DE19537080C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Verbinden von Gegenständen durch Thermoverformung - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Verbinden von Gegenständen durch Thermoverformung

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verbinden von einem oder mehrenen ersten Gegenständen mit einem oder mehreren zweiten Gegenständen durch Erwärmen eines Verbindungsmittels bis zu dessen plastischer Verformung wobei das plastische Verbindungsmittel so zwischen erste und zweite Gegenstände unter Aufbringung eines mechanischen Drucks gebracht wird daß es nach dem Erstarren die ersten und zweiten Gegenstände starr miteinander verbindet.
Gattungsgemäße Verfahren und Vorrichtungen sind bekannt wobei ein erster Gegenstand und ein zweiter Gegenstand durch Nieten miteinander verbunden wird. Dabei wird als Verbindungsmaterial ein Kunststoff verwendet der sich unter der Einwirkung von Hitze erwärmt und mindestens für eine bestimmte Zeitdauer plastisch bleibt um danach eine ihm auferzwungene Form einzunehmen. Als bekanntes Verfahren gilt hierbei das Ultraschall-Schweißen wobei ein Generator aus z. B. 50 Hz Wechselstrom eine hochfrequente elektrische Energie mit 20 oder 40 kHz erzeugt. Ein Konverter wandelt die vom Generator gelieferte Hochfrequenz-Wechselspannung in mechanische Schwingungen um; dies ermöglicht ein nahezu verlustfrei arbeitender piezoelektrischer Wandler. Ein Booster paßt die vom Konverter abgegebene konstante Schwingungsamplitude dem vorgegebenen Anwendungsfall an. Eine Sonotrode als Fügewerkzeug beeinflußt durch ihre spezifische Form die Amplitude. Ihre vorrangige Aufgabe ist es unter einer bestimmten Kraft die Schwingungsenergie zu übertragen.
Durch Grenzflächenreibung und Schallabsorption setzt sich in der Fügezone die Ultraschallenergie in Wärme um. Der aufgeschmolzene Kunststoff fließt innerhalb der Fügezone und bildet nach dem Erkalten eine feste Verbindung.
Das vorabgeschilderte Verfahren kann jedoch bei Bauteilen aufgrund der Einleitung mechanischer Schwingungen im gesamten Werkstück oder Teilen davon Beschädigungen verursachen.
Bei der Erwärmung des Fügewerkzeugs durch externe Wärmequellen wie Heißluft oder Strahlungserwärmung hat sich die Bearbeitungszeit wesentlich erhöht, wobei die geforderte Taktzeit nicht erreicht wird. Hierbei können zusätzliche nicht erwünschte Nebeneffekte auftreten, wie z. B. unerwünschtes Erwärmen von Peripherieflächen und höherer Aufwand bei Abschirmen der erzeugten Wärme von Bauteilen, die im Berührungsbereich liegen.
Aus Lüder, Handbuch der Löttechnik, Verlag Technik, Berlin 1952, Seiten 13, 14 ist das Verbinden von Metallteilen durch Löten bekannt. Hierbei werden die Metallteile durch Einbringen eines flüssigen Bindemittels, genannt Lot, bleibend miteinander verbunden. Das metallische Bindemittel wird dazu erhitzt bis die Flüssigphase erreicht ist. Dann verläuft das Lot mit Hilfe eines Flußmittels über die vorbereiteten Fügeflächen. Es entsteht zwischen den Fügeflächen und dem Lot ein Legierungsvorgang. Eine gewünschte rasche Ab­ kühlung des Lots zu dessen besonderer Oberflächengestaltung oder eine exakte Temperatursteuerung ist für den Lötvorgang nicht erforderlich.
Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, bei der eine hohe Taktzeit erreicht wird bei geringem technischen Aufwand und guter Oberflächenqualität des verformten Verbindungsmaterials.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 und 10 gelöst.
Im Normalfall werden Kunststoffieile mit Metallteilen oder ausschließlich Metallteile mit Metallteilen durch Kunststoffnieten miteinander verbunden. Dazu ist gemäß einer bevorzugten erfindungsgemäßen Verfahrensweise das Formwerkzeug mit einem Transformator verbunden über den die zugeführte Stromstärke, die direkt am Formwerkzeug in Wärmeenergie umgewandelt wird, gesteuert werden kann. Dabei wird der Nietschaft, der Kunststoffniete, unter dem Einfluß von Druck auf das Formwerkzeug und Wärme verformt. Die zugeführte Energie muß vor allem in der Zeitdauer exakt steuerbar sein, da exakt mit dem Erreichen der Endform des Nietschafts die Temperatur am Stempelkopf so stark herabgesetzt sein muß, daß der Kunststoff nicht daran anhaftet und Fäden zieht.
Aus diesem Grund wird der Stempelkopf gekühlt. Die Wärme wird entsprechend dem dargestellten Ausführungsbeispiel über den besonders gut leitfähigen Mantel abgeführt, der den Stempelkopf radial umgibt. Sollte die gewünschte Taktzeit verkürzt werden, kann es notwendig sein, die Kühlwirkung zu erhöhen. Dazu kann der Stempelkopf an seiner der Formseite gegenüberliegenden Rückseite mit Kaltluft beaufschlagt werden. Möglicherweise wird dazu ein Luftkühler mit Preßluft eingesetzt, der eine Lufttemperatur von bis zu minus 50 Grad Celsius erzeugt.
Nachdem der Stempelkopf nur eine geringe Masse hat, läßt er sich entsprechend schnell erhitzen. Es kann deshalb vorteilhaft sein, den Stempelkopf permanent zu kühlen und diese Unterkühlung während des Verbindungsvorgangs durch überhöhte Wärmezufuhr zu unterbrechen.
Damit werden die Übergangsphasen des Kunststoffs vom plastischen in den erstarrten Zustand verkürzt. Zusätzlich dazu wird die Wärmezufuhr natürlich von der Größe des Nietschafts und damit dem Hub des Formwerkzeugs gesteuert.
Der konstruktive Teil der Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung des Formwerkzeugs.
Die als Beispiel dargestellte Vorrichtung zur Thermoverbindung hat als Basisteile einen Ständer 10 bestehend aus einer Bodenplatte 12 und einer senkrechten Trägerplatte 14, an der über Führungen 16, 18 die in der Höhe bewegliche Führungssäule 20 sitzt. Ebenfalls an Führungen 22, 24 sitzt die Werkzeugaufnahme 26 an der Führungssäule 20. Abhängig von der Höhe des zu bearbeitenden ersten Gegenstands 28, hier einem Kunststoffbehälter 30, dem ein zweiter Gegenstand, hier eine Stahlblechfahne 32 aufgenietet wird, läßt sich der Hub der Kolbenzylindereinheit 34 einstellen. Dazu steht der Kolben 36 über das Spannelement 38 fest mit der Führungssäule 20 in Verbindung. Der Hub der Kolbenzylindereinheit 40 ist dazu vergleichsweise kurz, da er nur in Abhängigkeit von der Höhe des Nietschafts 42 einstellbar sein muß.
Auch die Halterung 44 der Kolbenzylindereinheit wird mit der Führungssäule 20 mittels Schrauben verspannt. Die beiden Bewegungen zum Austausch des Werkstücks und zum Bearbeiten (Erhitzen und Formen) des Verbindungsmittels im Ausführungsbeispiel ein Nietschaft 42, werden demnach von den unterschiedlich gesteuerten Kolbenzylindereinheiten 34, 40 ausgeführt, wozu diese insbesondere bezüglich der Arbeitsgeschwindigkeit getrennt gesteuert werden.
Befindet sich ein Gegenstand 28 in Position, so fährt die Kolbenzylindereinheit 34 die Werkzeugaufnahme 26 in die Startposition in der die Kolbenzylindereinheit 40 zu wirken beginnt. Dazu senkt sich die mit der Kolbenzylindereinheit 40 verbundene Werkzeugaufnahme 26 bis der Stempelkopf 48 mit seiner Formoberfläche 50 auf dem Nietschaft 42 aufliegt. In dieser Position erhält der Generator 52 entweder von einem Drucksensor an der Kolbenzylindereinheit 40 oder von einem mechanischen Anschlag 54 einen Impuls zum Aufheizen des Formwerkzeugs in Form eines Stempelkopfs 48 auf eine vom Material des Kunststoff-Niets abhängige Umformungstemperatur von 100-400°C. Erreicht der Stempelkopf 48 die Umformungstemperatur so senkt er sich automatisch und der Generator 52 erhält nach einer bestimmten Zeitspanne und/oder einer bestimmten am Anschlag 54 eingestellten Strecke einen Ausschaltimpuls, wodurch keine Temperaturhöhen- Steuerung notwendig ist. Die Temperatur wird also nur so lange gesteigert bis der Stempelkopf die Umformung einleitet. Damit erübrigt sich eine teuere Temperturhöhen-Überwachung. Ist die Umformungstemperatur erreicht, kann diese entweder gehalten werden, wenn die Höhe des Nietschafts es notwendig macht oder der Generator wird abgeschaltet, um mit der Restwärme, die der Stempelkopf noch hat, den Nietschaft auszuformen.
Durch das frühzeitige Abschalten der Energiezufuhr über die Leitungen 56, 58 vom Generator 52 an den Mantel 60 und den Stempelkopf 48, geschieht die Kopfbildung des Niets bei niedriger Ausformtemperatur spannungsarm.
Um ein übermäßiges Nachheizen, des Stempelkopfes 48 zu vermeiden, liegt der Querschnitt des Übergangsstücks 62 im Verhältnis zum Querschnitt der Zuführung 64 etwa bei 0,1 bis 0,5.
Zur exakten Steuerung der Heizungsdauer des Stempelkopfs 48 oder der möglichen Kühlung durch Kaltluft oder Kaltwasser über die Kanäle 66, 66′ in den Hohlraum 68 ist eine vorzugsweise elektronische Steuerung 70 vorgesehen, die mit dem mechanischen oder elektronischen Anschlag 54 dem Generator 52 und Sensoren für die Kühlung in Verbindung steht.

Claims (11)

1. Verfahren zum Verbinden von einem oder mehreren ersten Gegenstän­ den mit einem oder mehreren zweiten Gegenständen durch Erwärmen eines aus Kunststoff bestehenden Verbindungsmittels (42) bis zu dessen plastischer Verformung, wobei das plastische Verbindungsmit­ tel so zwischen erste und zweite Gegenstände unter der Aufbringung mechanischen Drucks gebracht wird, daß es nach dem Erstarren die ersten und zweiten Gegenstände starr miteinander verbindet, daß die Erwärmung des Verbindungsmittels (42) durch direkten Kontakt mit einem erhitzten Formwerkzeug (48) stattfindet, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Verbindungsvorgang das Form­ werkzeug (48) und/oder das Verbindungsmittel (42) schnell auf eine wesentlich niedrigere Temperatur abgekühlt wird und die Zufuhr der Wärmeenergie abhängig vom Hub des Formwerkzeugs (48) und/oder über Zeit gesteuert wird, wobei auch die Restwärme des Formwerkzeugs nach dem Abschalten der Energiezufuhr zur Formung des Nietschaftes genützt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Formwerkzeug (48) an seiner der Formoberfläche (50) abgewandten Rückseite gekühlt wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlung durch Preßluft erfolgt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Anspruche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Formwerkzeug (48) Kaltluft zugeführt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärme über gekühlte, unmittelbar um das Formwerkzeug angeordnete Werkzeugteile abgeleitet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Formwerkzeug (48) ständig gekühlt wird und Wärmeenergie nur während des Verbindens dem Formwerkzeug (48) zugeführt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhr von Energie zur Erwärmung des Verbindungsmittels mit dem Beginn dessen Verformung beendet und/oder reduziert wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß das Formwerkzeug durch Wasser gekühlt wird.
9. Vorrichtung zum Verbinden von Gegenständen mit einem unter Wärmeeinfluß plastisch werdenden Verbindungsmittel (42) nach Anspruch 1 mit einem Formwerkzeug (48), welches mit einer Energiequelle zur Erzeugung von Wärme verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Formwerkzeug (48) aus einem profilierten Stempelkopf besteht, der mit einer elektrischen Stromquelle verbunden ist und daß mit geringem radialen Abstand davon ein Mantel (60) angeordnet ist, der ebenfalls mit der elektrischen Stromquelle verbunden ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Stempelkopf (48) und der Zuführung (64) ein elektrisch leitfähiges Übergangsstück (62) mit geringerem Querschnitt als die Zuführung (64) angeordnet ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Mantel (60) und der Zuführung (64) ein Hohlraum (68) angeordnet ist.
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