmaterial 300 mit einer linearen Verteilung enthält. Die Kugeln 300 können wie oben in Verbindung mit 7 beschrieben beschichtet sein, obwohl eine solche Beschichtung in 9 nicht im Detail gezeigt ist.
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In der linearen Verteilung von 9 ist jegliches Lotmaterial 300 mit einem horizontalen Abstand 340 (Abstand zwischen zwei Lotmaterialien 300 auf der gleichen Spalte) und einem vertikalen Abstand 350 entlang der Verbindungslinienbreite 214 (Abstand zwischen zwei Lotmaterialien 300 auf der gleichen Zeile) getrennt. Wie vereinbart, sind Verweise auf die Richtung (z.B. horizontal, vertikal) vorgesehen, um bei den vorliegenden Beschreibungen zu helfen und nicht notwendigerweise, um die Anwendung der vorliegenden Technologie oder Orientierung von Bestandteilen vor, während oder nach dem Verbindungsprozess zu beschränken.
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Das Anordnen des Lotmaterials 300 mit einer linearen Verteilung erzeugt eine Bruchstrecke 260 (als eine Reihe von Pfeilen in 9 gezeigt), die sich auf eine Weise ausbreitet, die einen Riss entlang einer Bruchstrecke ausbreitet, die den größten Betrag an Bruchenergie erfordert. Ähnlich wie die Bruchstrecken 222, 224, 226 (in 1 zu sehen) kann sich die Bruchstrecke 260 um jegliches Lotmaterial 300 herum ausbreiten, was die Bruchstrecke 260 entlang zumindest einer der Kontaktflächen 115, 125 erzwingt. Die Bruchstrecke 260 kann sich alternativ entlang irgendeiner Zeile des Lotmaterials 300 ausbreiten, um zuzulassen, dass der Scherbruch auftreten kann.
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10 veranschaulicht eine alternative Ausführungsform des Systems 100, das Lotmaterial 300 mit einer mäandernden Verteilung enthält. Die mäandernde Verteilung ist dadurch gebildet, dass das Lotmaterial 300 zwei mäandernde Muster bildet, die in entgegengesetzte Richtungen orientiert sind.
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Wie bei der linearen Verteilung ist das Lotmaterial 300 innerhalb der mäandernden Verteilung mit einem horizontalen Abstand 370 und einem vertikalen Abstand 360 getrennt. Der horizontale Abstand 360 ist der Abstand zwischen jedem mäandernden Wellenumlauf um eine Mittellinie (nicht gezeigt) der Klebstoffbreite 214 herum. Der vertikale Abstand 370 ist der Abstand zwischen der Mittellinie der Klebstoffbreite 214 und des äußersten Lotmaterials 300 der Sinusform.
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Ein Anordnen des Lotmaterials 300 mit einer mäandernden Verteilung erzeugt eine Bruchstrecke 270 (die in 10 als eine Reihe von Pfeilen dargestellt ist), die sich auf eine Weise ausbreitet, die einen Scherbruch anstelle eines Schälbruchs ermöglicht. Die Bruchstrecke 270 breitet sich um jegliches Lotmaterial 300 herum innerhalb einer einzigen Sinuslinie innerhalb der mäandernden Verteilung aus. Die Bruchstrecke 270 kann sich alternativ entlang der zweiten Sinuslinie innerhalb der mäandernden Verteilung ausbreiten, um zuzulassen, dass Scherbruch auftreten kann. Aufgrund des Musters, das durch die mäandernde Verteilung gebildet ist, ist die Bruchstrecke 270 länger als die Bruchstrecke im Vergleich mit den Bruchstrecken 222, 224, 226 (in 1 gezeigt) und den Bruchstrecken 232, 234 (in 2 gezeigt), die durch die zufällige Verteilung gebildet sind, und der Bruchstrecke 260 (die in 9 gezeigt ist), die durch die lineare Verteilung gebildet ist.
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Um der maximalen Fugenspannung standzuhalten, ohne Spannungskonzentrationen zu erzeugen, gibt es eine Korrelation zwischen dem horizontalen Abstand 340 und dem vertikalen Abstand 350 innerhalb der linearen Verteilung. Eine ähnliche Korrelation gilt auch für den horizontalen Abstand 360 und den vertikalen Abstand 370 innerhalb der mäandernden Verteilung. Zum Beispiel in der linearen Verteilung kann die Korrelation ein Verhältnis von ungefähr 1:1 aufweisen, wohingegen in der mäandernden Verteilung die Korrelation ein Verhältnis von ungefähr in der Nähe von 1:4 aufweisen kann.
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11 veranschaulicht Last, γ (N/mm) [y-Achse], über Verschiebung, δ (mm) [x-Achse], von (i) einem Klebstoff ohne Lotkugeln (durch Datenzeile 382 dargestellt), (ii) einem Klebstoff, der eine zufällige Verteilung von Lotkugeln enthält (durch Datenzeile 384 dargestellt), (iii) einem Klebstoff, der eine lineare Verteilung von Lotkugeln enthält (durch Datenzeile 386 dargestellt), und (iv) einem Klebstoff, der eine mäandernde Verteilung von Lotkugeln enthält (durch Datenzeile 388 dargestellt).
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Wie es zu sehen ist, weist die Datenzeile 382 allgemein eine Oberflächenspannung auf, die unter der der Datenzeilen 384, 386, 388 liegt. Die Oberflächenspannung der Datenzeile 384 weist eine Oberflächenspannung auf, die allmählich mit der Verschiebung zunimmt und abnimmt, wohingegen die Datenzeilen 386, 388 eine Oberflächenspannung aufweisen, die allmählich mit der Verschiebung abnimmt, wodurch die lineare Verteilung und die mäandernde Verteilung für manche Anwendungen geeignet gemacht werden, wie etwa Verbindungen, bei denen die Substrate 110, 120 unterschiedliche Materialien sind.
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IV. Ausgewählte Merkmale
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Viele Merkmale der vorliegenden Technologie sind hierin oben beschrieben. Der vorliegende Abschnitt stellt eine Zusammenfassung ausgewählter Merkmale der vorliegenden Technologie dar. Es ist zu verstehen, dass der vorliegende Abschnitt nur einige wenige der vielen Merkmale der Technologie hervorhebt und die folgenden Absätze nicht einschränkend sein sollen.
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Die Technologie lässt zu, dass eine Verbindungsliniengleichmäßigkeit innerhalb des Konstruktionsklebstoffes bewerkstelligt werden kann. Die Verbindungsliniengleichmäßigkeit kann eine optimale Zug- und Scherfestigkeit erreichen sowie die Dicke der Verbindungslinie regulieren, was das in Anwendungen erforderliche Klebstoffvolumen verringert. Ein Verringern des Volumens des Klebstoffes kann vorteilhaft sein, um eine dünnere Verbindungslinie zu bilden. Zusätzlich kann ein Verringern des Volumens des Klebstoffes zu Materialeinsparungen führen.
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Die Technologie lässt einen verbesserten Kontakt des Konstruktionsklebstoffes mit dem Substratmaterial zu. Ein Verbessern des Kontakts des Konstruktionsklebstoffes lässt zu, dass sich die Substratmaterialien effektiver verbinden können, wobei der Klebstoff eine sicherere Verbindung erzeugt, die vor einem Bruch einer stärkeren Kraft standhalten kann. Das Hinzufügen von Lot zu thermoplastischem Klebstoff behält die Reversibilität bei, die eine wiederholte Montage und Demontage zulässt, während die Festigkeit der Fügung unter Umgebungstemperatur und unter erhöhter Temperatur verbessert wird
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Die Technologie lässt zu, dass sich ein Bruch entlang einer Strecke ausbreiten kann, die den größten Betrag an Bruchenergie erfordert. Anders als Glasperlen, die einen Bruch senkrecht zu den Substratmaterialien ermöglichen, ermöglichen Brüche, die in einer Richtung im Allgemeinen geneigt zu den Substratmaterialien hin auftreten, einen Schereffekt, bei welchem Substratmaterialien auf der gleichen Ebene verbleiben.
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V. Schlussfolgerung
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Hierin sind verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung offenbart. Die offenbarten Ausführungsformen sind lediglich Beispiele, die in verschiedenen und alternativen Formen und Kombinationen davon verkörpert sein können.
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Die oben beschriebenen Ausführungsformen sind lediglich beispielhafte Veranschaulichungen von Implementierungen, die für ein klares Verständnis der Prinzipien der Offenbarung ausgeführt sind.
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Abwandlungen, Modifikationen und Kombinationen können an den oben beschriebenen Ausführungsformen vorgenommen werden, ohne vom Umfang der Ansprüche abzuweichen. Alle solche Abwandlungen, Modifikationen und Kombinationen sind hierin durch den Umfang dieser Offenbarung und die folgenden Ansprüche miteingeschlossen.
