DE19725840A1

DE19725840A1 - Verfahren zum Erhitzen von Klebstoff und Vorrichtung dafür

Info

Publication number: DE19725840A1
Application number: DE19725840A
Authority: DE
Inventors: Kimberly Ann Chaffin
Original assignee: Ford Motor Co
Current assignee: Ford Motor Co
Priority date: 1996-07-03
Filing date: 1997-06-18
Publication date: 1998-01-22
Also published as: GB2315003A; GB9713480D0; GB2315003B; US5750970A; US5906766A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum dielektrischen Er hitzen von Klebstoff. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Überwachung des Aufwärmzustandes in ei nem dielektrisch heizbaren Klebstoff.

Es ist bekannt, dielektrisch einen Klebstoff zwischen zwei Elektroden zu erhitzen.

Mittels eines Radiofrequenzgenerators wird ein elektrisches Feld mit Radiofrequenz hergestellt. Das Radiofrequenzfeld veranlaßt polare ionische Moleküle im Klebstoff dazu, zu schwingen und im Klebstoff Wärme zu entwickeln. Das Verfahren zum dielektrischen Erhitzen eines Klebstoffes ist im US Pa tent 5277737 beschrieben, dessen Lehre hierin durch Bezug nahme aufgenommen wird. Bisher wurde die Menge elektrischer Wärme entweder analytisch auf Grund bestimmter Formen und Ei genschaften des zu erhitzenden Materials berechnet oder durch Experimente bestimmt. Prozeßvariable, eingeschlossen die ex akte Zusammensetzung des dielektrisch heizbaren Klebstoffes, der Dicke der Klebstoffschicht, der dielektrischen Konstante der zu verbindenden Teile und Umgebungsfaktoren, wie Umge bungstemperatur und Feuchtigkeit beeinflussen alle die Ge schwindigkeit der dielektrischen Erhitzung. Diese Prozeßvariablen sind in bekannten Vorrichtungen nicht berücksichtigt worden.

Die elektrische Wärmemenge ist direkt mit dem Aushärtzustand des Klebstoffes korreliert. Dieser Aushärtzustand bestimmt die Menge elektrischer Wärme, die dazu notwendig ist, um die erwünschte Bindungsstärke zu erhalten. Es war bereits be kannt, dem Plattenstrom zwischen zwei Elektroden zu messen, um den Aushärtzustand des Klebstoffes zu schätzen. Die Plat tenstrommessung ist eine Schätzung des durchschnittlichen Aushärtungsgrades der gesamten Bindungslinie. Sie mißt nicht den Aushärtungszustand einer speziellen Fläche. Abschnitte, die weniger Klebstoff haben oder solche, die empfänglicher für dielektrisches Aufheizen sind, werden in der Plattens trommessung gemittelt. Diese Flächen können sich über oder unter der Erwärmung ändern.

Es ist auch bekannt, einen faseroptischen Temperatursensor im Klebstoff einzubetten, um dessen Temperatur kontinuierlich zu überwachen. Kontakttemperaturmessungen, wie das beschriebene fotooptische Verfahren benötigen Zugang zum Klebstoff durch eine Öffnung im Teil und sehr teure und empfindliche Instru mente. Dieses Temperaturmeßverfahren ist daher lediglich für experimentelle oder Entwicklungszwecke geeignet. Der Tempera tursensor wird häufig beschädigt oder im Klebstoff einge schlossen.

Es ist daher erwünscht, die Klebstofftemperatur ohne Kontak tieren des Klebstoffes oder der zu verbindenden Teile zu mes sen. Es ist ferner erwünscht, die Temperatur an jeden Punkt entlang der aufeinander treffenden Flächen zwischen den Tei len zu messen.

Es ist demzufolge Aufgabe der Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Dieses weist die Schritte aufweist: Vorlegen eines dielektrisch heizbaren Klebstoffes zwischen ersten und zweiten Teilen; Anlegen eines elektrischen Hochfrequenzfeldes zwischen den ersten und zwei ten Teilen, das ausreichend ist, den Klebstoff zu erhitzen. Die Oberfläche in Temperatur des ersten Teils wird neben dem Klebstoff gemessen. Das elektrische Feld wird entfernt, nach dem die gemessene Temperatur eine vorherbestimmte Höhe er reicht. Die Erfindung nimmt somit die Messung der von der Oberfläche des ersten Teiles abgestrahlten Infrarotstrahlung vor, die mit einem Infrarotdetektor gemessen wird. Eine Steuerung empfängt die gemessene Infrarotstrahlung und ver gleicht sie mit abgespeicherten Werten. Nachdem die gemessene Temperatur/en eine vorherbestimmte Höhe oder Höhen er reicht/en, sendet die Steuerung ein Signal zu einem Radiofre quenzgenerator, um das elektrische Feld abzuschalten.

Die Erfindung schafft auch eine Vorrichtung zum Erhitzen ei nes dielektrisch aufheizbaren Klebstoffes, der zwischen er sten und zweiten Teilen angeordnet ist. Die ersten und zwei ten Teile sind aus einem Material mit einem niedrigeren di elektrischen Verlust als der Klebstoff und gegenüber dem di elektrischen Erhitzen relativ unempfindlich. Die Vorrichtung umfaßt zwei oder mehr Elektroden, die die zusammenpassenden Oberflächen der ersten und zweiten Teile überlagern. Der Ra diofrequenzgenerator wird zwischen den ersten und zweiten Elektroden angeschlossen und legt ein elektrisches Feld aus reichender Intensität an, um den Klebstoff dielektrisch zu erhitzen. Der Klebstoff heizt die ersten und zweiten Teile durch die Reibungswärme. Eine Temperaturmesseinrichtung mißt die Oberflächentemperatur der ersten und zweiten Teile in der Nähe der aufeinanderpassenden Oberflächen. Eine Steuerung empfängt das Signal von der Meßeinrichtung, vergleicht es mit einem vorherbestimmten und sendet ein Signal zum Radiofre quenzgenerator, um das elektrische Feld abzuschalten, wenn die gemessene Temperatur die vorherbestimmte Höhe erreicht. Nachdem der Klebstoff ausreichend gehärtet ist, sind das er ste und zweite Teile verbunden und der Gegenstand wird aus der Vorrichtung entfernt.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteran sprüchen.

Diese und andere Vorteile, Merkmale und Ziele der Erfindung werden nun nachfolgend detaillierter in den nachfolgenden Be schreibung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung er läutert.

Dabei zeigt die einzige Fig. 1 eine Ansicht eines Quer schnittes durch eine Vorrichtung zum dielektrischen Aufheizen von Klebstoff.

Eine Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 1 dargestellt. Eine Vorrichtung 10 empfängt die zu verbindenden Teile. Die Vorrichtung 10 umfaßt zwei Elektroden 12, 14. Die Elektroden 12, 14 sind üblicherweise aus einem elektrisch leitfähigen Material, wie Aluminium, hergestellt und sind mit dem RF Ge nerator 16 verbunden. Die Elektroden 12, 14 sind zwischen ei ner geöffneten und einer geschlossenen Position (in der ge schlossenen Position dargestellt) bewegbar. Wenn sie in der offenen Position vorliegen, empfangen die beiden Elektroden 12, 14 die beiden Teile 18, 20. Wenn sie vertikal angeordnet sind, können zusätzliche Vakuumsaugeinrichtungen oder Stifte (nicht gezeigt) nützlich sein, um das Teil 18 in der Elek trode 12 zu halten. Passende Oberflächen der Teile 18, 20 sind üblicherweise in der Form eines U-förmigen Kanals. Der U-för mige Kanal bildet eine Vertiefung 22, die ein dielektrisch heizbaren Klebstoff 24 aufnimmt. Der dielektrisch heizbare Klebstoff 24 wird zwischen den passenden Oberflächen der Teile 18, 20 verteilt. Geeignete Klebstoffe, Radiofrequenzge neratoren und elektrische Felder sind im US Patent Nr. 5277737 beschrieben, auf das bereits weiter oben vollinhalt lich Bezug genommen wurde. Der Generator 16 legt ein elektri sches Radiofrequenzfeld zwischen den Elektroden 12, 14 an. Die Elektrode 12 arbeitet als Antenne und die Elektrode 14 als Empfänger. Das elektrische Radiofrequenzfeld veranlaßt den dielektrisch heizbaren thermohärtenden Klebstoff 24 dazu, sich zu erhitzen. Die erhöhte Temperatur des Klebstoffs 24 beschleunigt die Kreuzvernetzungsreaktion und veranlaßt den Klebstoff, auszuhärten. Andere Typen thermoplastischer Kleb stoffe kreuzvernetzen nicht, sondern werden lediglich kleb rig, wenn sie erhitzt werden und können erfindungsgemäß ein gesetzt werden. Beispiele geeigneter thermoplastischer Kleb stoffe sind in der US Patent Anmeldung Nr. 08/544,081 be schrieben, auf die hier nun vollinhaltlich Bezug genommen wird. Die Teile 18 und 20 haben einen niedrigeren dielektri schen Verlust als der Klebstoff und sind relativ weniger emp findlich gegenüber dielektrischer Erhitzung als der Klebstoff 24. Demzufolge tritt die meiste Erwärmung innerhalb des Kleb stoffes 24 auf und wird durch Wärmeleitung auf die Teile 18, 20 übertragen. Der Temperaturanstieg des Klebstoffes 24 wird durch das Teil 20 an die Oberflächen 26 und 28 geleitet. In frarot (IR) Detektoren 30, 32 werden entsprechend in der Nähe der Oberflächen 28, 26 angeordnet. Geeignete Infrarottempera turdetektoren sind kommerziell erhältlich. Von den kommerzi ell erhältlichen IR Detektoren, die erfindungsgemäß einsetz bar sind, kann bspw. das Modell M67/M65S, hergestellt durch Mikron, eingesetzt werden. Um sich auf die schmale Fläche ne ben der Bindungslinie zu konzentrieren, kann die Bildbetrach tungsfläche durch eine Linse reduziert werden, die auf einen kleineren Abschnitt der Oberfläche (nicht gezeigt) fokus siert. Mittels externer Linsen kann die fokussierte Fläche auf 0,25 Inches im Durchmesser reduziert werden. Der IR Sen sor nimmt Temperaturmeßwerte in einer Fläche in der Bin dungslinie mit gleichmäßiger Dicke auf, wodurch die Wirkungen der Wärmeleitung vom Klebstoff zur Oberfläche 28 reduziert werden. Die Detektoren 30, 32 berühren die Oberflächen 28, 26 nicht und empfangen von den Oberflächen 26, 28 abgestrahlte IR-Energie. Ein Detektor 30 befindet sich in der Passage 31 der Elektrode 12 zur Messung der von der Oberfläche 28 abge strahlten Infrarotenergie. Die Anordnung des Detektors 30 in nerhalb der Elektrode 12 kann kleine Diskontinuitäten inner halb des elektrischen Feldes bewirken, da die Größe des De tektors 30 aber ausreichend gering ist, beeinträchtigen diese Diskontinuitäten die gleichmäßige Erwärmung durch das Ra diofrequenzfeld nicht signifikant. Die abgestrahlte Infrarot energie entspricht der Temperatur des Klebstoffes 24. Die De tektoren 30, 32 senden das gemessene IR Energie Signal zur Steuerung 34. In der Steuerung 34 sind vorherbestimmte Größen für IR Signale abgespeichert, die Meßwerten gehärteter oder geschmolzener Klebstoffe entsprechen. Wenn die vom IR Detek toren 30, 32 empfangenen Signale die vorbestimmten Höhen er reichen, veranlaßt die Steuerung 34 den RF Generator 16 dazu, das RF Feld abzuschalten. Diese vorherbestimmten Größen wer den üblicherweise aus analytischen Berechnungen oder vorange henden Kontaktmessungen für erwünschte Klebstofftemperaturen abgeleitet. Die vorherbestimmten Höhen können einzelne Tempe raturablesungen in einem kritischen Bereich oder eine Serie Temperaturwerte, entsprechend einer vorbestimmten Klebstof ferwärmungskurve, sein. Die Erwärmungskurve sollte auf das Aufwärmverfahren zugeschnitten sein, um Zeit und Temperatur messungen für unterschiedliche Bereiche entlang der Bindungs linie zu umfassen.

Die Rate der RF Erhitzung im Klebstoff 24 ändert sich mit der Zusammensetzung des Klebstoffes, der Intensität des RF Fel des, den dielektrischen Verlustfaktoren der Teile 18 und 20 sowie Umgebungsfaktoren wie Feuchtigkeit und Umgebungstempe ratur. Diese Faktoren sorgen dafür, daß wiederholbare Aufhei zungen auf Grund einer statischen Heizkurve weniger effizient werden, als solche, die auf der gemessenen Erwärmung des Klebstoffes basieren. Die gemessene Erwärmung liefert eine Feedback-Steuerung für den RF Generator 16, wodurch die Ge samtzykluszeit, die zur Verbindung der Teile benötigt wird, verkürzt wird, während eine konsistentes und bekanntes Auf heizprofil des Klebstoffes geliefert wird.

Bei Vergleich zwischen der Messung der IR Energie, die von den Oberflächen 26 und 28 emittiert wird, mit aktuellen Mes sungen des Klebstoffes zeigten die IR Messungen eine Zeitver schiebung zwischen der Strahlungswärmemessung und der tatsächlichen Wärmemessung. Diese Zeitverzögerung ist in den Isolationseigenschaften der Teile 18, 20 begründet. Die Erfin dung eignet sich insbesondere für das Verbinden von Kunst stoffteilen. Das Kunststoffmaterial wird so ausgewählt, daß es weniger empfindlich für dielektrische Erwärmung als der Klebstoff ist. Die Erfindung kann auch zur Verbindung von Kunststoffmaterialien mit einem höheren dielektrischen Ver lustfaktor verwendet werden, wobei aber Sorgfalt bei der Aus legung der Elektroden und deren Anordnung angewandt werden muß, um übermäßige Erhitzung des Kunststoffmaterials zu ver meiden. Das direkte Aufheizen des Kunststoffmaterials durch das RF Feld kann ungenaue Messungen der Klebstofftemperatur ergeben.

Während Kunststoffmaterialien allgemein schlechte Wärmeleiter sind, ist die Dicke der Teile 18, 20 neben der Vertiefung 22 allgemein dünn genug, daß Wärme durch die Teile zu den Ober flächen 26, 28 geleitet wird. Die in der Steuerung 34 abge speicherten vorbestimmten Werte kompensieren die Zeitverzöge rung für die Übermittlung von Wärme vom Klebstoff 24 zu den Oberflächen 26, 28.

Während bestimmte repräsentative Ausführungsformen und De tails zur Illustration der Erfindung gezeigt wurden, ist es dem Fachmann ersichtlich, daß verschiedenste Änderungen in den Verfahren und Vorrichtungen wie sie hierin beschrieben sind, ohne Abweichung vom Schutzumfang der Ansprüche möglich sind.

Bezugszeichenliste

10 Vorrichtung
12 Elektrode
14 Elektrode
16 Radiofrequenzgenerator
18 zu verbindendes Teil
20 zu verbindendes Teil
22 Vertiefung
24 dielektrisch heizbarer Klebstoff
26 Oberfläche
28 Oberfläche
30 Infrarot (IR) Detektor
32 IR-Detektor
31 Passage in der Elektrode 12
34 Steuerung

Claims

1. Verfahren zum Erhitzen von Klebstoff mit den Schritten:
Anordnen eines dielektrisch erhitzbaren Klebstoffes zwischen ersten und zweiten Teilen;
Anlegen eines elektrischen Hochfrequenzfeldes zwischen dem ersten und zweiten Teil, das ausreichend ist, um den Kleb stoff dielektrisch zu erhitzen;
Messen der Oberflächentemperatur des ersten Teils in der Nähe des Klebstoffes; und
Abschalten des elektrischen Feldes, nachdem die gemessene Temperatur eine vorherbestimmte Höhe erreicht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßschritt die Abbildung der thermischen Strahlung des ersten Teiles in der Nähe des Klebstoffes umfaßt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das thermische Bild von einem Infrarotdetektor erhalten wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Teil einen geringeren dielektrischen Verlust als der Klebstoff besitzt und relativ unempfindlich gegen dielektri sche Erhitzung ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, ferner gekennzeichnet durch den Schritt des Messens der Oberflächentemperatur des zweiten Teiles in der Nähe des Klebstoffes und Abschalten des elek trischen Feldes, nachdem die gemessene Temperatur des ersten und zweiten Oberflächen eine vorherbestimmte Höhe erreicht.

6. Verfahren nach Anspruch 2, ferner gekennzeichnet durch die Schritte:
Senden der gemessenen Oberflächentemperaturwerte des ersten Teils zur einer Steuerung;
Vergleichen der gemessenen Oberflächentemperatur des ersten Teils mit einer vorherbestimmten Höhe in der Steuerung; und
Veranlassen des Radiofrequenzgenerators durch die Steuerung, das elektrische Feld abzuschalten.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturmeßeinrichtung die Menge Infrarotenergie, die vom ersten Teil abgestrahlt wird, mißt.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturmeßeinrichtung das erste Teil oder den Klebstoff nicht berührt.

9. Verfahren zum Aushärten von Klebstoff mit den Schritten:
Anordnen eines dielektrisch erhitzbaren Klebstoffes zwischen einem ersten und zweiten Teil, wobei das erste Teil einen niedrigeren dielektrischen Verlust als der Klebstoff besitzt und dadurch relativ unempfindlich gegenüber dielektrischer Erhitzung ist;
Anlegen eines elektrischen Hochfrequenzfeldes zwischen erstem und zweiten Teilem, das ausreicht, um den Klebstoff di elektrisch zu erhitzen;
Messen der vom ersten Teil der Nähe des Klebstoffes abgestrahlten IR Energie mit einem IR Detektor;
Senden der IR Strahlungsmeßwerte vom ersten Teil zur Steue rung;
Vergleichen der IR Energie-Meßwerte vom ersten Teil mit vor herbestimmten Werten in der Steuerung und
Veranlassen eines Radiofrequenzgenerators durch die Steuerung zum Abschalten des elektrischen Feldes, wenn die gemessene IR Energie die vorherbestimmte Höhe erreicht.

10. Vorrichtung zum Erhitzen eines dielektrisch erhitzbaren zwischen ersten und zweiten Teilen (18, 20) angeordneten Klebstoffes, wobei das erste Teil (18) aus einem Material mit einem niedrigeren dielektrischen Verlust als der Klebstoff (24) und relativ unempfindlich gegenüber dielektrischer Er hitzung ist, die aufweist:
zwei oder mehr Elektroden (12,14), die aufeinanderpassende Oberflächen der ersten und zweiten Teile (18, 20) überlagern;
einen zwischen den ersten und zweiten Elektroden (12, 14) angeschlossenen Hochfrequenzradiofrequenzgenerator (16), der ein elektrisches Feld liefert, das ausreicht, um den Klebstoff (24) dielektrisch zu erhitzen, wobei der Klebstoff das erste Teil (18) durch Strahlungswärme erhitzt;
Temperaturmesseinrichtungen (30), die die Oberflächentempera tur des ersten Teiles (18) in der Nähe der aufeinanderpassen den Oberflächen messen; und
eine Steuerung (34), die ein Signal von der Messeinrichtung empfängt, dieses mit einer vorherbestimmten Größe vergleicht und ein Signal zum Radiofrequenzgenerator (16) sendet, um das elektrische Feld abzuschalten, wenn die gemessene Temperatur die vorherbestimmte Höhe erreicht.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturmesseinrichtung ein IR Detektor (30) zum Messen der vom ersten Teil (18) abgestrahlten IR Energie ist.