DE2433186C3 - Ve rfahren zum Verbinden eines Einsatzstückes aus Metall, wärmehärtbarem Material oder dergleichen mit einem Werkstück aus thermoplastischem Material - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verbinden eines Ansatzstückes aus Metall, wärmehärtbarem Material od. dgl. mit einem Werkstück aus thermoplastischem Material, bei dem das Einsatzstück in eine Ausnehmung des Werkstückes eingesetzt wird und mittels einer Oszillationsbewegung parallel zur Achse des Einsatzstückes mit diesem verbunden wird.

Ein derartiges Verfahren ist im wesentlichen aus der GB-PS 11 80 383 bekannt, wobei dort mit Ultraschall gearbeitet wird, d. h. bei einer Frequenz in der Größenordnung von 20 000 Hz. Die Durchführung des Verfahrens nach der GB-PS 11 80 383 bedingt somit einen" beträchtlichen apparativen Aufwand, da ein Ultraschallgeber zur Erzeugung der Oszillationsbewegung erforderlich ist Ein weiterer Nachteil des dort beschriebenen Verfahrens besteht darin, daß dort zum Verbinden von Einsatzstückeii bestimmter Form mit dem Werkstück komplizierte und kostspielige Bearbeitungsgänge erforderlich sind, wie zum Beispiel Fräsen, Hinterdrehen od. dgl. Ein weiterer Nachteil des Verfahrens nach der GB-PS 11 80 383 besteht darin, daß zur Herstellung bestimmter Verbindungen eine Verflüssigung einer erheblichen Materialmenge des Werkstükkes aus thermoplastischem Material erforderlich ist, wenn beispielsweise Einsatzstücke mit Aussparungen verwendet werden, in die das thermoplastische Material zur Verankerung des Einsatzstückes hineinfließen soll.

Das Reibschweißen als solches ist beispielsweise aus der Zeitschrift ^Kunststoffe«, 1972, Seite 478 bis 482 unter Angabe verschiedener Einzelheiten über seine Anwendung beschrieben, wie zum Beispiel zur Verbindung von Rohren oder Rundkörpern, die mit oszillierender Drehung oder mit Oszillation ohne Drehung im Reibstumpf-Schweißverfahren erfolgen kann. Dabei sind dort eine Reihe bewährter Formen von Rohrstoßflächen zur Herstellung derartiger Verbindungen angegeben, wobei die besondere Formgebung der Stoßflächen den Zweck hat, durch des Ineinandergreifen von Paßteilen einen guten Sitz der freien Fügeteil-Enden während des Reibungs-Schweißens und somit eine möglichst genaue Zentrizität der verbundenen Werkstücke, eine günstige Durchwärmung der Fügeteil-Enden und damit eine gute Verbindungsfestigkeit zu erzielen.

Weiterhin ist aus der Zeitschrift »Modem Plastics«, 1945, Seite 142 bis 145, bekannt, unter Verwendung des Reib-Schweißverfahrens thermoplastische Werkstücke mit anderen Materialien, wie zum Beispiel Holz oder poröser Bronze zu verbinden. Dabei wird im wesentlichen die Porosität der nichtthermoplastischen Materialien ausgenutzt, da bei der Erzeugung von Reibung das thermoplastische Material zu fließen beginnt und, insbesondere bei der Ausübung von zusätzlichem Druck, in die Poren oder Ritzen des nichtthermoplastischen Materials eindringt und auf diese Weise nach Beendigung des Reib-Schweißens eine wirksame Verbindung bildet.

Schließlich ist es beispielsweise aus der DT-OS 17 04102 bekannt, zum Verkleben von Kanülen für Injektionsspritzen mit aus thermoplastischen Werkstoffen bestehenden Ansätzen durch direkten elektrischen Stromdurchgang die Kanüle so lange zu erhitzen, bis an der Berührungszone der beiden Körper der Erweichungspunkt des thermoplastischen Materials überschritten und dadurch eine haltbare Klebeverbindung hergestellt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Verbinden eines Einsatzstückes aus Metall, wärmehärtbarem Material od. dgl. mit einem Werkstück aus thermoplastischem Material anzugeben, bei dem ohne hohen maschinellen Aufwand nichtthermoplastische Einsatzstücke durch einfache Arbeitsgänge mit Werkstücken aus Kunststoff verbunden werden können.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, ein Verfahren der im Oberbegriff bezeichneten Art so durchzuführen, daß als Werkstück aus thermoplastischem material ein Werkstück aus zwei zusammensetzbaren Teilen verwendet wird, die in ihrer Trennebene jeweils ein vorgeformtes Lager mit komplementären Sitzen zur Aufnahme des komplementär geformten

Einsatzstückes aufweisen, und daß die beiden Teile des thermoplastischen Werkstückes unter Reibkontakt miteinander mit einer Relativbewegung ineinander in Schwingungen versetzt und gleichzeitig stark gegeneinander gedruckt werden.

In weiterer Ausbildung der Erfindung erfolgt die Oszillation mit einer Amplitude zwischen 2 mm und 4 mm und einer Frequenz in der Größenordnung von

Besonders vorteilhaft ist es, wenn ein mit Längsprofilierungen versehenes Einsatzstück verwendet wird.

Zweckmäßigerweise wird ein Einsatzstück mit nichtkreisförmigem Querschnitt verwendet.

Bei einer anderen Ausführungsform des erfindungseinäßen Verfahrens wird ein Einsatzstück mit einer pj_er mehreren quer zur Schwingbewegung verlaufenden Haltenuten verwendet.

In weiterer Ausbildung der Erfindung wird ein längsprofiliertes und mit einer oder mehreren 1 laltenu_len versehenes Einsatzstück verwendet.

Bei einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Gitter, ein Geflecht, eine Litze od. dgl. verwendet.

In weilerer Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bei Verwendung von metallischen Einsatzstücken mit erheblicher Masse das Hinsatzstück vorgewärmt.

7weckmäßigerweise wird bei Verwendung eines metallischen Einsatzstückes dieses in einen Stromkreis mit niedriger Spannung kurzgeschlossen.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können in vorteilhafter Weise mit geringem apparativen Aufwand und ohne kostspielige und komplizierte Bearbeitungseänge wirksame Verbindungen eines Einsatzstückes aus Metall od. dgl. mit einem Werkstück aus thermoplastischem Materia! hergestellt werden, da sich für die zusammensetzbaren Teile des Werkstückes aus thermoplastischem Material in einfacher Weise Preßteile oder Gußteile verwenden lassen. Derartige Preß- oder Guüteile lassen sich ihrerseits schnell und in beliebig komplizierter Form herstellen, wobei keine besonders große Präzision dieser Werkstückteile erforderlich ist. da bei der Relativbewegung und dem Reibkontakt etwaig überschüssiges Material leicht herauspreßbar und als Schweißnaht ohne weiteres entfernbar ist.

Fin weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, daß nur eine geringe Materialmenge in der Trennebene der beiden Werkstückteile so weit erweicht zu werden braucht, daß sie aneinander haftenbleiben und dabei cas jeweils einzusetzende Einsatzstück zwischeneinander einschlie-

Das erfindungsgemäße Verfahren soll im folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert werden. Die Zeichungen zeigen in

Fig. 1 eine Darstellung im Schnitt zur Erläuterung einer ersten Ausführungsform des Verfahrens,

Fig.2 eine schematische Darstellung im Schnitt zur Erläuterung einer weiteren Ausführungsform, bei der eine Metallachse unverdrehbar aber axial verschieblich mit einem thermoplastischen Werkstück verbunden ist,

Fig. 3 und 4 schematische Darstellungen zur Erläuterung weiterer Ausführungsformen des Verfahrens, wobei das Einsatzstück verdrehbar, aber axial nicht verschiebbar bzw. unverdrehbar und axial unverschiebbar mit dem thermoplastischen Werkstück verhunden ist. und in

F i g. 5 bis 7 schematische Darstellungen zur Erläuterung weiterer Ausführungsformen äes Verfahrens.

In F i g. 1 erkennt man bei 10 und 12 zwei Teile eines Weiksvückes aus thermoplastischem Material, mit denen ein Einsatzstück verbunden werden soll, der im vorliegenden Falle aus einer festen metallischen Achse Hbesteht. In der Trennebene der beiden Teile lOund 12 ist ein Lager zum Einführen des Einsatzstückes 14 vorgesehen. Dem Prinzip des Reibungs-Schweißens entsprechend werden die beiden Teile 10 und 12 unter Reibkontakt miteinander mit einer Relativbewegung zueinander in Richtung des Vektors D in Schwingungen versetzt, der parallel zur Achse des Einsatzstückes 14 liegt. Gleichzeitig werden die beiden Teile 10 und 12 einem starken Druck gegeneinander ausgesetzt. Für diese Schwingungen oder Vibrationen wählt man zweckmäßigerweise eine Amplitude in der Größenordnung von 2 mm bis 4 mm und eine Frequenz in der Größenordnung von 100 Hz.

Während die in Reibkontakt miteinander stehenden Flächen gegeneinander gedruckt werden, fließt das geschmolzene Material des thermoplastischen Werkstückes um die metallische Achse. Nach Beendigung der Vibrationen und der Abkühlung sind die beiden Teile 10 und 12 miteinander verschweißt, und das Einsatzstück 14 bleibt zwischen den beiden Teilen des Werkstückes eingeschlossen. In F i g. I ist bei 16 die Zone der Verbindung zwischen dem Einsatzstück 14 und den beiden Teilen 10 und 12 des thermoplastische!! Werkstückes angedeutet.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist dem Einsatzstück eine Achse 18 vorgesehen, die mit l.ängsprofilierungen versehen ist. so daß nach dem Verschweißen der beiden Hälften des thermoplastischen Werkstückes das Einsatzstück 18 nicht mehr um seine Achse vei drehbar ist, sondern vielmehr durch die beiden Teile des thermoplastischen Werkstuckes verschiebbar ist bzw. gleiten kann. Das gleiche Ergebnis erhält man, wenn ein Einsatzstück mit nichlkreisförmigeni Querschnitt verwendet wird.

Bei einer anderen Ausführungsform kann ein Einsatzstück verwendet werden, das in seiner axialen Stellung blockiert, jedoch drehbeweglich angeordnet ist. In diesem Falle wird ein Einsatzstück mit einer oder mehreren Haltenuten für das thermoplastische Material verwendet und die Vibrationen unter Reibeingriff der beiden Teile des thermoplastischen Werkstückes miteinander parallel zur Achse des Einsatzstückes aufgebracht. Eine derartige Ausführungsform ist in F i g. 3 angedeutet, wobei das mit 22 bezeichnete Einsatzstück in Form einer mit einer Nut quer zur Schwingbewegung versehenen Achse ausgebildet ist. Bei dieser Ausführungsform muß auch in den beiden Teilen des thermoplastischen Werkstückes eine Lage rung vorgesehen sein, die eine richtige Positionierung des Einsatzstückes ermöglicht. Während des Verschweißens der beiden Hälften des Werkstückes dringt der geschmolzene thermoplastische Kunststoff in die Nut des Einsatrstückes 22 ein, das nach dem Abkühlen in seiner Stellung axial blockiert, jedoch drehbeweglich verbleibt.

Das in F i g. 4 wiedergegebene Ausführungsbeispiel zeigt den Fall eines in sämtlichen Richtungen innerhalb des thermoplastischen Werkstückes blockierten Einsatzstückes 24. Das Einsatzstück 24 ist mit Läügsprofilierungen und mit einer Haltenut versehen, die seine Blockierung innerhalb des thermoplastischen Werkstükkes ermöglicht.

Das oben beschriebene Verfahren läßt sich auch zum Verbinden eines Einsatzstückes in Form eines Gitters 26 mit einem aus zwei zusammensetzbaren Teilen 10 und 12 bestehenden Werkstück aus thermoplastischem Material anwenden (vgl. Fig.5), wenn das Gitter zwischen den beiden zu verschweißenden Hälften des Werkstückes eingeschlossen ist und das thermoplastische Material auf Grund des Reibkontaktes durch die Maschen des Gitters 26 hindurchfließt. Wie beim oben beschriebenen Verfahren kann es sich bei der Relativbewegung der beiden Teile gegeneinander um Lineaivibrationen D\ oder um Winkelvibrationen £λ handeln. Bei der Ausführungsform nach Fig.6 handelt es sich um die Verbindung einer metallischen Litze oder eines metallischen Geflechtes 28 mit einem Werkstück aus thermoplastischem Material, wobei das Verfahren in gleicher Weise wie bei der an Hand der Fig. 5 beschriebenen Ausführungsform abläuft.

Selbstverständlich ist das oben beschriebene Verfahren nicht auf metallische Einsatzstücke beschränkt und kann auch dann angewendet werden, wenn das Eir satzstück aus einem duroplastischen Kunststoffmateria! oder aus Gummi besteht. So ist beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 der Fall angedeutet, so durch Vibration eine Kautschukmembran 30 mit einem Werkstück aus thermoplastischem Material verbunden wird. Bei dieser Ausführungsform überlagert sich dem Effekt der eingesetzten Kautschukmembran 30 ein gewisser Anteil des Verschweißens zwischen dem Gimmi oder Kautschuk der Membran und dem

ίο thermoplastischen Kunststoff des Gehäuses.

Bei Verwendung eines dicken metallischen Gitters od:r eines metallischen Einsatzstückes mit erheblicher Müsse kann eine Momentanerwärmung zur Vorwärmung des metallischen Einsatzstückes durch KurzschluC

ij be niedriger Spannung und sehr hohem Strorr vorgesehen sein, wie zum Beispiel bei 1 V und 200 A Diis, durch Reibung geschmolzene thermoplastische Kiiiiststoffmaterial steht dann einem heißen Einsatz stück gegenüber, wodurch das Fließen des thermoplasti

ίο sehen Materials um das Einsatzstück begünstigt wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Verbinden eines Einsatzstückes aus Metall, wärmehärtbarem Material od. dgl. mit einem Werkstück aus thermoplastischem Material, bei dem das Einsatzstück in einer Ausnehmung des Werkstückes eingesetzt wird und mittels einer Oszillationsbewegung parallel zur Achse des Einsatzstückes mit diesem verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Werkstück aus thermoplastischem Material ein Werkstück aus zwei zusammensetzbaren Teilen verwendet wird, die in ihrer Trennebene jeweils ein vorgeformtes Lager mit komplementären Sitzen zur Aufnahme des komplementär geformten Einsatzstückes aufweisen, und daß die beiden Teile des thermoplastischen Werkstückes unier Reibkontakt miteinander mit einer Relativbewegung zueinander in Schwingungen versetzt und gleichzeitig gegeneinander gedrückt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oszillation mit einer Amplitude zwischen 2 mm und 4 mm und einer Frequenz in der Größenordnung von 100 Hz erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit Längsprofilierungen versehenes Einsatzstück verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Einsatzstück mit nichtkreisförmigern Querschnitt verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Einsatzstück mit einer oder mehreren quer zur Schwingbewegung verlaufenden Haltenuten verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein längsprofiliertes und mit einer ödere mehreren Haltenuten versehenes Einsatzstück verwendet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Einsatzstück ein Gitter, ein Geflecht, eine Litze od. dgl. verwendet wird.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von metallischen Einsatzstücken mit erheblicher Masse das Einsatzstück vorgewärmt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines metallischen Einsatzstückes dieses in einen Stromkreis mit niedriger Spannung kurzgeschlossen wird.