ES2688724T3

ES2688724T3 - Procedimiento para unir dos elementos estructurales y unión de elemento estructural

Info

Publication number: ES2688724T3
Application number: ES13193076.0T
Authority: ES
Inventors: Rainer Heinrich Hoerlein; Ingo Kesel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-11-27
Filing date: 2013-11-15
Publication date: 2018-11-06
Anticipated expiration: 2033-11-15
Also published as: EP2735432A1; DE102012221605A1; EP2735432B1

Abstract

Procedimiento para unir dos elementos estructurales (11, 13), donde el primer elemento estructural (11), en el área de unión (12), con respecto al segundo elemento estructural (13), al menos en algunas áreas, está provisto de una estructura de superficie (17) generada a través de una fuente de radiación, donde el segundo elemento estructural (13) se compone de plástico, y donde el segundo elemento estructural (13) está diseñado como elemento estructural fijo (13), prefabricado, y a través de la fusión en algunas secciones del plástico, en el área de superposición con la estructura de superficie (17), y de la solidificación subsiguiente del plástico, se une con el primer elemento estructural (11), caracterizado porque la estructura de superficie (17) se genera a través de la superposición de una microestructura mediante una nanoestructura, y porque el primer elemento estructural (11) se compone de metal.

Description

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

DESCRIPCIÓN

Procedimiento para unir dos elementos estructurales y unión de elemento estructural Estado del arte

La presente invención hace referencia a un procedimiento para unir dos elementos estructurales según el preámbulo de la reivindicación independiente.

Un procedimiento de esa clase se conoce por la solicitud WO 2008/025351 A2. En el procedimiento conocido se prevé que en un elemento soporte compuesto por cerámica esté conformada una microestructura que está dispuesta sobre el lado orientado hacia el elemento de cubierta que se compone de plástico. El elemento de cubierta, en el área de superposición con el elemento soporte, se fusiona a través de radiación mediante una fuente de haz láser, de modo que el material plástico penetra en la microestructura, donde al mismo tiempo, entre el elemento soporte y el elemento de cubierta, se ejerce una presión mecánica.

Por la solicitud JP 2007 230051 A es conocido el hecho de unir dos elementos en forma de placas, compuestos por plástico, utilizando un haz láser, donde en el área de unión de uno de los elementos estructurales el mismo está provisto de una superficie rugosa. En el documento mencionado no pueden observarse detalles más precisos sobre la estructura de superficie.

Por la solicitud JP 2009 226643 A es conocido el hecho de presionar uno contra otro dos elementos estructurales y, mediante un dispositivo de haz láser, sobre el lado del segundo elemento estructural apartado del dispositivo de haz láser o bien del haz láser, en el primer elemento estructural, de conformar una estructura de superficie en la cual penetra el plástico licuefaccionado del segundo elemento estructural dispuesto encima. Para las estructuras de superficie, en el documento mencionado, es característico el hecho de que las mismas están realizadas por ejemplo de forma triangular en la sección transversal y están dispuestas o bien se extienden enfrente de la superficie y en un ángulo.

Por la solicitud DE 10 2008 040 782 A1 del solicitante se conoce además el hecho de que en el primer elemento estructural, el cual se compone por ejemplo de metal, cerámico o plástico, en particular mediante un haz láser, se genere una estructuración de superficie que presenta una microestructura recubierta por una nanoestructura. A continuación, sobre el primer elemento estructural trabajado de ese modo se pulveriza un plástico (termoendurecible o termoplástico) que, después de la solidificación, conforma el segundo elemento estructural. A través de la estructuración de superficie generada en el primer elemento estructural se logra una adherencia especialmente buena del plástico sobre el primer elemento estructural, y en particular también una buena estanqueidad de la unión entre los dos elementos estructurales. El procedimiento conocido por el documento en principio ha dado buenos resultados, pero el procedimiento, condicionado por la pulverización del plástico en el primer elemento estructural, no puede aplicarse en todas las geometrías del primer elemento estructural. En particular no es posible proporcionar un área de superposición con plástico entre el primer elemento estructural y el segundo elemento estructural cuando en el área de superposición con el primer elemento estructural está conformado un rebaje o una cavidad que no puede llenarse mediante un elemento auxiliar (en particular un punzón). El elemento auxiliar que forma una superficie de contacto para el plástico licuefaccionado durante la pulverización en particular no puede aplicarse entonces cuando en el primer elemento estructural está conformada una cavidad cerrada, puesto que en ese caso el elemento auxiliar no puede introducirse en la cavidad o extraerse.

Descripción de la invención

Tomando como base el estado del arte presentado, el objeto de la presente invención consiste en perfeccionar un procedimiento para unir dos elementos estructurales, así como una unión de elemento estructural según los preámbulos de las dos reivindicaciones independientes, de modo que en particular se posibilite una unión entre los dos elementos estructurales en las áreas en las que el primer elemento estructural presenta una cavidad cerrada que no permite la utilización del elemento auxiliar mencionado para pulverizar el plástico. Además, independientemente de una cavidad que eventualmente se encuentre presente, debe indicarse un procedimiento de unión alternativo con respecto al estado del arte, mediante la utilización de una superficie estructurada en el primer elemento estructural.

Este objeto, de acuerdo con la invención, se soluciona a través de un procedimiento para unir dos elementos estructurales con las características de la reivindicación 1 independiente. A través del derretido o bien de la licuefacción del material plástico del segundo elemento estructural tiene lugar una unión íntima o imbricación del plástico del segundo elemento estructural con la estructura de superficie del primer elemento estructural, de modo que se conforma una unión segura y fija de los dos elementos estructurales después del (re)endurecimiento del plástico.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

En las respectivas reivindicaciones subordinadas se indican perfeccionamientos ventajosos del procedimiento según la invención para unir dos elementos estructurales, así como de una unión de elemento estructural según la invención.

Se considera especialmente preferente un procedimiento en el cual al menos durante la fusión del plástico se ejerce una presión mecánica sobre el segundo elemento estructural, la cual presiona el segundo elemento estructural, al menos en el área de la estructura de superficie, contra el primer elemento estructural. A través de la aplicación de la presión se logra en particular una disposición definida del segundo elemento estructural en el primer elemento estructural y, debido a ello, durante la fusión del plástico, la estructura de superficie llena en toda la superficie el primer elemento estructural, de modo que se posibilita la superficie de unión lo más grande posible entre la estructura de superficie del primer elemento estructural y el plástico del segundo elemento estructural.

Para introducir la energía térmica para la fusión del plástico en la zona de unión existen diferentes posibilidades, dependiendo del caso de aplicación concreto. En una primera variante del procedimiento según la invención se sugiere que la fusión del plástico del segundo elemento estructural tenga lugar a través de una fuente de calor de inducción. De manera alternativa y especialmente preferente, la fusión del plástico del segundo elemento estructural, sin embargo, tiene lugar a través de una fuente de haz láser o bien a través de un haz láser. La introducción de la energía térmica mediante un haz láser ofrece en particular la ventaja de que la energía del haz láser puede introducirse con elevada precisión en el área de unión entre los dos elementos estructurales. Sin embargo, en la aplicación de una fuente de haz láser es importante que el plástico sea permeable para la longitud de onda del haz láser. Debido a ello se impide que el plástico se fusione sobre el lado del segundo elemento estructural que se encuentra apartado del primer elemento estructural. La fusión del plástico, de este modo, tiene lugar debido a que el haz láser penetra a través del plástico del segundo elemento estructural e incide sobre el metal en el área de unión. El calentamiento del metal, a través de transferencia térmica hacia el segundo elemento estructural en el área de unión, provoca la fusión deseada del plástico sobre el lado que se encuentra orientado hacia el primer elemento estructural. Naturalmente, también es importante que a través del haz láser el material del primer elemento estructural no se licuefaccione, puesto que de lo contrario se destruiría también la estructura de superficie en el primer elemento estructural.

En otra realización alternativa puede preverse que la fusión del plástico del segundo elemento estructural tenga lugar a través de un dispositivo de soldadura por ultrasonido. Un dispositivo de soldadura por ultrasonido de esa clase ofrece la ventaja de que el mismo se conforma o bien diseña usualmente de modo que a través del mismo una presión mecánica se ejerza sobre el segundo elemento estructural en dirección hacia el primer elemento estructural, de manera que eventualmente puede prescindirse de dispositivos adicionales, separados, para generar la presión mecánica mencionada.

Para alcanzar una adherencia lo mejor posible del plástico en el primer elemento estructural, para producir uniones lo más firmes y estancas posible entre los dos elementos estructurales, se prevé además que la estructura de superficie en el primer elemento estructural se genere a través de la superposición de una microestructura mediante una nanoestructura. Realizaciones concretas correspondientes de una estructuración de superficie de esa clase se describen en la solicitud DE 10 2008 040 782 A1 del solicitante. Esto hace referencia en particular a los órdenes de magnitud geométricos concretos de la microestructura y nanoestructura, así como a la utilización de la fuente de radiación (dispositivo de haz láser) adecuada para generar la estructura de superficie. En una variante de la unión de elemento estructural según la invención se prevé que el segundo elemento estructural no esté unido al primer elemento estructural en toda el área de superposición del segundo elemento estructural con el primer elemento estructural. Una conformación de esa clase de la unión de elemento estructural hace referencia en particular al caso en el cual el primer elemento estructural presenta una cavidad que está abierta en la dirección hacia el elemento estructural, donde la cavidad o bien la abertura limitada por la cavidad en el primer elemento estructural está recubierta por el segundo elemento estructural. En particular, una unión de elemento estructural realizada de ese modo permite diseñar las cavidades de modo que éstas puedan cerrarse, donde puede prescindirse de la utilización de elementos de apoyo, la cual de lo contrario es necesaria en el caso de la colocación de una capa de plástico en correspondencia con el estado del arte. Para simplificar la licuefacción del plástico o bien para acelerarla, de manera preferente, se prevé que el segundo elemento estructural, sobre el lado orientado hacia el primer elemento estructural, presente al menos en el área de unión una estructura de superficie desigual. Debido a ello, en particular combinado con una fuerza de aplicación mecánica del segundo elemento estructural sobre el primer elemento estructural, se logra una compresión de la superficie entre los dos elementos estructurales en el área de unión, la cual acelera el proceso de fusión. Preferentemente, una estructura de superficie de esa clase está diseñada en forma de elevaciones con punta, ranuras o barras. En el caso de ranuras o bien barras, las mismas preferentemente están realizadas como ranuras o barras continuas, de modo que en el segundo elemento estructural se genera un contorno cerrado en sí mismo.

Otras ventajas, características y particularidades de la invención resultan de la siguiente descripción de ejemplos de ejecución preferentes, así como mediante el dibujo.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Las figuras muestran:

Figura 1: una representación esquemática para explicar un primer procedimiento según la invención para unir dos elementos estructurales, utilizando un dispositivo de soldadura por ultrasonido,

Figura 3: una representación esquemática de un procedimiento modificado en comparación con la figura 1, utilizando una fuente de haz láser, y

Figura 3 y Figura 4: el área de unión entre dos elementos estructurales, aplicando un procedimiento de unión según la invención, en una representación ampliada, en donde en el segundo elemento estructural se proporciona respectivamente una superficie diseñada de forma especial.

Los elementos idénticos o los elementos que cumplen la misma función poseen en las figuras los mismos números de referencia.

En la figura 1 se representa una unión de elemento estructural 10, compuesta por un primer elemento estructural 11 y por un segundo elemento estructural 13 unido al primer elemento estructural 11 en un área de unión 12. El primer elemento estructural 11, a modo de ejemplo, está diseñado como cuerpo cilíndrico con un eje longitudinal 14. El mismo comprende en particular una cavidad 15 realizada en su interior, la cual, sobre el lado superior orientado hacia el segundo elemento estructural 13, presenta una abertura 16 que está tapada o bien cerrada por el segundo elemento estructural 13. A su vez, el segundo elemento estructural 13 está diseñado a modo de ejemplo como disco, y conforma una tapa para cerrar la abertura 16. En el ejemplo de ejecución representado, el área de unión 12 está diseñada de forma anular y rodea la abertura 16 en el primer elemento estructural 11 con una distancia radial reducida.

Naturalmente, dentro del marco de la invención es posible diseñar la geometría o bien la conformación de los elementos estructurales 11, 13 de modo diferente a lo representado en el ejemplo de ejecución de la figura 1.

El primer elemento estructural 11 se compone de metal, mientras que el segundo elemento estructural 13 se compone en cada caso de plástico. Además, el punto de fusión o bien la temperatura de fusión del segundo elemento estructural 13, en particular cuando el primer elemento estructural 11 debe componerse de plástico, se ubica por debajo del punto de fusión del primer elemento estructural 11.

Como puede observarse solamente mediante las figuras 3 y 4, el primer elemento estructural 11, en el área de unión

12 entre los dos elementos estructurales 11, 13; presenta una estructura de superficie 17 que comprende una microestructura, a la cual se superpone una nanoestructura. En la solicitud DE 10 2008 040 782 A1 del solicitante puede observarse cómo puede realizarse una microestructura recubierta por una nanoestructura. En particular, la estructura de superficie 17 se genera a través de un dispositivo de haz láser no representado, en un paso de producción dispuesto aguas arriba, mediante un haz láser, en el área de unión 12 del primer elemento estructural 11.

Para unir el segundo elemento estructural 13 prefabricado en el área de unión 12 con el primer elemento estructural 11, en el ejemplo de ejecución de la invención representado en la figura 1 se utiliza un dispositivo de soldadura por ultrasonido 20. El dispositivo de soldadura por ultrasonido 20 comprende un sonotrodo 21, cuya forma está adaptada al lado orientado hacia el segundo elemento estructural 13, en particular a la forma del área de unión 12, es decir que en el ejemplo de ejecución representado está diseñado preferentemente de forma anular. El sonotrodo 21, mediante el dispositivo de soldadura por ultrasonido 20, oscila en la dirección de la flecha doble 22, de manera que, debido al diseño o bien a la introducción de las vibraciones en el segundo elemento estructural 13, una energía térmica se introduce en el segundo elemento estructural 13, la cual provoca una fusión del plástico del segundo elemento estructural 13 en el área de unión 12.

Como frecuencias ventajosas de los sonotrodos han dado buenos resultados frecuencias entre 10kHz y 70kHz, preferentemente frecuencias entre aproximadamente 20kHz y 40kHz. Las amplitudes del sonotrodo 21 se ubican preferentemente entre 10mm y 50mm, donde en principio son posibles sin embargo amplitudes a partir de 2 mm.

El plástico licuefaccionado del segundo elemento estructural 13 alcanza de ese modo la estructura de superficie 17 del primer elemento estructural 11, de manera que después de la desconexión del dispositivo de soldadura por ultrasonido 20 y de la solidificación subsiguiente del plástico del segundo elemento estructural 13, entre los dos elementos estructurales 11, 13; en el área de unión 12, se forma una unión estanca que puede cargarse mecánicamente.

En el ejemplo de ejecución representado en la figura 2, para la fusión del plástico del segundo elemento estructural

13 en el área de unión 12 se utiliza un dispositivo de haz láser 25 que genera un haz láser 26. Para ello se necesita en particular que el material del segundo elemento estructural 13 esté adaptado a la frecuencia o bien a la longitud de onda del haz láser 26, de modo que el material del segundo elemento estructural 13 sea transparente para el haz

4

láser 26, es decir, que sea permeable al haz láser. De manera adicional con respecto al dispositivo de haz láser 25, al segundo elemento estructural 13, mediante un dispositivo de aplicación de presión 27 que comprende un punzón 28, se aplica una fuerza F en la dirección del primer elemento estructural 11. La fusión del plástico del segundo elemento estructural 13 tiene lugar a través de transferencia térmica, desde el primer elemento estructural 11 hacia 5 el segundo elemento estructural 13, puesto que el haz láser 26 calienta el primer elemento estructural 11 en el área de unión 12 a una temperatura que se ubica por encima de la temperatura de fusión del segundo elemento estructural 13.

En los ejemplos de ejecución representados en las figuras 1 y 2, el segundo elemento estructural 13, sobre el lado orientado hacia el primer elemento estructural 11, presenta una superficie plana, es decir, lisa. Como una superficie 10 desigual o bien lisa se entiende una superficie que presenta una rugosidad usual de la superficie debido a los procedimientos de producción habitualmente utilizados.

Para posibilitar una fusión mejorada del material del segundo elemento estructural 13, el primer elemento estructural 13a según la figura 3, sobre el lado orientado hacia el área de unión 12, presenta una superficie estructurada 30 en forma de elevaciones con proyecciones 31. Las elevaciones 31 pueden estar diseñadas a modo de pirámides, 15 puntas o similares. En particular, las elevaciones 31 o bien la superficie estructurada 30 están dispuestas en el área de unión 12 del primer elemento estructural 11. En el caso del segundo elemento estructural 13b representado en la figura 4, la superficie estructurada 30, a modo de ejemplo, comprende una barra 32 continua anular, la cual conforma un contorno cerrado en el segundo elemento estructural 13b. En lugar de una barra 32 también es posible diseñar una cavidad continua anular en forma de una ranura o similares. El procedimiento aquí descrito para unir los 20 dos elementos estructurales 11, 13, 13a, 13b puede variarse o modificarse de diversas formas, sin apartarse del objeto de la invención. En particular cabe señalar nuevamente que la realización geométrica precisa de los dos elementos estructurales 11, 13, 13a, 13b puede diferir de los ejemplos de ejecución representados.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Procedimiento para unir dos elementos estructurales (11, 13), donde el primer elemento estructural (11), en el área de unión (12), con respecto al segundo elemento estructural (13), al menos en algunas áreas, está provisto de una estructura de superficie (17) generada a través de una fuente de radiación, donde el segundo elemento

5 estructural (13) se compone de plástico, y donde el segundo elemento estructural (13) está diseñado como elemento estructural fijo (13), prefabricado, y a través de la fusión en algunas secciones del plástico, en el área de superposición con la estructura de superficie (17), y de la solidificación subsiguiente del plástico, se une con el primer elemento estructural (11), caracterizado porque la estructura de superficie (17) se genera a través de la superposición de una microestructura mediante una nanoestructura, y porque el primer elemento estructural (11) se 10 compone de metal.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque al menos durante la fusión del plástico una presión mecánica (F) se ejerce sobre el segundo elemento estructural (13), la cual presiona el segundo elemento estructural (13), al menos en el área de la estructura de superficie (17), contra el primer elemento estructural (11).
3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque la fusión del plástico del segundo elemento 15 estructural (13) tiene lugar a través de una fuente de calor de inducción.
4. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque la fusión del plástico del segundo elemento estructural (13) tiene lugar a través de un dispositivo de haz láser (25).
5. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque la fusión del plástico del segundo elemento estructural (13) tiene lugar a través de un dispositivo de soldadura por ultrasonido (20).

20