EP3152031A1 - Verfahren zur herstellung von pedelec-rahmen aus kunststoff und entsprechend hergestellter pedelec-rahmen - Google Patents

Verfahren zur herstellung von pedelec-rahmen aus kunststoff und entsprechend hergestellter pedelec-rahmen

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Publication number
EP3152031A1
EP3152031A1 EP15724524.2A EP15724524A EP3152031A1 EP 3152031 A1 EP3152031 A1 EP 3152031A1 EP 15724524 A EP15724524 A EP 15724524A EP 3152031 A1 EP3152031 A1 EP 3152031A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
laser
shells
pedelec
plastic
shell
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP15724524.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Alexander Oelschlegel
Martin Sonntag
Daniel RINESCH
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Rehau Automotive SE and Co KG
Original Assignee
Rehau AG and Co
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Rehau AG and Co filed Critical Rehau AG and Co
Publication of EP3152031A1 publication Critical patent/EP3152031A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B29L2031/34—Electrical apparatus, e.g. sparking plugs or parts thereof
    • B29L2031/3481—Housings or casings incorporating or embedding electric or electronic elements

Definitions

  • the present invention relates to a method for the production of a Pedelec frame, are joined together in the two plastic half-shells and materially connected to each other.
  • Pedelecs differ from a normal bicycle with an additional electric motor, a battery element for motor drive and usually by a control electronics for the engine. In practice pedelec frames are often made manually.
  • bicycle frames are made of steel tubes that are brazed or welded together.
  • other materials such as aluminum, titanium and fiber-reinforced plastics have been increasingly used for some time to reduce the weight of the frame. These are then welded or glued to obtain the desired frame geometry.
  • the joining process is very time consuming and labor intensive.
  • Pedelecs is the peculiarity that these - as mentioned above - must be additionally equipped with an electric motor and at least one battery element. The electric motor can be switched on to assist the pedal drive by the driver.
  • pedelecs often contain control electronics that measure the applied force or speed and, when certain values are reached, actuate or switch off the engine.
  • the present invention has for its object to provide a method for producing a Pedelec frame made of plastic, which is feasible and easy to control with little expenditure of time, so that a high production level can be achieved in a cost effective manner.
  • the object is achieved by a method for producing a pedelec frame made of plastic,
  • the pedelec frame has receptacles for a handlebar, for a bottom bracket and preferably for a driver's saddle, and
  • the pedelec component received from the cavity may e.g. an energy storage, preferably a battery and / or an electric motor of the pedelec.
  • an energy storage preferably a battery and / or an electric motor of the pedelec.
  • a defined positioning is created by the joining of the plastic half shells for the energy storage and / or the electric motor and / or the bottom bracket in the inner cavity.
  • the pedelec frame can have an integrated rear shroud for mounting the rear wheel in the shells.
  • a separate rear triangle is attached to the storage of the rear wheel on the pedelec frame. This rear triangle can be provided with a suspension.
  • the half-shells are preferably formed substantially mirror-inverted to one another. By joining together creates an inner cavity between the half-shells, in which at least the essential components of a pedelec can be accommodated.
  • the inner sides of the half shells advantageously contain positioning elements for the energy store, preferably a battery, and / or for the electric motor and / or for the bottom bracket. These positioning elements are expediently integrally formed on one of the two or in one piece on both half-shells.
  • the bottom bracket or the driver's saddle may be provided to each provide a seamless, stable recording device.
  • the method according to the invention has the advantage that, due to the automatable laser welding, it enables cost-effective production of high-quality pedelec frames at high quantities. Furthermore, it is less time consuming than known adhesive methods, since no curing of the adhesive is required.
  • the laser welding method according to the invention can therefore also be automated very well, since only two components in the form of the two half-shells have to be connected to one another. This feature is of particular importance in the manufacture of pedelec frames to keep manufacturing costs low.
  • the automation also eliminates a turning process that must be performed when welding tubular parts.
  • the half shells are preferably made of a fiber-reinforced thermoplastic, which may in particular contain a partially aromatic polyamide. This material group is particularly suitable for the frame construction because of its high rigidity, low water absorption and high thermal resistance. Surprisingly, this group of materials is also very well suited for laser welding.
  • the partially aromatic polyamide may contain aliphatic dicarbonyl repeating units and diamino aromatic repeating units, or alternatively aromatic dicarbonyl repeating units and aliphatic diamino repeating units. In the context of the invention is also a mixture of the aforementioned substances.
  • the partially aromatic polyamide may contain meta-xylylenediamine repeating units and 1,6-hexanedionyl repeating units.
  • the thermoplastic material also contains an aliphatic polyamide in addition to the partly aromatic polyamide.
  • the proportion by weight of the partially aromatic polyamide based on the total plastic mass without fiber reinforcement is at least 50%, preferably at least 70%.
  • thermoplastic used is selected so that it is suitable for the production of injection molded parts. Injection molding is also the preferred method step for producing the two half-shells. It allows an extremely high variety of forms and is particularly suitable for the above-described positioning elements for positioning of the electric motor and energy storage via a corresponding shape design of the injection molding tools in the simplest manner to form the half-shell / n.
  • the proportion by weight of the fibers in the fiber-reinforced thermoplastic material is expediently 15 to 70%, preferably 40 to 60%. Surprisingly, this highly filled and therefore highly resilient plastic is very well suited for laser welding. Alternatively, for somewhat lower requirements, the weight fraction may be 20 to 40%.
  • the plastic expediently contains glass and / or carbon and / or aramid fibers, preferably only glass fibers. These are more cost-effective compared to carbon and aramid fibers and still have a very good reinforcing effect at the same time very high thermal and chemical stability.
  • the average length of the fibers in the finished manufactured th component, so the pedelec frame less than 15 mm (eg when using a long fiber compound), preferably less than 10 mm, in particular less than 5 mm.
  • short fibers having an average length of less than 3 mm, for example less than 2 mm or less than 1 mm, which can be processed in the plastic matrix finely distributed by injection molding without any problems, are suitable.
  • short fibers are much cheaper than long fibers.
  • the joining edge of a half-shell has a groove and the joining edge of the other half-shell on a engaging in the groove spring.
  • Tongue and groove are preferably dimensioned so that even when they are joined before the laser welding process, a clamping connection is formed.
  • the spring has a slight oversize or the groove has a slight undersize.
  • the two half-shells are first prefixed against each other before the welding process. This makes it possible to control the correct assembly of the half-shells before the irreversible welding process. If necessary, the tongue and groove connection can be solved again before the welding process.
  • a laser transmission welding process is used.
  • one of the joining partners which is laser-transparent, radiates and absorbs the energy from the second laser-absorbing joining partner on its surface. At this surface of the plastic melts, so that in this way the two joining partners can be firmly bonded together.
  • one of the half-shells has a high degree of transmittance in the region of the laser wavelength, while the other half-shell has a high degree of absorption at this wavelength.
  • the laser absorption can be achieved, for example, by adding laser pigments, preferably carbon black, to the plastic of the half shell.
  • laser pigments preferably carbon black
  • the laser employed may be a diode laser with a wavelength of 500 to 1100 nm, e.g. a solid-state diode laser with a wavelength of 1064 nm or a
  • Diode laser with a wavelength of 980 nm.
  • a diode laser with a wavelength of 1300 nm to 2200 nm, preferably from 1400 nm to 2000 nm is used.
  • the macromolecules of the plastic can be excited directly by the laser radiation and this reaches the necessary welding temperature. Pigmentation of the plastic is therefore no longer necessary at these wavelengths.
  • the laser has a diode emitter with thulium and / or erbium. The fusion zone is determined in this welding process by focusing the laser beam to the desired area.
  • At least one of the two half-shells can be produced from a plastic which is transparent to the human eye, so that optical control of the weld is possible after the welding process.
  • this is the groove-forming half-shell.
  • an opaque finish of the pedelec frame together joined half shells is usually performed. This also eliminates the possibly different optics of the two half-shells, which can result, in particular in the case of the laser transmission method, from the above-described different pigmentation of the two half-shells.
  • the invention also relates to a pedelec frame produced by one of the above methods.
  • FIG. 1 shows a pedelec frame according to the invention in a three-dimensional
  • FIG. 2 shows the cross-section A-A in FIG. 1 during the joining process
  • Fig. 3 shows a further embodiment of the invention in one of the Fig. 2 corresponding
  • FIG. 4 shows an enlarged detail of Fig .2 in three-dimensional representation
  • FIG. 5 shows an enlarged detail of FIG. 3 in a three-dimensional representation.
  • Fig. 1 shows a Pedelec frame 1 according to the invention, this being made by the joining together of two corresponding plastic shells 2, 3.
  • the pedelec frame 1 has a receptacle 12 for a handlebar 4, a receptacle 13 for a bottom bracket 5 and a receptacle 14 for a driver's saddle 6.
  • Handlebar 4, bottom bracket 5 and driver's saddle 6 are indicated in Fig. 1 only.
  • a dashed line rear triangle 60 is fixed, which serves to receive the (not shown) rear of the pedelec and can be provided with a suspension not shown.
  • the two plastic half-shells 2, 3 were welded together on the edge side to the pedelec frame 1 by means of laser radiation by forming a weld seam 20 (see FIGS. 2 to 5) running around the pedelec frame 1.
  • the plastic half shells together form an inner cavity 7, which accommodates a battery 30, an electric motor 40 and also the bottom bracket 5 of the pedelec.
  • electric motor 40 and the bottom bracket 5 are also in the inner cavity 7 each positioned at a defined position.
  • the plastic half-shells 2, 3 produced by means of an injection molding process have for this purpose integrally molded positioning elements 50 which hold the electric motor 40, battery 30 and bottom bracket 5 respectively in the desired position.
  • the half-shells 2, 3 are each made of a fiber-reinforced thermoplastic, wherein a partially aromatic polyamide was used as the plastic material.
  • the fiber reinforcement consists of finely divided in the plastic matrix of this polyamide pure glass fibers with an average fiber length of about 3 mm in the finished component.
  • the weight fraction of the fibers in the fiber-reinforced thermoplastic material in the exemplary embodiment is 50%.
  • the joining edge of a half-shell 3 is designed in the form of a groove 9, while the joining edge of the other half-shell 2 is designed such that it forms a spring 10.
  • the end faces 70 of the two joining edges are brought into contact with each other (see Fig. 4, 5).
  • the cross-sectional view shown in Fig. 2 shows the section A - A in Fig. 1 by the plastic half-shells 2, 3, which were peripherally and circumferentially by means of laser radiation 8 cohesively welded together.
  • the plastic of the half-shell 3, which forms a groove 9, is transparent to the laser 8 used.
  • the other half-shell 2, however, is made of a material that is absorbent for the laser 8 used.
  • the laser transmission welding method is used, wherein a diode laser 8, for example with a wavelength of 1064 nm, is used to generate the laser radiation.
  • the laser beam passes through the one laser-transparent half-shell 3 and the energy of the laser is absorbed by the second laser-absorbing half-shell 2 at its surface.
  • the plastic melts, so that there is formed a cohesive connection of the two half-shells 2, 3 to form the weld 20.
  • the half-shell 3 further consists of a plastic material which is transparent to the human eye, so that the weld seam 20 can be optically controlled.
  • Fig. 3 shows an alternative welding method.
  • a diode laser 11 having a wavelength of 1400 nm to 2000 nm is used here.
  • the macromolecules of the plastic can be excited directly at this wavelength by the laser beam is focused accordingly.
  • the desired melting zone 20 is formed by a corresponding focusing of the laser beam on the joint seam between the two half shells 2, 3.
  • the half-shell 3 is made of a plastic material transparent to the human eye.
  • 4 and 5 each show an enlarged section of the joint connection of the two half-shells 2, 3.
  • the geometry of the tongue and groove connection is such that even by the insertion of the spring 10 in the groove 9, a clamping connection is formed, the two Half shells 2, 3 pre-fixed before laser welding.
  • the spring 10 with respect to the groove 9 a slight excess.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Pedelec-Rahmens (1) aus Kunststoff, wobei dieser durch Zusammenfügen zweier entsprechender Kunststoff-Halbschalen (2, 3) hergestellt wird, wobei der Pedelec-Rahmen (1) Aufnahmen (12, 13, 14) für einen Lenker (4), ein Tretlager (5) und vorzugsweise für einen Fahrersattel (6) aufweist, und wobei die beiden Kunststoff-Halbschalen (2, 3) randseitig, vorzugsweise umlaufend, mittels Laserstrahlung stoffschlüssig miteinander zum Pedelec-Rahmen (1) verschweißt werden und hierbei mindestens einen inneren Hohlraum (7) bilden, der vorzugsweise zur Aufnahme mindestens einer Pedelec-Komponente dient. Gegenstand der Erfindung ist auch ein entsprechend hergestellter Pedelec-Rahmen.

Description

Verfahren zur Herstellung von Pedelec-Rahmen aus Kunststoff
und entsprechend hergestellter Pedelec-Rahmen
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren für die Herstellung eines Pedelec-Rahmens, bei dem zwei Kunststoff-Halbschalen zusammengefügt und stoffschlüssig miteinander verbunden werden. Pedelecs unterscheiden sich von einem normalen Fahrrad durch einen zusätzlichen Elektromotor, ein Batterieelement zum Motorantrieb sowie in der Regel durch eine Steuerelektronik für den Motor. In der Praxis werden Pedelec-Rahmen häufig manuell gefertigt.
Üblicherweise werden Fahrradrahmen aus Stahlrohren hergestellt, die zusammengelötet oder verschweißt werden. Neben Stahl werden seit einiger Zeit zunehmend auch andere Werkstoffe wie Aluminium, Titan und faserverstärkte Kunststoffe verwendet, um das Gewicht des Rahmens zu reduzieren. Diese werden dann verschweißt oder verklebt, um die gewünschte Rahmengeometrie zu erhalten. Der Fügeprozess ist sehr zeitaufwendig und arbeitsintensiv. Bei Pedelecs besteht die Besonderheit, dass diese - wie eingangs erwähnt - zusätzlich mit einem Elektro-Motor und wenigstens einem Batterieelement ausgestattet sein müssen. Der Elektro-Motor kann zur Unterstützung des Pedalantriebs durch den Fahrer zugeschaltet werden. Des Weiteren enthalten Pedelecs oftmals eine Steuerelektronik, die die aufgewandte Kraft oder die Geschwindigkeit misst und bei Erreichen bestimmter Werte den Mo- tor betätigt bzw. abschaltet. Die zusätzlichen Elemente eines Pedelecs haben zur Folge, dass die Rahmenrohre mit einem vergleichsweise großen Durchmesser gefertigt werden müssen, um die Versorgungselemente darin unterzubringen. Teilweise werden diese Elemente auch außen am Rahmen befestigt, was jedoch ästhetisch nicht sehr ansprechend ist. Es gab bereits einige Ansätze, Fahrradrahmen aus zwei Halbschalen herzustellen. Ein solcher Rahmen ist beispielsweise in der DE 10 2011 053 100 A1 offenbart. Die Halbschalen werden dabei in einem Schritt zusammengefügt und durch Kleben oder Schweißen mitei- nander verbunden. Nachteilig ist hierbei jedoch, dass die Klebeverbindung bzw. die Schweißnaht nach dem Fügevorgang nur schwierig kontrolliert und nicht korrigiert werden kann. Des Weiteren ist der Fügevorgang auch bei dieser Konstruktion sehr zeitaufwändig, da sehr präzise gearbeitet werden muss und die Klebeverbindung anschließend aushärten muss. Zur Verbindung von zwei Halbschalen ist es aus der US 5 913 529 bekannt, zwischen den Fügerändern ein nutförmiges Zwischenelement vorzusehen. So können die Rahmenhälften passgenau zusammengefügt werden. Jedoch muss auch hier der Fügevorgang sehr sorgfältig durchgeführt werden, da der Kleber mit dem Zusammenfügen aufgetragen wird und somit auch bei diesem Verfahren eine Korrektur später nicht mehr möglich ist.
Es ist ferner auch bekannt, traditionelle Fahrrad-Rahmen aus Metall teilweise mittels eines Laserstrahls zu verschweißen. Dies zeigt zum Beispiel die DE 1 98 248 33 A1. Aufgrund der neuen Entwicklungen im Bereich der Elektrofahrräder haben sich die Bedürfnisse und die Anforderungen an ein Fahrrad geändert. Metall eignet sich für Pedelec-Rahmen nur sehr bedingt. Aufgrund der zusätzlichen Versorgungselemente ist es vorteilhafter, eine leichte Rahmenkonstruktion zu wählen, um das Gesamtgewicht des Rahmens möglichst gering zu halten. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Pedelec-Rahmens aus Kunststoff bereit zu stellen, das mit geringem Zeitaufwand durchführbar und gut kontrollierbar ist, so dass auf kostengünstige Weise ein hohes Fertigungsniveau erreichbar ist. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Pedelec-Rahmens aus Kunststoff,
- wobei dieser durch Zusammenfügen zweier entsprechender Kunststoff-Halbschalen hergestellt wird,
- wobei der Pedelec-Rahmen Aufnahmen für einen Lenker, für ein Tretlager und vorzugsweise für einen Fahrersattel aufweist, und
- wobei die beiden Kunststoff-Halbschalen randseitig, vorzugsweise umlaufend, mit- tels Laserstrahlung stoffschlüssig miteinander zum Pedelec-Rahmen verschweißt werden und hierbei mindestens einen inneren Hohlraum bilden, der vorzugsweise zur Aufnahme mindestens einer Pedelec-Komponente dient.
Die vom Hohlraum aufgenommene Pedelec-Komponente kann z.B. ein Energiespeicher, vorzugsweise eine Batterie und/oder ein Elektromotor des Pedelecs sein. Zweckmäßigerweise wird durch das Zusammenfügen der Kunststoff-Halbschalen für den Energiespeicher und/oder den Elektromotor und/oder das Tretlager im inneren Hohlraum jeweils eine definierte Positionierung geschaffen. Neben den Aufnahmen für Lenker, Tretlager und ggf. Fahrersattel kann der Pedelec-Rahmen einen in die Halbschalen integrierten Hinterbau für die Lagerung des Hinterrads aufweisen. Alternativ hierzu ist es aber auch möglich, dass zur Lagerung des Hinterrads an dem Pedelec-Rahmen ein separater Hinterbau befestigt ist. Dieser Hinterbau kann mit einer Federung versehen sein.
Die Halbschalen sind dabei vorzugsweise im Wesentlichen spiegelbildlich zueinander ge- formt. Durch ihr Zusammenfügen entsteht zwischen den Halbschalen ein innerer Hohlraum, in dem zumindest die wesentlichen Bestandteile eines Pedelecs untergebracht werden können. Die Innenseiten der Halbschalen enthalten zweckmäßigerweise Positionierungselemente für den Energiespeicher, vorzugsweise eine Batterie, und/oder für den Elektromotor und/oder für das Tretlager. Diese Positionierungselemente sind zweckmäßigerweise einstückig an eine der beiden oder auch einstückig an beide Halbschalen angeformt. In den Aufnahmen des Pedelec-Rahmens können entsprechende Aufnahmehülsen für den Lenker, das Tretlager oder den Fahrersattel vorgesehen sein, um jeweils eine nahtfreie, stabile Aufnahmevorrichtung zu schaffen. Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass es aufgrund der automatisierbaren Laserverschweißung eine kostengünstige Herstellung von qualitativ hochwertigen Pedelec-Rahmen bei hohen Stückzahlen ermöglicht. Ferner gestaltet es sich weniger zeitaufwendig als bekannte Klebeverfahren, da kein Aushärten des Klebstoffes erforderlich ist.
Das erfindungsgemäße Laserschweißverfahren lässt sich auch deshalb sehr gut automati- sieren, weil nur zwei Bauteile in Form der zwei Halbschalen miteinander verbunden werden müssen. Diese Eigenschaft ist bei der Herstellung von Pedelec-Rahmen von besonderer Bedeutung, um die Herstellungskosten niedrig zu halten. Durch die Automatisierung entfällt zudem ein Wendevorgang, der bei der Verschweißung rohrförmiger Teile durchgeführt werden muss. Die Halbschalen werden vorzugsweise aus einem faserverstärkten thermoplastischen Kunststoff hergestellt, der insbesondere ein teilaromatisches Polyamid enthalten kann. Diese Werkstoffgruppe eignet sich für die Rahmenkonstruktion besonders wegen ihrer hohen Steifigkeit, der geringen Wasseraufnahme sowie der hohen thermischen Beständigkeit. Überraschenderweise ist diese Werkstoffgruppe auch sehr gut für eine Laserverschwei- ßung geeignet. Das teilaromatische Polyamid kann aliphatische Dicarbonyl- Wiederholeinheiten und aromatische Diamino-Wiederholeinheiten enthalten oder alternativ aromatische Dicarbonyl-Wiederholeinheiten und aliphatische Diamino-Wiederholeinheiten. Im Rahmen der Erfindung liegt auch eine Mischung der vorgenannten Substanzen. Insbe- sondere kann das teilaromatische Polyamid meta-Xylylendiamin-Wiederholeinheiten und 1 ,6-Hexandionyl-Wiederholeinheiten enthalten. Im Rahmen der Erfindung liegt es, dass der thermoplastische Kunststoff neben dem teilaromatischen Polyamid auch ein aliphatisches Polyamid enthält. Der Gewichtsanteil des teilaromatischen Polyamids bezogen auf die gesamte Kunststoff masse ohne Faserverstärkung beträgt mindestens 50 %, vorzugsweise mindestens 70 %.
Der verwendete thermoplastische Kunststoff ist so ausgewählt, dass er zur Herstellung von Spritzgussteilen geeignet ist. Das Spritzgießen ist ferner auch der bevorzugte Verfahrensschritt zur Herstellung der beiden Halbschalen. Es ermöglicht eine extrem hohe Formvielfalt und eignet sich insbesondere auch dazu, die oben beschriebenen Positionierungselemente zur Positionierung von Elektromotor und Energiespeicher über eine entsprechende Formgestaltung der Spritzgusswerkzeuge auf einfachste Weise an die Halbschale/n anzuformen. Der Gewichtsanteil der Fasern im faserverstärkten thermoplastischen Kunststoff beträgt zweckmäßigerweise 15 bis 70 %, vorzugsweise 40 bis 60 %. Überraschenderweise ist auch dieser hochgefüllte und daher hochbelastbare Kunststoff sehr gut zum Laserschweißen geeignet. Alternativ kann für etwas niedrigere Anforderungen der Gewichtsanteil 20 bis 40 % betragen. Mit einem Gewichtsanteil der Fasern unter 15% besäße das Marterial eine zu geringe Festigkeit. Bei einem Gewichtsanteil über 70% besäße das Material hingegen eine geminderte Formbarkeit. Außerdem sind Kunststoffe mit einem solch großen Faservolumen zu starr und spröde für die Verwendung in einem Pedelec-Rahmen.
Um die Festigkeit des Kunststoffes zu erhöhen, enthält er zweckmäßigerweise Glas- und/oder Carbon- und/oder Aramidfasern, vorzugsweise lediglich Glasfasern. Diese sind im Vergleich zu Carbon- und Aramidfasern kostengünstiger und besitzen trotzdem eine sehr gute Armierungswirkung bei gleichzeitig sehr hoher thermischer und chemischer Stabilität. Zweckmäßigerweise beträgt die durchschnittliche Länge der Fasern im fertigen hergestell- ten Bauteil, also dem Pedelec-Rahmen, weniger als 15 mm (z.B. bei Verwendung eines Langfasercompounds), vorzugsweise weniger als 10 mm, insbesondere weniger als 5 mm. Es eignen sich insbesondere Kurzfasern mit einer durchschnittlichen Länge von weniger als 3 mm, z.B. weniger als 2 mm bzw. weniger als 1 mm, welche in der Kunststoff-Matrix fein verteilt im Spritzgussverfahren problemlos verarbeitet werden können. Zudem sind kurze Fasern wesentlich kostengünstiger als Langfasern.
Zweckmäßigerweise weist der Fügerand der einen Halbschale eine Nut und der Fügerand der anderen Halbschale eine in die Nut eingreifende Feder auf. Nut und Feder sind vor- zugsweise so dimensioniert, dass bereits bei deren Zusammenfügen vor dem Laserschweißvorgang eine Klemmverbindung entsteht. Dazu weist entweder die Feder ein leichtes Übermaß oder die Nut ein leichtes Untermaß auf. Dadurch werden die zwei Halbschalen vor dem Schweißvorgang zunächst gegeneinander vorfixiert. Dies ermöglicht eine Kontrolle des korrekten Zusammenfügens der Halbschalen vor dem irreversiblen Schweißvor- gang. Im Bedarfsfall kann die Nut-Feder- Verbindung noch einmal vor dem Schweißvorgang gelöst werden. Insbesondere ist es auf diese Weise möglich, die korrekte Positionierung von Elektromotor und Energiespeicher in dem von den beiden Halbschalen gebildeten Hohlraum zu kontrollieren, bevor der Schweißvorgang durchgeführt wird. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Laserdurchstrahlschweißverfahren verwendet. Dabei wird einer der Fügepartner, welcher lasertransparent ausgebildet ist, durchstrahlt und die Energie vom zweiten, laserabsorbierenden Fügepartner an dessen Oberfläche absorbiert. An dieser Oberfläche schmilzt der Kunststoff, so dass hierdurch die beiden Fügepartner stoffschlüssig miteinander verbunden werden können. Dazu ist es er- forderlich, dass eine der Halbschalen im Bereich der Laserwellenlänge einen hohen Transmissionsgrad aufweist, während die andere Halbschale bei dieser Wellenlänge einen hohen Absorptionsgrad aufweist. Die Laserabsorption kann beispielsweise erreicht werden, indem dem Kunststoff der einen Halbschale Laserpigmente, vorzugsweise Ruß, zugesetzt werden. Zweckmäßigerweise ist die Halbschale, deren Fügerand die Nut bildet, lasertransparent und die Halbschale, deren Fügerand eine Feder bildet, laserabsorbierend.
Der eingesetzte Laser kann ein Diodenlaser mit einer Wellenlänge von 500 bis 1100 nm sein, z.B. ein Festkörper-Dioden-Laser mit einer Wellenlänge von 1064 nm oder ein
Diodenlaser mit einer Wellenlänge von 980 nm. In einer weiteren bevorzugten Ausführung wird ein Diodenlaser mit einer Wellenlänge von 1300 nm bis 2200 nm, vorzugsweise von 1400 nm bis 2000 nm verwendet. Im Bereich dieser Wellenlängen können die Makromoleküle des Kunststoffes direkt durch die Laserstrahlung angeregt werden und dieser erreicht so die nötige Schweißtemperatur. Eine Pigmentierung des Kunststoffes ist daher bei diesen Wellenlängen nicht mehr notwendig. Vorzugsweise weist der Laser einen Dioden-Emitter mit Thulium und/oder Erbium auf. Die Schmelzzone wird bei diesem Schweißverfahren durch eine Fokussierung des Laserstrahls auf den gewünschten Bereich bestimmt.
Unabhängig vom eingesetzten Laserverfahren kann zumindest eine der beiden Halbschalen kann aus einem für das menschliche Auge durchsichtigen Kunststoff hergestellt werden, sodass nach dem Schweißvorgang eine optische Kontrolle der Schweißnaht möglich ist. Vorzugsweise ist dies die Nut bildende Halbschale.
Um den Pedelec-Rahmen ästhetisch ansprechend zu gestalten, wird in der Regel eine blickdichte Lackierung der zum Pedelec-Rahmen zusammen gefügten Halbschalen durchgeführt. Dadurch wird auch die ggf. unterschiedliche Optik der beiden Halbschalen, welche insbesondere beim Laserdurchstrahlverfahren aus der zuvor beschriebenen unterschiedlichen Pigmentierung der beiden Halbschalen resultieren kann, eliminiert.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Pedelec-Rahmen, hergestellt nach einem der vorstehenden Verfahren.
Kurzbeschreibunq der Zeichnungen
Nachfolgend werden lediglich Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer
Zeichnung näher erläutert. Es zeigen schematisch:
Fig. 1 einen erfindungsgemäß hergestellten Pedelec-Rahmen in einer dreidimensionalen
Darstellung;
Fig. 2 den Querschnitt A-A in Fig. 1 während des Fügevorgangs;
Fig. 3 eine weitere Ausführungsform der Erfindung in einer der Fig. 2 entsprechenden
Darstellung; Fig. 4 einen vergrößerten Ausschnitt der Fig .2 in dreidimensionaler Darstellung und
Fig. 5 einen vergrößerten Ausschnitt der Fig. 3 in dreidimensionaler Darstellung.
Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Pedelec-Rahmen 1 , wobei dieser durch das Zusammenfügen zweier entsprechender Kunststoff-Halbschalen 2, 3 hergestellt wird. Der Pedelec-Rahmen 1 weist eine Aufnahme 12 für einen Lenker 4, eine Aufnahme 13 für ein Tretlager 5 und eine Aufnahme 14 für einen Fahrersattel 6 auf. Lenker 4, Tretlager 5 und Fahrer- sattel 6 sind in der Fig. 1 lediglich angedeutet. An dem Pedelec-Rahmen ist ein gestrichelt dargestellter Hinterbau 60 befestigt, der zur Aufnahme des (nicht dargestellten) Hinterrads des Pedelec dient und mit einer nicht näher dargestellten Federung versehen sein kann. Beim Zusammenfügen wurden die beiden Kunststoff-Halbschalen 2, 3 randseitig unter Bildung einer um den Pedelec-Rahmen 1 umlaufenden Schweißnaht 20 (s.a. Fig. 2 bis 5) mit- tels Laserstrahlung stoffschlüssig miteinander zum Pedelec-Rahmen 1 verschweißt. Hierdurch bilden die Kunststoff-Halbschalen gemeinsam einen inneren Hohlraum 7, der eine Batterie 30, einen Elektromotor 40 und auch das Tretlager 5 des Pedelec aufnimmt. Durch das Zusammenfügen der Kunststoff-Halbschalen 2, 3 werden ferner Batterie 30, Elektromotor 40 und das Tretlager 5 im inneren Hohlraum 7 jeweils an einer definierten Stelle positio- niert. Die mittels eines Spritzgussverfahrens hergestellten Kunststoff-Halbschalen 2, 3 weisen hierzu einstückig angeformte Positionierungselemente 50 auf, die Elektromotor 40, Batterie 30 und Tretlager 5 jeweils in der gewünschten Position halten.
Die Halbschalen 2, 3 sind jeweils aus einem faserverstärkten thermoplastischen Kunststoff hergestellt, wobei als Kunststoff-Material ein teilaromatisches Polyamid verwendet wurde. Die Faserverstärkung besteht aus fein in der Kunststoff-Matrix dieses Polyamids verteilten reinen Glasfasern mit einer durchschnittlichen Faserlänge von ca. 3 mm im fertigen Bauteil. Der Gewichtsanteil der Fasern im faserverstärkten thermoplastischen Kunststoff beträgt im Ausführungsbeispiel 50 %. Nach dem Schweißvorgang werden die zum Pedelec-Rahmen zusammengeschweißten Halbschalen 2, 3 blickdicht lackiert.
Den Figuren 2 bis 5 ist zu entnehmen, dass der Fügerand der einen Halbschale 3 in Form einer Nut 9 gestaltet ist, während der Fügerand der anderen Halbschale 2 so ausgebildet ist, dass er eine Feder 10 bildet. Beim Zusammenfügen der Halbschalen 2, 3 werden die Stirnseiten 70 der beiden Fügeränder miteinander in Kontakt gebracht (s. Fig. 4, 5). Die in Fig. 2 dargestellte Querschnittsdarstellung zeigt den Schnitt A - A in Fig. 1 durch die Kunststoff-Halbschalen 2, 3, welche randseitig und umlaufend mittels Laserstrahlung 8 stoffschlüssig miteinander verschweißt wurden. Der Kunststoff der Halbschale 3, welche eine Nut bildet 9, ist für den verwendeten Laser 8 transparent. Die andere Halbschale 2 ist hingegen aus einem Material, das für den verwendeten Laser 8 absorbierend ist. Um die Laserabsorption zu erreichen, wurde dem Kunststoff dieser Halbschale 2 Ruß (durch Schraffur angedeutet) zugesetzt. Zum Verbinden der beiden Halbschalen 2, 3 gemäß Fig. 2 kommt das Laserdurchstrahlschweißverfahren zur Anwendung, wobei zur Erzeugung der Laserstrahlung ein Diodenlaser 8, z.B. mit einer Wellenlänge von 1064 nm, verwendet wird. Der Laserstrahl durchstrahlt die eine lasertransparente Halbschale 3 und die Energie des Lasers wird von der zweiten laserabsorbierenden Halbschale 2 an deren Oberfläche absorbiert. Dort schmilzt der Kunststoff auf, so dass dort unter Bildung der Schweißnaht 20 eine stoffschlüssige Verbindung der beiden Halbschalen 2, 3 entsteht. Die Halbschale 3 besteht aus ferner auch aus einem für das menschliche Auge durchsichtigen Kunststoffmaterial, so dass die Schweißnaht 20 optisch kontrolliert werden kann.
Fig. 3 zeigt ein alternatives Schweißverfahren. Zum Verbinden der beiden Halbschalen 2, 3 wird hier ein Diodenlaser 11 mit einer Wellenlänge von 1400 nm bis 2000 nm verwendet. Die Makromoleküle des Kunststoffs können bei dieser Wellenlänge direkt angeregt werden, indem der Laserstrahl entsprechend fokussiert wird. Die gewünschte Schmelzzone 20 entsteht durch eine entsprechende Fokussierung des Laserstrahls auf die Fügenaht zwischen den beiden Halbschalen 2, 3. Auch hier ist die Halbschale 3 aus einem für das menschliche Auge durchsichtigen Kunststoffmaterial hergestellt. Fig. 4 und 5 zeigen jeweils einen vergrößerten Ausschnitt der Fügeverbindung der zwei Halbschalen 2, 3. Die Geometrie der Nut-Feder-Verbindung ist derart beschaffen, dass bereits durch das Einfügen der Feder 10 in die Nut 9 eine Klemmverbindung entsteht, die die zwei Halbschalen 2, 3 schon vor dem Laserschweißen gegeneinander vorfixiert. Dazu hat die Feder 10 gegenüber der Nut 9 ein leichtes Übermaß.
- Patentansprüche -

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur Herstellung eines Pedelec-Rahmens (1 ) aus Kunststoff,
- wobei dieser durch Zusammenfügen zweier entsprechender Kunststoff- Halbschalen (2, 3) hergestellt wird,
- wobei der Pedelec-Rahmen (1) Aufnahmen (12, 13, 14) für einen Lenker (4), ein Tretlager (5) und vorzugsweise für einen Fahrersattel (6) aufweist, und
- wobei die beiden Kunststoff-Halbschalen (2, 3) randseitig, vorzugsweise umlaufend, mittels Laserstrahlung stoffschlüssig miteinander zum Pedelec-Rahmen (1 ) verschweißt werden und hierbei mindestens einen inneren Hohlraum (7) bilden, der vorzugsweise zur Aufnahme mindestens einer Pedelec-Komponente (30, 40) dient.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Halbschalen (2, 3) aus einem faserverstärkten thermoplastischen Kunststoff hergestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Gewichtsanteil der Fasern im faserverstärkten thermoplastischen Kunststoff 15 bis 70 %, vorzugsweise 40 bis 60 %, beträgt.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei der thermoplastische Kunststoff ein teilaromatisches Polyamid enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei zur Faserverstärkung Glas- und/oder Carbon- und/oder Aramidfasern verwendet werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die durchschnittliche Länge der Fasern im fertigen hergestellten Pedelec-Rahmen (1 ) weniger als 15 mm, vorzugsweise weniger als 10 mm, insbesondere weniger als 5 mm, beträgt.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Geometrie der Halbschalen (2, 3) an ihren Fügerändern derart beschaffen ist, dass der Fügerand der einen Halbschale (3) eine Nut (9) und der Fügerand der anderen Halbschale (2) eine beim Zusammenfügen in die Nut (9) eingreifende Feder (10) aufweist.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Geometrie der Nut- Feder-Verbindung so bemessen ist, dass bereits durch das Einfügen der Feder (10) in die Nut (9) eine Klemmverbindung entsteht, welche die beiden Halbschalen (2, 3) für das Laserschweißen gegeneinander vorfixiert.
9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die eine Halbschale (2) aus einem laserabsorbierenden Kunststoff und die andere Halbschale (3) aus einem lasertransparenten Kunststoff hergestellt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Halbschale (3), deren Fügerand die Nut (9) bildet, aus dem lasertransparenten Kunststoff und die Halbschale (2), deren
Fügerand die Feder (10) bildet, aus dem laserabsorbierenden Kunststoff hergestellt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei dem Kunststoff der laserabsorbierenden Halbschale (2) Laserpigmente, vorzugsweise Ruß, zugesetzt wird.
12. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zur Erzeugung der Laserstrahlung ein Dioden-Laser mit einer Wellenlänge von 500 nm bis 1100 nm, insbesondere ein Festkörper-Dioden-Laser mit einer Wellenlänge von 980 nm, verwendet wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , wobei zur Erzeugung der Laserstrahlung ein Diodenlaser mit einer Wellenlänge von 1300 nm bis 2200 nm, vorzugsweise von 1400 nm bis 2000 nm, verwendet und hierbei die Laserstrahlung auf die
Fügenaht zwischen den beiden Halbschalen (2, 3) fokussiert wird.
14. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zumindest eine der beiden Halbschalen (3) aus einem für das menschliche Auge durchsichtigem Kunststoff hergestellt wird, sodass nach dem Schweißen eine optische Kontrolle der Schweißnaht möglich ist.
15. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die zum Pedelec-Rahmen (1 ) zusammen geschweißten Halbschalen (2, 3) blickdicht lackiert werden.
16. Pedelec-Rahmen (1 ), hergestellt mit einem Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche.
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