DE4441681A1 - Verfahren zum Verbinden von Kunststoff-Formteilen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von thermoplastischen Kunststoff-Formteilen mit Hilfe einer metallischen Überbrückung, wobei die Verbindungsfuge durch Metallstreifen überbrückt ist, insbesondere betrifft sie ein Verfahren zum Ausbessern von beschädigten thermopla­ stischen Kunststoff-Formteilen.

In einer Reihe von Industriezweigen, insbesondere in der Automobilindustrie, werden zunehmend Formteile aus Metall durch solche aus Kunststoffen ersetzt. Dieser Einsatz von Kunststoff-Formteilen dient zum einen der Gewichts­ ersparnis und zum anderen der Vereinfachung von Ferti­ gungsabläufen. In der Automobilindustrie werden z. B. Heck­ klappen von Automobilen, Kotflügelteile und insbesondere Stoßfänger oder Lampengehäuse aus Kunststoff-Formteilen in zunehmendem Umfang verwendet. Diese Kunststoff-Formteile können aus einer Vielzahl von verschiedenen Kunststoffen bzw. Verbundwerkstoffen bestehen, beispielhaft erwähnt seien Polyethylen, Polypropylen, Polycarbonat, Acrylnitrilbutadienstyrolterpolymere (ABS), Polyamid, Polyurethan, außerdem kommen häufig sogenannte Polymerblends, wie z. B. die EPDM-modifizierten Polyethylene und Polypropylen-Werkstoffe zum Einsatz.

Beim Betrieb der mit diesen Kunststoff-Formteilen ausgerüsteten Maschinen, Apparate und insbesondere Fahrzeuge (Automobile) können diese Kunststoff-Formteile beschädigt werden. Insbesondere die Stoßfänger oder Lampengehäuse von Automobilen werden häufig bei Kraftfahrzeugunfällen beschädigt.

Bisher wurden die beschädigten Formteile in der Regel durch neue Teile ersetzt und nicht repariert.

Diese Vorgehensweise hat für den Verbraucher zwei entscheidende Nachteile: Zum einen sind die Kosten durch den Austausch des Teiles durch ein neues Teil erheblich höher, als wenn mit einfachen Methoden das Kunststoff- Formteil repariert würde, zum anderen muß das beschädigte Kunststoff-Formteil entsorgt werden. Diese bisher notwendige Entsorgung von sperrigen und voluminösen Teilen ist aus Umweltschutzgründen in hohem Maße unerwünscht, außerdem tragen die Entsorgungskosten zu einem maßgeblichen Teil zur Erhöhung der Reparaturkosten bei.

Es hat daher nicht an Versuchen gefehlt, Reparaturver­ fahren für die Reparatur derartig beschädigter Kunststoff- Formteile zu entwickeln, jedoch haben alle bisher bekannten Verfahren in der Praxis erhebliche Nachteile gezeigt.

Die EP-A-186081 schlägt für Karosserie-Reparaturen die Verwendung von Blechen vor, die mit Schmelzklebstoffen auf Basis thermoplastischer Copolymerer beschichtet sind, diese derartig beschichteten Bleche werden dann über die beschädigte Stelle geklebt. Dieses Verfahren ist jedoch nur für Blechteile und nicht für Kunststoff-Formteile ver­ wendbar, da hier die zu reparierende Stelle auf Tempera­ turen vorgewärmt werden muß, bei denen der Schmelzkleb­ stoff auf Basis thermoplastischer Blockcopolymeren erweicht, d. h., es muß auf Temperaturen von oberhalb 100°C erwärmt werden. Viele Kunststoff-Formteile, insbesondere solche auf Basis von thermoplastischen Materialien, ver­ lieren bei diesen Temperaturen ihre Formstabilität und ihre mechanischen Eigenschaften, so daß das in der EP-A- 186081 vorgeschlagene Verfahren nicht für die Reparatur von Kunststoff-Formteilen geeignet ist.

Die EP-A-315101 beschreibt eine Methode zur Reparatur von beschädigten Artikeln aus Verbundwerkstoffen. Dabei wird die beschädigte Stelle des Verbundwerkstoffes durch Auf­ kleben von Metall oder ausgehärteten Verbundwerkstoff- Stücken auf die Fläche, die die beschädigte Fläche umgibt, ausgebessert. Als Klebstoff wird hier eine kautschuk­ modifizierte Vinylesterharz-Zusammensetzung vorgeschlagen. In einer anderen Ausführungsform wird ein ungehärtetes Verstärkungsmaterial mit einer kautschukmodifizierten Vinylesterharz-Zusammensetzung getränkt und über die vor­ bereitete beschädigte Zone gelegt und dort ausgehärtet. Als Verstärkungsmaterial werden Graphitfasergewebe bzw. Glasfasergewebe vorgeschlagen. Gemäß EP-A-315101 wird die beschädigte Zone vollflächig mit dem Metall bzw. Verbund­ werkstoff überklebt. Es werden keine Angaben darüber gemacht, ob dieses Reparaturverfahren auch für die Reparatur von Kunststoff-Formteilen aus thermoplastischen Materialien geeignet ist.

Sehr häufig weisen die beschädigten Stellen von Kunst­ stoff-Formteilen, insbesondere Stoßfänger oder Lampengehäuse von Automobilen längere Risse auf, die die mechanische Festigkeit des Formteils drastisch reduzieren. Versucht man, diese Stellen nach herkömmlichen Methoden des Standes der Technik durch vollflächige verstärkende Verklebung mit Blechteilen bzw. durch Verklebung unter Zuhilfenahme von Glasfaser-Geweben zu reparieren, so zeigt sich, daß die mechanischen Eigenschaften des derartig reparierten Formteils erheblich schlechter sind als die des ursprünglichen unbeschädigten Formteils. Bei der großflächigen Verklebung mit Blechen beobachtet man, daß, z. B. beim Pendelschlagversuch, die Verklebung großflächig abplatzt, bei der Reparatur mit Hilfe von Glasfaser-Matten reißt beim Zugversuch unter Verwindung des Formteils die Verklebung an der ursprünglichen Rißstelle ein. Auch beim Pendelschlagversuch reißt das Fasergewebe an der ursprünglichen Rißstelle. Kürzlich wurde ein Verfahren angegeben, bei dem Kunststofformteile mit Hilfe eines 1- oder 2-komponentigen Klebstoffes verbunden werden, wobei die Verbindungsfuge durch Metallstreifen überbrückt ist.

Die bisher bekannten Verfahren sind nicht oder nur unzureichend geeignet zum Verbinden von sehr unpolaren Werkstoffen wie z. B. Polyethylen, Polypropylen, EPDM sowie Polymerblends aus diesen thermoplastischen Polymeren. Insbesondere benötigen auch die letztgenannten Verfahren noch aufwendige Oberflächenvorbehandlungen, wie z. B. mechanisches Aufrauhen, Plasma- oder Coronavorbehandlungen oder die Verwendung von meist Lösungsmittel-haltigen Primer-Voranstrichen. Es bestand also Bedarf, ein Ver­ fahren zu entwickeln, das die Reparatur von beschädigten Kunststoff-Formteilen, insbesondere solchen, wie sie in der Automobilindustrie verwendet werden, mit einfachen Mitteln ermöglicht. Dieses Verfahren sollte weiterhin gewährleisten, daß das reparierte Teil nicht nur optisch einwandfrei aussieht, sondern auch in seinen mechanischen Eigenschaften denen des neuen Teils gleichwertig ist.

Es wurde jetzt gefunden, daß speziell geformte Metall­ streifen, die Verbindung von thermoplastischen Kunststoff- Formteilen, insbesondere bei der Reparatur dergestalt er­ möglichen, daß die Formteile ihre ursprünglichen mechani­ schen Gebrauchseigenschaften zurückbekommen, wobei Spach­ telmassen oder Kleb-/Dichtstoffe nur noch zum Abdichten der Verbindungsstelle und zum Verbessern der optischen Erscheinung benötigt werden, nicht jedoch, um die kraftschlüssige Verbindung zwischen den Teilen herzu­ stellen.

Die Erfindung betrifft also ein Verfahren zum Verbinden von thermoplastischen Kunststoff-Formteilen mit Hilfe von speziell geformten Metallstreifen, mit denen die Verbin­ dungsfuge überbrückt wird. Die Metallstreifen sind dabei mit einer Vielzahl von Stiften versehen, die 0,1 bis 15 mm aus dem Metallstreifen herausragen. In einer weiteren Aus­ führungsform sind die Metallstreifen mit reibeisenartig vorspringenden Durchbrüchen versehen.

Die herausragenden Stifte oder die vorspringenden Durch­ brüche sorgen dabei für eine feste, dauerhafte kraft­ schlüssige Verbindung des überbrückenden Metallstreifens mit dem thermoplastischen Kunststoff-Formteil.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verbund von thermoplastischen Kunststoff-Formteilen, wobei die Ver­ bindungsfuge durch mindestens einen Metallstreifen mit herausragenden Stiften bzw. vorspringenden Durchbrüchen überbrückt ist. Zum Abdichten der Verbindungsfuge und zur Wiederherstellung einer optisch ansprechenden glatten Oberfläche der Verbindungsfuge bei Reparaturen kann die Verbindungsfuge dabei mit einer an sich bekannten Spachtelmasse und/oder einem an sich bekannten Kleb-/Dichtstoff beschichtet sein, wobei die Metallstreifen zumindest teilweise in die Schicht der Spachtelmasse oder des Kleb-/Dichtstoffes eingebettet sind.

Für dieses Reparatur-Verfahren geeignet sind alle Formteile aus thermoplastischen Kunststoffen, wie sie z. B. im Automobilbau verwendet werden: Polyolefine, wie z. B. Polyethylen, Polypropylen, Kautschukmodifizierte Polyolefine, insbesondere EPDM-modifiziertes Polyethylen und/oder Polypropylen, Polycarbonat, ABS, Polyamid, thermoplastisches Polyurethan, wobei diese auch als faserverstärkte Kunststoffe ausgeführt sein können.

Als Kleb-/Dichtstoffe oder Spachtelmassen eignen sich für die erfindungsgemäßen Reparaturverfahren alle ein- bzw. zweikomponentigen Materialien, sofern sie in einem Temperaturbereich von Raumtemperatur bis etwa maximal 90°C mit ausreichender Geschwindigkeit aushärten. Beispiele für derartige Klebstoffe sind ein- oder zwei-komponentige Epoxyklebstoffe, ungesättigte Polyester in Kombination mit Styrol und/oder Methacrylaten, (Meth)acrylat-Klebstoffe oder zweikomponentige Polyurethan-Klebstoffe.

Als verstärkende Metallstreifen eignen sich Federstahl, Aluminium und ganz besonders elektrolytisch verzinktes Stahlblech, wie es beispielsweise im Karosseriebau ver­ wendet wird. Die Metallstreifen können zusätzlich zu der Verzinkung oder anstelle der Verzinkung durch andere gängige Methoden Oberflächen-vorbehandelt sein. Hierzu zählen z. B. Beschichtung mit sogenannten Grundierungen, Elektrotauchlackierungen, Phosphatierungen und/oder Lackierungen.

Erfindungsgemäß sind die Metallstreifen mit einer Vielzahl von Stiften versehen, die 0,1 bis 15 mm aus dem Metall­ streifen entweder einseitig oder auch beidseitig heraus­ ragen. Vorzugsweise sind die Stifte in Reihen angeordnet und der seitliche Abstand zwischen 2 Stiften beträgt 3 bis 15 mm. Die Stifte ragen dabei ähnlich wie bei einem "Nagelbrett" aus der Oberfläche des Metallstreifens heraus. Vorzugsweise ist das freie Ende der Stifte Widerhaken-ähnlich ausgebildet oder es weist eine Verdickung auf. Die kraftschlüssige Verbindung der zu verbindenden thermoplastischen Kunststoff-Formteile geschieht dabei dadurch, daß die erfindungsgemäßen Metall­ streifen auf eine Temperatur oberhalb des Erweichungs­ punktes des thermoplastischen Kunststoffes erwärmt werden und im warmen Zustand mit den herausragenden Stiften in die zu verbindenden Kunststoff-Formteile gedrückt werden, so daß der Kunststoff um die heißen Stifte herum zunächst aufschmilzt. Nach dem anschließenden Erstarren des thermo­ plastischen Kunststoffes sind die Metallstreifen durch die in den erstarrten Kunststoff hineinragenden Stifte kraft­ schlüssig in dem Kunststoff verankert. Diese kraft­ schlüssige Verbindung erfolgt besonders zuverlässig und belastungsfähig, wenn Verdickungen an den oberen Enden der Stifte nach Art eines Nagelkopfes, Pilzkopfes oder kugel­ förmig ausgebildet sind. Das Erwärmen der Metallstreifen kann dabei mit allen gängigen Wärmequellen erfolgen, beispielhaft erwähnt seien Föhn, elektrisch- oder gasbeheizte Heißluftgebläse, offene Flammen, Lötkolben, Induktionsöfen oder auch normale Wärmeschränke.

Auf die derartig in dem Kunststoff-Formteil verankerten Metallstreifen kann zum Abdichten der Verbindungsfuge oder zum Wiederherstellen der gefälligen optischen Erschei­ nungsform ein reaktiver Kleb-/Dichtstoff oder eine Spachtelmasse aufgetragen werden. Da bei dieser Methode der größte Teil der vom Klebstoff bzw. von der Spachtel­ masse zu benetzenden Fläche durch die Metallstreifen gebildet werden, können mit dieser Methode auch bisher nicht oder nur sehr schwer verklebbare Kunststoffe direkt und kraftschlüssig miteinander verbunden werden. Zu diesen bisher nur sehr schwer verklebbaren thermoplastischen Kunststoffen zählt z. B. reines Polyethylen, reines Poly­ propylen sowie Weich-PVC oder fluorierte Polyolefine wie z. B. Teflon. Diese Reparaturmethode ist besonders wirtschaftlich, da im Vergleich zu anderen Methoden der kraftschlüssige Verbund der Formteile besonders schnell erfolgt. In einer bevorzugten Ausführungsform dient die dem Kunststoff-Formteil abgewandte Oberfläche der Metallstreifen für die weiteren Arbeitsgänge als leicht verklebungsfähige Oberfläche, mit der alle herkömmlichen ein- und zweikomponentigen Klebstoffe bzw. Spachtelmassen oder Schmelzklebstoffe einen dauerhaften Verbund bilden.

Die Abmessungen und die Anzahl der pro Reparaturverklebung zu verwendenden Metallstreifen können in breiten Grenzen variieren und richten sich nach der Größe der zu reparie­ renden Stelle und nach den Festigkeiten, die die Verkle­ bung erreichen muß. Die Dicke der Metallstreifen kann zwischen 0,2 und 1,5 mm variieren, vorzugsweise zwischen 0,2 und 1,0 mm, ganz besonders bevorzugt sind die im Automobilbau verwendeten Blechstärken von 0,6 bis 0,9 mm. Länge und Breite der Metallstreifen richten sich nach der zu überbrückenden Klebefuge, die Länge kann zwischen 30 und 200 mm variieren, die Breite zwischen 5 und 20 mm. In einer ganz besonderen Ausführungsform sind die Metall­ streifen zwischen 60 und 90 mm lang und 10 mm breit. Bei der Reparatur von langen, rißförmigen Beschädigungen wird mindestens ein Metallstreifen am Anfang des Risses ver­ ankert, vorzugsweise werden jedoch in weitgehend gleich­ mäßigen Abständen über die gesamte Länge des Risses Metallstreifen auf der Rückseite des beschädigten Form­ teils in die Kunststoffschicht eingedrückt. Eine weitere Möglichkeit der erfindungsgemäßen Verklebung ist eine Kom­ bination von Metallstreifen und Fasermatten als Verstär­ kungsmittel, wobei mindestens ein Metallstreifen am Anfang des Risses eingeklebt werden sollte. Obwohl auch die Metallstreifen der Form des zu reparierenden Kunststoff- Teils angepaßt werden können, kann die Mitverwendung von Glasfaser-Matten oder Textilgeweben zweckmäßig sein, wenn die zu verklebende Schadstelle eine komplizierte Formge­ bung aufweist, oder wenn Teile der zu verstärkenden Reparaturstellen im Sichtbereich liegen, so daß eine sehr glatte Verklebung notwendig wird.

Die Aushärtung der Verklebung kann dabei gegebenenfalls durch Erwärmung der Klebestelle auf Temperaturen bis zu 90°C, vorzugsweise bis etwa 70°C beschleunigt werden, so daß das verklebte Teil bereits nach sehr kurzer Zeit weiterbearbeitet werden kann, z. B. geschliffen und lak­ kiert werden kann. Die Erwärmung kann dabei durch alle bekannten Wärmequellen, insbesondere durch Verwendung von Heißluftgebläsen oder IR-Strahler erfolgen.

Die erfindungsgemäße Verbindung der Formteile ist auch aus Gründen des Umweltschutzes sehr vorteilhaft, da die derar­ tige verklebten Formteile aus thermoplastischen Kunststof­ fen voll recyclingfähig bleiben: Bei einer Zerkleinerung im z. B. Shredder und nachfolgender Granulierung stören die ausgehärteten Klebstoffreste oder Spachtelmassenreste die Wiederverwendung des Kunststoffgranulats nicht, die Metallteile, insbesondere Stahlteile können durch gängige Separierungsmethoden wie z . B. elektromagnetische Ab­ scheidung oder Windsichtung aus dem Granulat entfernt werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Beschreibung der Fig. 1 bis 4 und eines Ausführungsbeispiels näher erläutert:

Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt aus dem erfindungsgemäßen Metallstreifen in der Seitenansicht. Aus dem Metallblech 3 ragen die Stifte 1 heraus. Diese Stifte haben an ihrem freien Ende eine Verdickung 2. Diese Verdickung kann in verschiedener Weise ausgebildet sein: Zylinderförmig, ähnlich einem Nagelkopf, kugelförmig oder pilzkopfförmig.

Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt aus dem erfindungsgemäßen Metallstreifen in der Aufsicht, hier wird deutlich, daß die Stifte in mehreren Reihen angeordnet sind. Die Anzahl der Stiftreihen richtet sich nach der Breite des Metallstreifens.

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Metallstreifen in der Seitenansicht, bei der auch aus der Unterseite des Metallstreifens Stifte 4 herausragen. Die Stifte 4 sind in gleicher Weise ausgebildet wie die Stifte 1.

Fig. 4 zeigt den Verbund von zwei Kunststoffteilen 5 durch einen erfindungsgemäßen Metallstreifen 3. Die Stifte 1 mit ihren Köpfen 2 sind dabei durch den Aufschmelzvor­ gang vollständig in die Kunststoffmatrix des Kunststoff- Formteils 5 eingebettet und sorgen somit für eine belast­ bare Verbindung des Metallstreifens mit den Kunststoff- Formteilen 5. Die bei der Verbindung verbleibende Fuge 6 kann dann mit einer herkömmlichen, geeigneten Spachtel­ masse oder einem Kleb-/Dichtstoff ausgefüllt und geglättet werden.

Ausführungsbeispiel

Zwei EPDM-Kunststoffstreifen der Abmessungen 25 × 100 × 10 mm wurden auf einer ebenen Fläche an ihrer kurzen Kante auf Stoß aneinandergelegt. Ein Stahlblechstreifen gemäß Fig. 1 mit den Abmessungen 20 mm × 60 mm, aus denen Stifte 5 mm herausragten, wurde auf etwa 150°C mit einem Heißluftgebläse erwärmt. Mit Hilfe einer Zange wurde dieser Stahlstreifen wie in Fig. 4 dargestellt mit seinen Stiften in die vorbereiteten Kunststoffstreifen hineinge­ drückt. Unmittelbar nach dem Erkalten wurde der Prüfkörperverbund in eine Zugmaschine eingespannt und dem Zugversuch unterworfen. Es folgte Materialbruch innerhalb des nicht mit dem Metallstreifen armierten Kunststoff­ prüfkörpers.

Vergleichsbeispiel

Gemäß Stand der Technik wurden die EPDM-Kunststoffstreifen mit Hilfe einer Schleifscheibe aufgerauht, mit einem handelsüblichen Kunststoffprimer eingestrichen. Danach erfolgte die Verklebung der Fügestelle mit einem handels­ üblichen Zweikomponenten-Polyurethan-Klebstoff unter Mit­ verwendung eines Glasfasergewebes. Im Zugversuch brach die Verklebung an der Stoßstelle zwischen den beiden Kunststoffstreifen, wobei das Glasfasergewebe durchriß.

Claims (10)

1. Verfahren zum Verbinden von thermoplastischen Kunststoff-Formteilen, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsfuge durch mindestens einen Metallstreifen überbrückt ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Metallstreifen mit einer Vielzahl von Stiften versehen ist, die 0,1 bis 15 mm aus dem Metallstreifen herausragen.

3. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Metall­ streifen mit reibeisenartig vorspringenden Durch­ brüchen versehen sind.

4. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Metallstreifen 30 bis 200 mm lang, 5 bis 20 mm breit und 0,2 bis 1,0 mm dick sind.

5. Verfahren nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stifte an ihrem oberen Ende verbreitert sind.

6. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stifte in Reihen angeordnet sind und der seitliche Abstand zwischen zwei Stiften 3 bis 15 mm beträgt.

7. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallstreifen auf eine Temperatur oberhalb des Erweichungspunktes des zu verbindenden Kunststoff- Formteils erwärmt werden und im heißen Zustand in die zu verbindenden Kunststoff-Formteile eingedrückt werden.

8. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Metall­ streifen auf 90°C bis 180°C erwärmt werden und im heißen Zustand in die zu verbindenden Kunststoff- Formteile eingedrückt werden.

9. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbin­ dungsstelle zusätzlich mit ein- oder mehrkomponent­ igen Spachtelmassen und/oder Kleb-/Dichtstoffen abge­ dichtet werden.

10. Verbund von thermoplastischen Kunststoff-Formteilen, hergestellt nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüchen.